RH爐冶煉低碳鋼的碳氧反應(yīng)控制

高超英

（天津天鐵集團(tuán)熱軋板有限公司，河北涉縣056404）

RH爐冶煉低碳鋼的碳氧反應(yīng)控制

高超英

（天津天鐵集團(tuán)熱軋板有限公司，河北涉縣056404）

為降低低碳鋼的冶煉成本，通過優(yōu)化RH工藝參數(shù)，充分利用碳氧反應(yīng)，加入碳粒，去除部分游離氧以代替鋁脫氧，減少了鋼水中Al2O3夾雜的含量，提高了鋼水純凈度，降低了噸鋼成本；通過改變預(yù)抽模式，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體的操作工藝，減少噴濺，有效保護(hù)了設(shè)備，降低了維修成本。

碳氧反應(yīng)；低碳鋼；真空度；脫氧；噴濺；純凈度

1 引言

在天鐵熱軋板有限公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，低碳鋼是其中的主要品種。低碳鋼的原生產(chǎn)工藝為：鋼水首先在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行粗低碳出鋼，并在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)加入中碳錳鐵進(jìn)行預(yù)脫氧，之后到LF爐進(jìn)行升溫作業(yè)，最后到RH爐進(jìn)行深脫碳、鋁脫氧和鋼水合金化等處理。如果能在RH處理過程中充分利用碳氧反應(yīng)，不只是單純的采用鋁粒或脫氧劑進(jìn)行鋼水脫氧處理和利用鋁氧反應(yīng)對(duì)鋼水升溫處理，能夠有效地減少鋁粒或脫氧劑及合金的使用量，降低低碳鋼的冶煉成本。通過優(yōu)化工藝，還能減少鋼水中的夾雜物含量，提高鋼水的純凈度。同時(shí)能正確合理地應(yīng)用好碳氧反應(yīng)，合理控制真空度，減少噴濺，避免噴濺的渣鋼將攝像孔粘死、熱彎管內(nèi)積聚的鋼渣影響抽氣功能和脫碳效果等問題。

2 碳氧反應(yīng)的理論依據(jù)

根據(jù)碳氧反應(yīng)熱力學(xué)方程式：

其中的反應(yīng)平衡常數(shù)：

冶煉低碳鋼時(shí)，使鋼水中碳和氧的濃度降到很小，則fC和f0可以看作1，公式變?yōu)椋?/p>

當(dāng)溫度不變時(shí)，K為常數(shù)，如果PCO是定值，則WC與WO乘積也是定值。這說明當(dāng)鋼水在RH真空室內(nèi)循環(huán)時(shí)，鋼水中的碳與游離氧作用發(fā)生碳氧反應(yīng)，并且碳氧反應(yīng)的能力隨真空度的提高而增強(qiáng)因此在RH碳脫氧的能力超過了鋁脫氧的能力，并且產(chǎn)生的CO隨廢氣排出，大大減少了Al2O3的夾雜量，提高了鋼水純凈度，降低了成本。

3 低碳鋼生產(chǎn)工藝流程和主要設(shè)備

3.1 工藝流程

熱軋板公司低碳鋼以CC03WL為例的生產(chǎn)工藝流程是：高爐鐵水→倒灌站→脫硫鐵水預(yù)處理→180 t轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹冶煉→LF精煉爐鋼水升溫→RH真空爐精煉處理→連鑄。

3.2 主要設(shè)備

熱軋板公司煉鋼作業(yè)部煉鋼系統(tǒng)裝備主要包括：1座1 300 t的混鐵爐及1座倒灌站，接收高爐到廠的鐵水；有兩個(gè)處理位的脫硫站對(duì)鐵水中的硫進(jìn)行預(yù)處理，提供高品質(zhì)鐵水；兩座180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，對(duì)鐵水進(jìn)行冶煉，高拉碳，低硫，高游離氧出鋼；兩座LF精煉爐對(duì)鋼水進(jìn)行升溫，保證到RH的溫度符合要求；一座三車五位RH精煉爐，對(duì)鋼水進(jìn)行脫碳和脫氧合金化等處理，凈化鋼水，提高鋼水純凈度，生產(chǎn)出高質(zhì)量鋼水。這些設(shè)備都為冶煉出高附加值產(chǎn)品提供了保障。

3.3 鋼種成分參數(shù)

