低碳鋼RH輕處理工藝技術(shù)研究

張高峰，鄒 虎，陸繼歡

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司,安徽 蕪湖 214000)

1 引言

WX08 鋼用于生產(chǎn)汽車發(fā)電機(jī)爪極，其成品碳含量目標(biāo)要求0.05%以下。蕪湖新興煉鋼流程采用“BOF-LF-CC”工藝生產(chǎn)WX08鋼，該工藝需要轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)碳含量在0.03%以下方可放鋼，存在的主要問(wèn)題是：(1)鋼水過(guò)氧化嚴(yán)重，對(duì)轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕嚴(yán)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(dǎo)致產(chǎn)品B類夾雜物嚴(yán)重超標(biāo)；(3)鋼水碳含量較高，且波動(dòng)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(chǎn)低碳WX08鋼，充分發(fā)揮 RH爐對(duì)鋼水進(jìn)行脫碳、LF 爐對(duì)鋼水進(jìn)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(duì)成品碳含量在0.01%-0.05%范圍內(nèi)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(zhuǎn)爐爐襯使用壽命和金屬收得率[3]。以下對(duì)RH輕處理過(guò)程脫碳規(guī)律進(jìn)行研究，旨在摸索工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程RH進(jìn)站鋼水條件，提高RH處理效率，充分發(fā)揮快節(jié)奏生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

2 工藝介紹

2.1 WX08鋼成分控制要求

WX08鋼化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

2.2 RH爐設(shè)備基本參數(shù)

RH爐設(shè)備基本參數(shù)見(jiàn)表2。采用RH輕處理模式時(shí)，開(kāi)啟 3級(jí)或4 級(jí)真空泵，真空度分別為4 kPa、8 kPa。

3 RH真空脫碳過(guò)程分析

3.1 RH真空脫碳熱力學(xué)分析

RH真空脫碳反應(yīng)式為[4]：

[C]+[O]={CO}

(1)

(2)

式(2)中KCO與T的關(guān)系為：

(3)

當(dāng)溫度為1600 ℃時(shí)，由(2)、(3)式可得：

[%C][%O]=0.0024PCO

(4)

在RH真空條件下，[C]、[O]反應(yīng)生成CO氣體，由于降低了氣相中CO的分壓，使[C]和[O]的反應(yīng)向著生成CO氣體的方向進(jìn)行。圖1表示在1600 ℃時(shí)不同壓力條件下，[C][O]之間的平衡關(guān)系。由圖1可見(jiàn)，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(tài)下進(jìn)行的。在實(shí)際生產(chǎn)中真空脫碳更重視動(dòng)力學(xué)條件的改善，以縮短脫碳時(shí)間，滿足煉鋼整體生產(chǎn)節(jié)奏的需要。

3.2 RH真空脫碳動(dòng)力學(xué)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(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，靠鋼水中的氧在真空室中進(jìn)行脫碳， 其中鋼水碳含量[C]t通常按下式規(guī)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(shí)刻的碳含量，%；[C]o—初始碳含量；t—脫碳時(shí)間；Kc—表面脫碳常數(shù)，1/min。

在真空脫碳過(guò)程中， 真空室內(nèi)存在三個(gè)反應(yīng)位置， 即熔池表面、 氬氣泡表面和熔池中，全部反應(yīng)由三個(gè)反應(yīng)環(huán)節(jié)控制， 即由液相向氣相界面?zhèn)髻|(zhì)、 在氣液界面的反應(yīng)、由氣液界面向氣相的傳質(zhì)， 三個(gè)控制環(huán)節(jié)決定了RH真空處理的脫碳速率。對(duì)于低碳鋼的生產(chǎn)， 脫碳速率與鋼水初始條件、 鋼水容量、 循環(huán)流量、 真空室內(nèi)真空度、鋼水溫度等因素有關(guān)，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(guò)程中，隨著提升氣體流量增加，循環(huán)流量增加， 可提高脫碳速率。 鋼水循環(huán)量的計(jì)算公式 (森辛治公式)[8]：

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

(7)

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

4 分析與討論

4.1 RH輕處理脫碳過(guò)程規(guī)律

對(duì)RH進(jìn)站鋼水及RH輕處理過(guò)程鋼水每隔2分鐘進(jìn)行測(cè)溫、取樣及定氧，其結(jié)果見(jiàn)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(guò)程中，ln(w[C]0/w[C]t)與t具有線性關(guān)系，其斜率為Kc。對(duì)于RH輕處理工藝來(lái)講，脫碳過(guò)程可以視為深脫碳工藝的脫碳前期，即可認(rèn)為Kc為常數(shù)[9]。對(duì)RH輕處理過(guò)程ln(w[C]0/w[C]t)與t關(guān)系進(jìn)行作圖(見(jiàn)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(guān)系，Kc值為0.1475 min-1。

RH輕處理脫碳目標(biāo)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(shí)間tmin與進(jìn)站碳含量w[C]0的關(guān)系為式(8)。

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

(8)

實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)RH進(jìn)站鋼水成分，利用式(8)計(jì)算得到RH輕處理最短脫碳時(shí)間，從而指導(dǎo)生產(chǎn)崗位確定合適的脫碳時(shí)間。

