RH碳粉脫氧工藝技術研究

單 偉， 王 崇， 王雷川

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

目前鋼鐵企業面臨著嚴峻的生存壓力，低成本生產至關重要，是現代鋼鐵企業的發展趨勢，RH 爐作為低成本生產高品質低碳鋼的重要手段，已經被國內多家鋼廠廣泛應用。在RH 真空室內的低真空度條件下，使鋼水中的[C]和[O]發生反應，富余氧使用鋁塊進行完全脫氧，鋁塊耗量大，生產成本高，同時鋁脫氧產物上浮不凈殘留鋼中形成夾雜，降低鋼種質量[1-2]。在煉鋼生產中，碳是最理想的脫氧劑，因為其脫氧產物為CO 不會污染鋼液，而且在氣體逸出的過程中，可以有效去除鋼中的氣體和夾雜物，同時，利用相對廉價的碳粉對鋼液脫氧可降低精煉工序成本，本文針對RH 處理過程使用碳粉代替部分鋁塊進行脫氧展開研究[3-4]。

1 碳粉脫氧的優勢

首先碳粉是最理想的脫氧劑。

其次現在RH 最常用的脫氧方式是用鋁脫氧，它的氧化產物是Al2O3，造成鋼水夾雜多，會使鑄機套眼。相反碳粉的脫氧產物是CO，它會隨抽真空氣體一起排走，不會影響鋼水質量。

再次就是在成本上分析，40 kg 碳粉可替代40 kg金屬鋁脫氧100×10-6，同樣的質量碳粉價格更便宜些。

2 碳粉脫氧的熱力學

據脫碳反應的熱力學方程：

其反應平衡常數為：

當鋼液中碳和氧的濃度很小時，fc和fo可以為1，則公式（2）變為：

當溫度一定時K 為常數，如Pco一定，則wc與wo之積為一定值。即在真空室內，鋼液中的過剩的碳可與氧作用發生碳氧反應，而使鋼液的氧變成CO 排除，這時碳在真空下成為脫氧劑，它的脫氧能力隨真空度的提高而增強。在爐外精煉常用的工作壓力下，碳的脫氧能力就超過了硅或鋁的脫氧能力。真空狀態下碳脫氧在氣-液相界面上，脫氧產物CO 能從液面上去除到氣相中，不會對鋼水造成夾雜物影響[5]。

3 RH碳粉脫氧的應用

煉鋼生產的低鋁鎮靜鋼RH 進站鋼水存在碳氧不匹配問題，尤其是爐后碳含量比較低的情況下，進站氧含量通常存在氧過剩的現象。在此情況下利用鋼水中的碳和加入碳粉輔助劑，可脫去部分過剩的氧，并使氣態脫氧產物從鋼水中排除。

在將碳粉加入RH 真空室的過程中，真控室內反應較為劇烈，所以采用先加入碳粉再抽真空的方式進行操作[6-7]。

4 低碳鋁鎮靜鋼的RH 生產工藝介紹

某煉鋼廠RH 設備基本參數如下：鋼包容量300 t；浸漬管內徑750 mm；5 級真空泵；最大抽氣能力1 250 kg/h；最大環流氣體流量為4 000 L/min；鋼液循環流量為239.5 t/min。處理低碳鋁鎮靜鋼時開啟4 級真空泵，過程各階段的用時與環流氣體流量設定如表1 所示。

表1 低碳鋁鎮靜鋼的RH 生產工藝各階段時間與環流氣流量

5 RH碳粉脫氧方案及分析

5.1 碳粉脫氧方案

為降低RH 脫氧鋁耗，減少鋼中Al2O3夾雜物，提高鋼水潔凈度。開展了碳脫氧工業試驗。其主要的操作流程如圖1 所示。

圖1 RH 碳粉脫氧工藝流程圖

5.2 碳粉脫氧工藝終脫氧時氧含量

參與脫氧反應的碳，包括原本鋼水中的碳和RH加入的碳粉，脫氧量取決于參與反應的碳粉量。圖2為RH 碳粉脫氧量的直方圖，共計50 爐，平均脫氧量約100×10-6，即降低了RH 脫碳結束時鋼中氧含量100×10-6，平均每爐可降低鋁粒消耗40 kg，實際每爐消耗脫氧碳粉43 kg，噸鋼可以降低成本1.2 元。

