低碳鋼RH輕處理工藝技術研究

張高峰，鄒 虎，陸繼歡

(蕪湖新興鑄管有限責任公司,安徽 蕪湖 214000)

1 引言

WX08 鋼用于生產汽車發電機爪極，其成品碳含量目標要求0.05%以下。蕪湖新興煉鋼流程采用“BOF-LF-CC”工藝生產WX08鋼，該工藝需要轉爐吹煉終點碳含量在0.03%以下方可放鋼，存在的主要問題是：(1)鋼水過氧化嚴重，對轉爐爐襯侵蝕嚴重；(2)消耗大量鋁脫氧合金，鋼液中存在大量Al2O3夾雜物，容易導致產品B類夾雜物嚴重超標；(3)鋼水碳含量較高，且波動幅度大。為了控制鋼水的碳含量及提高鋼水的潔凈度，蕪湖新興定采用“BOF-RH-LF-CC”雙精煉工藝生產低碳WX08鋼，充分發揮 RH爐對鋼水進行脫碳、LF 爐對鋼水進行深脫硫的精煉功能[1-2]。

RH輕處理是在4-20 kPa低真空度下對成品碳含量在0.01%-0.05%范圍內的低碳鋼處理方法，此類鋼出鋼碳含量可以控制在0.05%-0.06%，從而降低鋼水氧化性，提高轉爐爐襯使用壽命和金屬收得率[3]。以下對RH輕處理過程脫碳規律進行研究，旨在摸索工業生產過程RH進站鋼水條件，提高RH處理效率，充分發揮快節奏生產的優勢。

2 工藝介紹

2.1 WX08鋼成分控制要求

WX08鋼化學成分要求見表1。

2.2 RH爐設備基本參數

RH爐設備基本參數見表2。采用RH輕處理模式時，開啟 3級或4 級真空泵，真空度分別為4 kPa、8 kPa。

3 RH真空脫碳過程分析

3.1 RH真空脫碳熱力學分析

RH真空脫碳反應式為[4]：

[C]+[O]={CO}

(1)

(2)

式(2)中KCO與T的關系為：

(3)

當溫度為1600 ℃時，由(2)、(3)式可得：

[%C][%O]=0.0024PCO

(4)

在RH真空條件下，[C]、[O]反應生成CO氣體，由于降低了氣相中CO的分壓，使[C]和[O]的反應向著生成CO氣體的方向進行。圖1表示在1600 ℃時不同壓力條件下，[C][O]之間的平衡關系。由圖1可見，隨著氣相中一氧化碳分壓下降，氧的脫碳能力逐步增大。RH 真空脫碳是在真空室壓力很低、即在高真空狀態下進行的。在實際生產中真空脫碳更重視動力學條件的改善，以縮短脫碳時間，滿足煉鋼整體生產節奏的需要。

3.2 RH真空脫碳動力學分析

RH真空脫碳是利用氣泡泵原理使鋼液在真空室和鋼包之間產生循環流動，靠鋼水中的氧在真空室中進行脫碳， 其中鋼水碳含量[C]t通常按下式規律變化[5]：

w[C]t=w[C]o×exp(-Kc×t)

(5)

由式(5)變換可得

ln(w[C]o/ w[C]t)=Kc×t

(6)

式(6)中：[C]t—在t時刻的碳含量，%；[C]o—初始碳含量；t—脫碳時間；Kc—表面脫碳常數，1/min。

在真空脫碳過程中， 真空室內存在三個反應位置， 即熔池表面、 氬氣泡表面和熔池中，全部反應由三個反應環節控制， 即由液相向氣相界面傳質、 在氣液界面的反應、由氣液界面向氣相的傳質， 三個控制環節決定了RH真空處理的脫碳速率。對于低碳鋼的生產， 脫碳速率與鋼水初始條件、 鋼水容量、 循環流量、 真空室內真空度、鋼水溫度等因素有關，在其它條件不變的情況下，鋼包初始氧濃度直接影響 RH脫碳速率[6-7]。在真空室壓力迅速降低的過程中，隨著提升氣體流量增加，循環流量增加， 可提高脫碳速率。 鋼水循環量的計算公式 (森辛治公式)[8]：