4.2 RH前氧值對(duì)脫碳速率的影響

針對(duì)不同RH進(jìn)站鋼水氧值條件，分別對(duì)RH進(jìn)站鋼水及RH輕處理過(guò)程鋼水每隔2分鐘進(jìn)行測(cè)溫、取樣及定氧，其結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

從表4中可以看出，當(dāng)RH前鋼水氧值較低時(shí)，盡管通過(guò)延長(zhǎng)抽真空時(shí)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?jī)H為0.015%。從表5中可以看出，當(dāng)RH前鋼水氧值較高時(shí)，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(shí)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(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)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(shí)鋼水脫碳速率最高，這是因?yàn)楫?dāng)RH前氧值偏低時(shí)，鋼水[O]含量成為脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，當(dāng)RH前氧值偏高時(shí)，鋼水[C]含量成為脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。因此，為了提高RH輕處理脫碳效率，RH進(jìn)站鋼水[C]含量應(yīng)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(duì)鋼液潔凈度的影響

鋼水喂入鋁線一方面進(jìn)行合金化，另一方面對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧，若反應(yīng)生成的Al2O3不能完全上浮被鋼渣吸附，就會(huì)成為鋼液中主要的內(nèi)生夾雜物。工業(yè)生產(chǎn)中通常用酸溶鋁比值(w(Als)/w( Alt))來(lái)反應(yīng)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(jié)束后，根據(jù)不同出站氧含量對(duì)鋼水喂入不同量的鋁線，鋼水鋁含量情況見(jiàn)表6所示。從表6中可以看出，RH出站時(shí)氧值越高，為達(dá)到與RH出站氧值低時(shí)喂鋁線后的鋼水鋁含量，需增加鋁線的喂入量，即RH出站時(shí)氧值越高鋁合金的收得率低。另外，RH出站時(shí)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(duì)較差。因此，為提高RH處理結(jié)束喂鋁線后鋼液潔凈度，應(yīng)降低RH出站時(shí)鋼水[O]含量。工業(yè)生產(chǎn)中通常將w(Als)/w( Alt)比值控制在0.90以上，因此，RH出站時(shí)鋼水[O]含量應(yīng)控制在150 PPm以下。

5 工藝優(yōu)化措施與效果

5.1 工藝優(yōu)化措施

基于第4節(jié)分析RH前氧值對(duì)脫碳速率的影響及RH出站氧值對(duì)鋼液潔凈度的影響，有針對(duì)性提出工藝優(yōu)化措施：

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

(2)轉(zhuǎn)爐爐后控制：對(duì)于終點(diǎn)氧含量在700 ppm以下的爐次不加碳粉，終點(diǎn)氧含量700-800 ppm的爐次加13 kg碳粉，終點(diǎn)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(jìn)站定氧測(cè)溫后頂升起準(zhǔn)備抽真空，目標(biāo)氧含量300-500 PPm，脫0.01%碳需氧量約為130 ppm，吹氧時(shí)氧回收率按70%計(jì)算；輕處理模式只啟動(dòng)到三、四級(jí)真空泵，真空室壓力在4.0-8.0 kPa范圍內(nèi)，抽真空時(shí)間不大于10 min。

(4)RH出站控制：真空處理結(jié)束后進(jìn)行定氧測(cè)溫，目標(biāo)氧含量控制在150 PPm以下，在RH喂線平臺(tái)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(yīng)用效果

(1)轉(zhuǎn)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(chǎn)WX08鋼時(shí)轉(zhuǎn)爐吹煉一倒[O]含量分布比例見(jiàn)圖4所示。

從圖4中可以看出，RH-LF雙精煉工藝轉(zhuǎn)爐吹煉一倒[O]含量80%分布在400-700 PPm；LF單精煉工藝轉(zhuǎn)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(chǎn)WX08鋼時(shí)降低了轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)氧含量，這有利于減輕過(guò)氧化鋼水對(duì)轉(zhuǎn)爐爐襯的侵蝕，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(chǎn)WX08鋼時(shí)成品C、S含量及非金屬夾雜物統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

從表7中可以看出，采用RH-LF雙精煉工藝時(shí)，成品C含量均在內(nèi)控范圍內(nèi)，且成品硫含量相對(duì)較低；成品非金屬夾雜物級(jí)別也相對(duì)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(jié)論

(1)RH輕處理過(guò)程ln(w[C]0/w[C]t)與t具有線性關(guān)系，其斜率Kc為0.1475 min-1，根據(jù)RH進(jìn)站鋼水成分，可計(jì)算出理論最短脫碳時(shí)間。

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

(3)RH出站時(shí)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(jié)束喂鋁線后鋼液潔凈度，RH出站時(shí)鋼水[O]含量應(yīng)控制在150 PPm以下。

(4)根據(jù)研究結(jié)果有針對(duì)性提出工藝優(yōu)化措施，工業(yè)實(shí)踐表明，采用RH-LF雙精煉工藝生產(chǎn)WX08鋼時(shí)，降低了轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)氧含量，成品非金屬夾雜物級(jí)別也相對(duì)降低。

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