以低碳鋼CC03WL為例（%），鋼種成分參數(shù)見表1。

表1 CC03WL鋼種成分參數(shù)表

4 碳氧反應(yīng)在RH爐冶煉過程的應(yīng)用

低碳鋼CC03WL轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)要求碳含量控制在0.04%～0.06%，終點(diǎn)氧控制在500×10-6～700×10-6。溫度控制數(shù)據(jù)為RH進(jìn)站1 610~1 620℃，RH出站1 590~1 600℃。RH爐的處理周期在25~30 min，要求各級(jí)真空泵的啟動(dòng)必須平穩(wěn)、緩慢，不要啟動(dòng)的過快過猛，防止碳氧反應(yīng)過于激烈造成噴濺。根據(jù)到站鋼水確定脫碳時(shí)間，脫碳結(jié)束確保碳含量≤0.01%。脫碳結(jié)束測(cè)溫定氧，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行碳脫氧或者補(bǔ)氧，保證鋼水溫度的出站溫度，并且使脫碳后的富余游離氧控制在0.025%左右。此過程中，充分合理利用碳氧反應(yīng)，補(bǔ)碳粒或利用鋼水自身碳與氧反應(yīng)，起到代替部分鋁脫氧的作用，節(jié)省脫氧劑，降低了煉鋼成本。

4.1 RH處理過程中碳含量變化

低碳鋼CC03WL的成品碳含量?jī)?nèi)控范圍在0.008%～0.02%，目標(biāo)為0.01%。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，此鋼種在轉(zhuǎn)爐采用高拉碳（0.04%～0.06%）出鋼，到RH爐冶煉結(jié)束，由于鋼水基本沒有接觸到碳質(zhì)材料，因此沒有進(jìn)碳源。根據(jù)RH碳氧反應(yīng)方程式：

[C]+[O]=CO(g)

理論上，在RH碳氧反應(yīng)前期，每消耗0.013 3%的游離氧可以脫去0.01%的碳。在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到真空度的波動(dòng)，鋼渣、空氣等都含有大量的氧，在碳氧反應(yīng)時(shí)不斷向鋼水中進(jìn)氧，因此碳氧反應(yīng)的耗氧達(dá)不到理論水平，通過RH爐前期的大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)，目前熱軋板公司的RH爐，平均消耗0.008 5%的游離氧可以脫去0.01%的碳。

實(shí)際冶煉時(shí)，RH的到站鋼水碳含量一般在0.045%左右，含量穩(wěn)定，氧含量范圍偏大在600× 10-6～900×10-6。RH爐進(jìn)行輕處理，真空度達(dá)到kPa左右開始計(jì)時(shí)，真空脫碳時(shí)間≥8 min，或者觀察廢氣量的數(shù)據(jù)變化，當(dāng)廢氣量降到450 m3/h，說明前期碳氧反應(yīng)結(jié)束。此時(shí)對(duì)鋼水測(cè)溫定氧，根據(jù)鋼水的溫度、游離氧含量實(shí)際情況進(jìn)行操作。如果溫度、氧含量在合適范圍，接著對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧合金化處理。如果鋼水溫度偏高或游離氧含量偏高就需要用碳脫氧，根據(jù)冶煉經(jīng)驗(yàn)，每20 kg碳粒可脫去大約70×10-6的游離氧，采用少量多批次的投碳方法將氧含量控制到所需要的范圍，此碳粒的加入量少，且與氧在低真空度充分反應(yīng)，不會(huì)對(duì)鋼水增碳。

RH碳含量變化，CC03WL到RH平均碳含量0.047%，出RH平均碳含量為0.008%。碳含量變化見圖1。

圖1 碳含量隨時(shí)間的變化

4.2 RH處理過程中氧含量變化

冶煉低碳鋼CC03WL轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)氧控制在500×10-6～700×10-6。實(shí)際生產(chǎn)中，到站氧含量都在600×10-6～900×10-6。RH兩個(gè)工位在處理鋼水前都會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的真空槽升溫處理，利用頂槍吹氧、吹煤氣，氧氣和煤氣燃燒升高真空槽內(nèi)溫度。槽內(nèi)壁結(jié)有鋼渣，在處理鋼水時(shí)會(huì)增加鋼水氧含量。則RH真空脫氧反應(yīng)前期氧含量不低，脫碳結(jié)束鋼水氧含量平均在500×10-6。

根據(jù)鋼水實(shí)際情況，確定是否需要加入碳粒，利用碳氧反應(yīng)去除部分游離氧。后期對(duì)鋼水脫氧合金化，保證鋼種成分。

CC03WL鋼種到RH平均氧含量750×10-6，脫碳結(jié)束平均氧含量523×10-6，出RH平均氧含量3.7×10-6。

4.3 RH處理過程噴濺控制

4.3.1 產(chǎn)生噴濺的原因分析及危害

在RH爐真空作用下，原本在常壓下已經(jīng)處于平衡狀態(tài)的碳與氧發(fā)生劇烈的碳氧反應(yīng)。在冶煉過程中，應(yīng)用真空技術(shù)，當(dāng)過程中有氣相參加并且反應(yīng)生成物中的氣體克分子數(shù)大于反應(yīng)物克分子數(shù)時(shí)，就會(huì)引起反應(yīng)平衡的移動(dòng)。根據(jù)碳氧反應(yīng)方程式：[C]+[O]=CO，RH真空脫碳時(shí)，[C]與[O]反應(yīng)生成CO氣體，真空泵抽氣降低了真空室內(nèi)CO分壓，迫使[C]與[O]的反應(yīng)向生成CO氣體的方向進(jìn)行，[C]與[O]的劇烈反應(yīng)造成了鋼水噴濺。