Q=114G1/3d4/3[ln(P0/P)]1/3

(7)

式(7)中： Q—環流量，t/min；G —環流氣體流量，Nm3/min；d—插入管內徑，m；P —槽內壓力，kPa；Po—大氣壓，kPa。

4 分析與討論

4.1 RH輕處理脫碳過程規律

對RH進站鋼水及RH輕處理過程鋼水每隔2分鐘進行測溫、取樣及定氧，其結果見表3。從表3中可以看出，隨著真空度下降，鋼水[C]含量和[O]含量也不斷下降。

由式(6)可以看出，在RH脫碳過程中，ln(w[C]0/w[C]t)與t具有線性關系，其斜率為Kc。對于RH輕處理工藝來講，脫碳過程可以視為深脫碳工藝的脫碳前期，即可認為Kc為常數[9]。對RH輕處理過程ln(w[C]0/w[C]t)與t關系進行作圖(見圖2所示)，從圖2中可以看出，ln(w[C]0/w[C]t)與t呈明顯的線性關系，Kc值為0.1475 min-1。

RH輕處理脫碳目標是將鋼水碳含量降低至0.03%左右，從而保證鑄坯成分w(C)≤0.05%。將Kc=0.1475，w([C]t)=0.03代入式(6)，可得出RH輕處理最短脫碳時間tmin與進站碳含量w[C]0的關系為式(8)。

tmin=6.78ln(33.3w[C]0)

(8)

實際生產中，根據RH進站鋼水成分，利用式(8)計算得到RH輕處理最短脫碳時間，從而指導生產崗位確定合適的脫碳時間。

4.2 RH前氧值對脫碳速率的影響

針對不同RH進站鋼水氧值條件，分別對RH進站鋼水及RH輕處理過程鋼水每隔2分鐘進行測溫、取樣及定氧，其結果見表4、表5。

從表4中可以看出，當RH前鋼水氧值較低時，盡管通過延長抽真空時間至10 min及降低真空度至4 kPa，鋼水碳含量仍降低有限，脫碳量僅為0.015%。從表5中可以看出，當RH前鋼水氧值較高時，盡管鋼水碳含量很低，但隨著真空度的降低，鋼水碳含量也不斷下降，抽真空時間4 min后，脫碳量為0.017%。不同RH前氧值條件下，鋼水[C]含量隨真空處理時間變化規律見圖3所示。

從圖3中可以看出，在真空處理前4 min，RH前氧值為331 PPm時鋼水脫碳速率最高，這是因為當RH前氧值偏低時，鋼水[O]含量成為脫碳反應的限制性環節，當RH前氧值偏高時，鋼水[C]含量成為脫碳反應的限制性環節。因此，為了提高RH輕處理脫碳效率，RH進站鋼水[C]含量應控制在0.045%-0.065%，鋼水[O]含量控制在300-500 PPm。

4.3 RH出站氧值對鋼液潔凈度的影響

鋼水喂入鋁線一方面進行合金化，另一方面對鋼水進行脫氧，若反應生成的Al2O3不能完全上浮被鋼渣吸附，就會成為鋼液中主要的內生夾雜物。工業生產中通常用酸溶鋁比值(w(Als)/w( Alt))來反應鋼液的潔凈度，其中w(Als)表示鋼水酸溶鋁含量，w( Alt)表示鋼水全鋁含量。w(Als)/w( Alt)比值越高，表明鋼水純凈度越高，鋼水中Al2O3夾雜物越少。

