低碳鋼RH真空時間對鋼水潔凈度的影響

關鍵詞：真空處理；鋼水潔凈度；夾雜物；脫氣

0 引言

隨著社會發展，終端客戶對鋼材質量、潔凈度要求持續提高，不斷提高鋼水潔凈度、去除鋼中有害元素成為各大鋼鐵生產企業的核心競爭方向。降低鋼中夾雜物是提高鋼材質量的重要手段，此外，控制鋼中夾雜物的數量、種類和形態同樣是提高鋼材潔凈度的研究熱點。當夾雜物的尺寸、數量、分布及形態控制不良時，將影響材料的塑性、韌性、抗疲勞性、耐腐蝕性等使用性能。而在夾雜物的研究過程中，主要研究對象仍然為鋁系夾雜和硫化物夾雜，其中鋁系夾雜物主要表現為連鑄過程的可澆性差，且其在軋制過程中易被破碎成不連續的細小夾雜，嚴重影響鋼材基體的連續性；硫化物夾雜在高溫下具有塑性不足或熔化特性，出現“熱脆”現象而產生裂紋缺陷，此外硫化物對鋼的耐蝕性也會造成影響。

作為一項重要的鋼水精煉手段，RH已成為關鍵的精煉設備。針對RH真空冶煉過程夾雜物的演變過程，業內也有大量的相關分析及報道。研究表明，大顆粒夾雜物（不小于100 μm）在RH處理過程中可以快速上浮去除；尺寸小于

20 μm的夾雜物受流場影響較難上浮去除，在連鑄過程中造成浸入式水口處粘連、堵塞，鋼水可澆性差，嚴重的會導致裂紋缺陷。此外，研究表明，夾雜物和鋼基體之間界面處的應力局部化是導致疲勞失效的主要原因，這是由于在冷卻過程中夾雜物和基體間存在不同熱收縮，以及基體和夾雜物之間的彈性常數差異而產生的應力集中，在熱變形（如軋制）過程中，夾雜物和鋼基體之間的界面處產生裂紋（圖 1），而夾雜物對疲勞裂紋萌生影響取決于夾雜物的化學成分、尺寸、密度以及夾雜物在鋼中的位置和形態。

對山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱日照公司）低碳鋼（轉爐出鋼不脫氧）RH真空處理過程夾雜物演變機理，特別是RH真空時間對夾雜物種類、形態、尺寸等定量指標進行了進一步的分析與研究，探討不同RH精煉時間對夾雜物演變的影響，指導實際生產過程中RH真空精煉時間的精準控制。

1 試驗及研究方法

1.1 試驗條件

日照公司現有210 t轉爐4座，配置210 t干式機械泵雙工位RH 3座，最大環流氣體流量為240 m3/h， 最大鋼水循環量達到180 t/min， 具備快速脫氣的能力。

為了深入研究RH真空過程抽真空時間與夾雜物的對應關系，選取了轉爐出鋼不脫氧合金化的SPCC低碳鋼為試驗鋼種，其工藝路線為KR→BOF→RH→CC，鋼水在RH工序自然脫碳完成后加鋁深脫氧，夾雜物濃度相對較高。鋼種冶煉參數為：轉爐終點w（C）≤0.04 %、w（S）≤0.012 %、w（P）≤0.015 %，終點w（O）=（400～800）×10-6，出鋼溫度1 660～1 700 ℃，出鋼后期向包內加入石灰和螢石，SPCC鋼主要成分見表1。

1.2 取樣方法

本次試驗主要研究RH真空精煉過程夾雜物演變機理，在RH深脫氧完成后開始取樣（即純脫氣時間），分別在深脫氧1 min、純脫氣3、6、9 min時在鋼包內取提桶樣，設計不同時間下的取樣計劃見表2。

為了減小取樣過程試樣受鋼渣層的污染，確保試樣更具有代表性，按照取樣計劃，采用提桶樣的方式進行取樣。取樣后，將試樣距底部10 mm處進行切割，再取其中的1/4，將1/4試樣的上表面作為金相觀測面，鑲樣及拋磨后進行ASPEX電鏡自動掃描，試樣加工見圖2。