圖2 RH 碳粉用量與脫氧量的關系

比較碳脫氧爐次碳氧反應結束時鋼中理論氧含量和實際氧含量，碳氧反應結束時鋼中實際氧含量（質量分數）與理論量差值的平均值為31.2×10-6，其中差值在±50×10-6范圍內的爐次占比47%，考慮到RH 處理過程影響鋼中氧含量因素較多（冷鋼、鋼中C、碳氧反應程度以及定氧是否準確等因素），控制較好。經過碳粉預脫氧，終脫氧前鋼中氧含量較常規冶煉爐次降低約150×10-6，最低可將鋼中氧脫至 50×10-6，不同工藝條件下終脫氧前鋼中氧含量對比如圖3。

圖3 碳粉預脫氧工藝與常規工藝終脫氧前氧含量對比

5.3 碳氧反應與處理過程溫降的關系

試驗前，考慮到該工藝溫降大（認為兩方面原因：一是碳氧反應劇烈導致鋼水翻騰、加劇鋼水與外界熱量傳遞；二是終脫氧前鋼中氧含量降低，減少了終脫氧時氧鋁反應熱對鋼水的熱補償，為避免碳脫氧后鋼水溫低再進行吹氧升溫，該試驗選擇溫度（＞1 610 ℃）較高爐次進行。

圖4 碳粉脫氧爐次的溫降速率

碳脫氧爐次脫碳階段溫降速率如圖4 所示，脫碳階段平均溫降速率為2.3 ℃/min。

圖5 常規爐次脫碳階段鋼液溫降速率

圖5 是未使用碳脫氧爐次脫碳階段溫降速率的直方圖，在RH 脫碳階段溫降速率平均值為2.4 ℃/min，對比兩種處理方式，使用碳粉預脫氧并未加劇RH處理過程的溫降。

6 RH碳粉脫氧工藝的潔凈度分析

根據ASPEX 夾雜物分析結果，針對采用碳脫氧爐次，5～10 μm、10～15 μm、＞15 μm 的及雜物數量密度均值分別為 85.4、6.7、2.4 個/100 mm2。未使用碳脫氧爐次的夾雜物數量密度分別為142.9、20.5、1.9 個/100 mm2。總體上有降低的趨勢。

圖6 使用、未使用碳粉脫氧爐次的夾雜物數量密度對比

通過對比可以看出使用碳粉脫氧的夾雜物明顯少了很多，所以用碳粉脫氧工藝還是值得我們進一步推廣。

7 存在的問題-噴濺現象

在真空狀態下，碳與氧瞬間劇烈反應產生大量氣泡，導致噴濺現象。會造成真空槽耐材侵蝕大、環流管堵塞、以及頂槍黏渣等現象，所以要合理控制環流及真空度來減小噴濺。

首先環流氣體是RH 鋼水循環的動力源，環流氣體的大小直接影響鋼水循環狀態和脫碳效果，由于脫碳反應產生大量的CO 氣體，必然會加劇鋼水的噴濺程度，因此前期應該先調小，隨著[C]、[O]反應的減弱而適當增大。

其次控制碳粉加入時機，通過頂槍攝像頭對不同碳粉加入時間噴濺程度的觀察，發現在開始真空處理前加入碳粉可有效降低鋼液的噴濺。

再次真空系統控制的好壞直接影響RH 真空脫碳時鋼水的噴濺程度，同時也直接關系到真空脫碳的速度，因此控制真空泵的原則是保證一定的脫碳速度，又要抑制過分的噴濺。所以脫碳前期要避免快速啟動真空泵，抑制嚴重的噴濺現象，但在脫碳后期降壓來提高脫碳速率。

8 結論

1）針對低碳鋁鎮靜鋼，RH 采用碳粉脫氧工藝，可實現40 kg 碳粉脫氧100×10-6,噸鋼節約成本1.2 元。

2）針對碳粉脫氧的爐次，脫碳階段平均溫降速率為2.3 ℃/min，與未采用碳粉脫氧爐次相比，溫降速率相當。

3）針對采用碳粉脫氧爐次，5～10 μm、10～15 μm、＞15 μm 的及雜物數量密度均值分別為 85.4、6.7、2.4個/100 mm2。未使用碳粉脫氧爐次的夾雜物數量密度分別為 142.9、20.5、1.9 個/100 mm2。夾雜物數量密度總體上有降低趨勢。

4）但是RH 用碳脫氧還有一些不足，就是碳氧反應瞬間產生大量CO 氣體，鋼水劇烈反應，產生噴濺現象，造成真空槽耐材侵蝕大、環流管堵塞、以及頂槍黏渣等現象，因此需要合理控制環流及真空度來減小噴濺。