真空爐粘渣鋼部位見圖2。過強(qiáng)的噴濺危害有：渣鋼將攝像孔粘死，操作人員無法看到真空槽內(nèi)冶煉情況、頂槍孔粘渣鋼使頂槍升降受阻，難以進(jìn)行吹氧作業(yè)、槍頭積渣導(dǎo)致氧槍點(diǎn)火困難、熱彎管內(nèi)積聚渣鋼多影響抽氣功能和脫碳效果等。

圖2 真空室噴濺示意圖

4.3.2 噴濺的控制

控制噴濺從真空度、驅(qū)動(dòng)氣體等方面入手。

真空泵系統(tǒng)控制直接影響RH真空脫碳期間鋼水噴濺程度，同時(shí)也關(guān)系到真空脫碳的速度。因此，真空泵系統(tǒng)的控制原則不但要機(jī)制鋼水過分噴濺，還必須保證脫碳速度。熱軋板公司RH真空爐的兩個(gè)工位在處理各自第一包鋼水時(shí)，由于槽內(nèi)有大量殘留氧，發(fā)生過分噴濺的可能性很大，因此真空泵可以不做預(yù)抽真空操作，先開啟主閥，再平穩(wěn)緩慢的開啟各級(jí)泵。之后再處理鋼水可以先預(yù)抽真空，縮短RH處理周期，但真空度也不要過低，通過多次試驗(yàn)觀察，只需手動(dòng)操作開啟5a、5b，使預(yù)抽真空度控制在30 kPa左右即可。以CC03WL為例RH全程真空度控制在8 kPa，真空泵只需開啟4a 4b、5a、5b。

驅(qū)動(dòng)氣體是RH爐鋼水循環(huán)動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)氣體流量的大小直接影響鋼水循環(huán)狀態(tài)和真空脫碳效果。由于碳氧反應(yīng)過程產(chǎn)生大量CO氣體，必然加劇鋼水的噴濺程度。因此，要根據(jù)鋼水反應(yīng)實(shí)際情況對(duì)驅(qū)動(dòng)氣體流量進(jìn)行優(yōu)化。在RH鋼水處理前期反應(yīng)熱力學(xué)條件較好，可采用較小的驅(qū)動(dòng)氣體流量，不僅控制住了噴濺，還減少了插入管耐火材料的浸蝕。熱軋板公司RH爐驅(qū)動(dòng)氣體控制方法是前期調(diào)節(jié)為60 m3/h，觀察鋼水反應(yīng)情況，待平穩(wěn)后調(diào)節(jié)到100 m3/h即可。冶煉后期如需加入碳粒脫氧或者對(duì)鋼水進(jìn)行升溫操作，還應(yīng)將驅(qū)動(dòng)氣體調(diào)節(jié)為80 m3/h。

5 結(jié)束語

通過分析和合理利用碳氧反應(yīng)，優(yōu)化了熱軋板公司RH工藝參數(shù)和操作方法。由于轉(zhuǎn)爐出鋼氧含量普遍偏高，利用碳氧反應(yīng)，通過加入碳粒的方法去除部分游離氧以代替鋁脫氧，降低了冶煉成本并提高了純凈度。改變預(yù)抽模式，采用手動(dòng)操作真空泵來控制真空度的模式，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體的操作工藝，合理控制碳氧反應(yīng)程度，減少噴濺，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。

Carbon Oxygen Reaction Control in Low Carbon Steel M elting by RH Furnace

GAO Chao-ying
(Hot Rolling Plate Co.,Ltd.,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She Country,Hebei Province 056404,China)

In order to lower melting cost for low carbon steel,RH process parameters were optimized.Carbon oxygen reaction was fully utilized and carbon particles were added to remove partial free oxygen to substitute aluminum to deoxidize.The content of Al?O?inclusion was reduced and steel cleanliness improved, reducing tonnage steel cost.Through changing pre-vacuuming style and optimizing the operation process of driving gas,splashing was curbed and equipment effectively protected,reducing maintenance cost.

carbon oxygen reaction;low carbon steel;vacuum;deoxidation;splash;cleanliness

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.001

2016-05-08

2016-06-04

高超英（1984—），女，主要從事煉鋼方面的研究工作。