2 RH真空時間與鋼水潔凈度的關系

2.1 鋁脫氧后不同時間下的夾雜物種類

在RH自然脫碳完成時加鋁脫氧1 min后進行取樣ASPEX分析（質量分數，%），此時鋼中夾雜物主要為不規則形狀和簇群狀的Al2O3夾雜，且尺寸較大（見圖3）。

純脫氣3、6、9 min時取樣并進行ASPEX分析。3個時刻夾雜物種類未發生明顯變化，主要為Al2O3夾雜（見圖4），整體形狀由簇群狀逐步轉變為單個夾雜，尺寸不斷減小。

2.2 鋁脫氧后不同時間的夾雜物尺寸及密度

從ASPEX電鏡自動掃描來看，鋁脫氧1 min后，夾雜物數量較多，符合鋁脫氧后鋁系夾雜物增加的客觀規律，試驗爐次過程相關參數見表3。3爐次脫氧后夾雜物數量偏差較大，一方面原因是脫碳結束后氧含量不同，另一方面因2403爐次吹氧升溫，鋼中夾雜物數量明顯高于其余2試驗爐次。純脫氣3 min時夾雜物數量和密度呈明顯降低，說明夾雜物在鋼水循環過程中碰撞長大并上浮，特別是大顆粒夾雜物的上浮，促使鋼水中夾雜物總量降低；純脫氣6 min試樣夾雜物數量達到最小，且尺寸基本小于5μm； 純脫氣

9 min后，夾雜物數量呈現出增加趨勢，同時出現了個別Al-Mn-O-S類夾雜物（應該是試樣在凝固時MnS以Al2O3為形核質點析出的原因），掃描面積為25 mm2下的典型爐次夾雜物密度分布結果如圖5所示。

2.3 鋼中全氧含量與夾雜物隨時間變化的關系

圖6為不同時間下鋼中全氧含量情況，整體來看，鋁脫氧1 min時鋼中氧含量仍然處于高位，說明大量脫氧產物仍然滯留在鋼水中；純脫氣

3 min時，鋼中氧已經處于相對較低狀態，此時說明無論鋼中氧還是脫氧后的夾雜物均處于較好狀態；純脫氣6 min和9 min時，鋼中全氧含量總體變化不大，基本趨于穩定。

結合圖5a～圖5c鋼中夾雜物分布及圖6不同真空時間下鋼中全氧含量檢測對比，說明鋼中全氧與夾雜物數量呈對應關系，即全氧含量越高夾雜物數量越多，鋼中全氧含量與夾雜物數量的關系趨勢見圖7。

3 結論

以日照公司KR→BOF→RH→CC為工藝路線生產的轉爐出鋼不脫氧低碳鋼為研究對象，分析了RH自然脫碳完成并加鋁脫氧后，不同RH真空時間下鋼中夾雜物的演變規律。

1）在轉爐出鋼不脫氧合金化工藝下，低碳鋼水經過RH真空處理后用Al脫氧，夾雜物種類主要為Al2O3夾雜。夾雜物的形態由簇群狀逐漸轉變為單個夾雜，并且尺寸不斷減小。

2）鋁脫氧1 min后，夾雜物數量多，與鋁脫氧后鋁系夾雜物增加的客觀規律對應。純脫氣3 min時，夾雜物數量和密度明顯降低，說明夾雜物在鋼水循環過程中發生碰撞并長大上浮，特別是大顆粒夾雜物的上浮，導致鋼水中夾雜物總量減少。純脫氣6 min后，試樣中夾雜物數量達到最小值，且尺寸基本小于5 μm。然而，純脫氣

9 min后，夾雜物數量呈現增加趨勢。

3）鋼中的全氧含量與單位面積夾雜物數量之間存在對應關系，即全氧含量越高，夾雜物數量越多。對于采用KR→BOF→RH→CC工藝路線的轉爐出鋼不脫氧合金化的低碳鋼，在RH真空處理過程中，鋁脫氧后控制真空時間為6～

7 min， 可以使鋼水的潔凈度達到最佳狀態。