RH輕處理結束后，根據不同出站氧含量對鋼水喂入不同量的鋁線，鋼水鋁含量情況見表6所示。從表6中可以看出，RH出站時氧值越高，為達到與RH出站氧值低時喂鋁線后的鋼水鋁含量，需增加鋁線的喂入量，即RH出站時氧值越高鋁合金的收得率低。另外，RH出站時氧值越高，w(Als)/w( Alt)比值越低，這表明鋼液中Al2O3夾雜物含量越多，鋼液潔凈度相對較差。因此，為提高RH處理結束喂鋁線后鋼液潔凈度，應降低RH出站時鋼水[O]含量。工業生產中通常將w(Als)/w( Alt)比值控制在0.90以上，因此，RH出站時鋼水[O]含量應控制在150 PPm以下。

5 工藝優化措施與效果

5.1 工藝優化措施

基于第4節分析RH前氧值對脫碳速率的影響及RH出站氧值對鋼液潔凈度的影響，有針對性提出工藝優化措施：

(1)轉爐吹煉終點控制：吹煉終點C控制在0.04%-0.07%，終點溫度控制在1660-1690 ℃，終點氧含量控制在400-700 PPm。

(2)轉爐爐后控制：對于終點氧含量在700 ppm以下的爐次不加碳粉，終點氧含量700-800 ppm的爐次加13 kg碳粉，終點氧大于800 ppm的爐次加26 kg碳粉；出鋼前中期分批加入200-300 kg白灰。

(3)RH爐輕處理控制：進站定氧測溫后頂升起準備抽真空，目標氧含量300-500 PPm，脫0.01%碳需氧量約為130 ppm，吹氧時氧回收率按70%計算；輕處理模式只啟動到三、四級真空泵，真空室壓力在4.0-8.0 kPa范圍內，抽真空時間不大于10 min。

(4)RH出站控制：真空處理結束后進行定氧測溫，目標氧含量控制在150 PPm以下，在RH喂線平臺喂入150-200 m鋁線，鋼水每增加100 PPm氧含量，多喂入100 m鋁線。

5.2 應用效果

(1)轉爐吹煉一倒[O]含量控制情況

RH-LF雙精煉工藝及LF單精煉工藝生產WX08鋼時轉爐吹煉一倒[O]含量分布比例見圖4所示。

從圖4中可以看出，RH-LF雙精煉工藝轉爐吹煉一倒[O]含量80%分布在400-700 PPm；LF單精煉工藝轉爐吹煉一倒[O]含量78%分布在700 PPm以上。RH-LF雙精煉工藝生產WX08鋼時降低了轉爐吹煉終點氧含量，這有利于減輕過氧化鋼水對轉爐爐襯的侵蝕，延長轉爐使用壽命。

(2)WX08鋼軋材C、S含量及非金屬夾雜物

RH-LF雙精煉工藝及LF單精煉工藝生產WX08鋼時成品C、S含量及非金屬夾雜物統計見表7。

從表7中可以看出，采用RH-LF雙精煉工藝時，成品C含量均在內控范圍內，且成品硫含量相對較低；成品非金屬夾雜物級別也相對降低，這表明RH-LF雙精煉工藝有利于夾雜物的去除，從而提高鋼液潔凈度。

6 結論

(1)RH輕處理過程ln(w[C]0/w[C]t)與t具有線性關系，其斜率Kc為0.1475 min-1，根據RH進站鋼水成分，可計算出理論最短脫碳時間。

(2)RH前氧值偏低或偏高時，RH輕處理過程脫碳反應均受到限制，為了提高RH輕處理脫碳效率，RH進站鋼水[C]含量應控制在0.045%-0.065%，鋼水[O]含量控制在300-500 PPm。

(3)RH出站時氧值越高鋁合金的收得率越低，w(Als)/w( Alt)比值越低。為提高RH處理結束喂鋁線后鋼液潔凈度，RH出站時鋼水[O]含量應控制在150 PPm以下。

(4)根據研究結果有針對性提出工藝優化措施，工業實踐表明，采用RH-LF雙精煉工藝生產WX08鋼時，降低了轉爐吹煉終點氧含量，成品非金屬夾雜物級別也相對降低。

參考文獻：

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