IF鋼RH-MFB深脫碳技術(shù)研究

雷 輝

（攀鋼釩提釩煉鋼廠，四川 攀枝花617000）

1 前 言

RH（即真空循環(huán)脫氣）法是一種重要的爐外精煉方法，在優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)及鋼水二次精煉生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用，不僅提高鋼材質(zhì)量，而且隨著最佳爐外精煉工藝的采用還提高了生產(chǎn)能力。

IF鋼即無(wú)間隙原子鋼，屬于新一代汽車(chē)用薄板鋼—超低碳鋼系列。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠家對(duì)IF鋼質(zhì)量的要求日益提高，鋼水的純凈度較高，要求（［C］+［N］+［O］）＜100×10-6）。IF鋼中［C］越低，深沖性能越好，成品［C］≤0.003%是衡量IF鋼深沖性能的關(guān)鍵。因RH出站［C］偏高、鋼種混澆和換包、鋼包耐材含碳等因素，導(dǎo)致IF鋼成品［C］≤30×10-6的合格率與國(guó)內(nèi)同行相比較低，其合格率僅為78.9%。為此，只有優(yōu)化RH工藝操作，充分發(fā)揮好RH-MFB真空精煉技術(shù)，RH出站［C］達(dá)到更低的水平，才能進(jìn)一步提高IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率，提高IF鋼質(zhì)量［1-3］。

2 IF鋼生產(chǎn)工藝

2.1 化學(xué)成分

IF鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)及控制目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 IF鋼化學(xué)成分控制目標(biāo)%

2.2 技術(shù)裝備

IF鋼生產(chǎn)工藝流程:鐵水預(yù)處理→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐提釩→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF爐鋼水精煉→RH真空處理→200 mm×1 200 mm板坯連鑄→熱軋，該流程主要裝備及工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備及工藝參數(shù)

多功能頂槍?zhuān)∕FB）具有吹氧脫碳、鋁加熱及吹煤氣/氧氣燃燒加熱功能，主要由升降裝置、密封通道、點(diǎn)火燒嘴、MFB槍及廢氣排放裝置等組成，加熱速度60℃/h、行程8 000 mm。

2.3 生產(chǎn)工藝

在冶金過(guò)程中，應(yīng)用真空技術(shù)，只有在過(guò)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)物氣體克分子數(shù)時(shí)，才有可能引起反應(yīng)平衡的移動(dòng)。RH-MFB吹氧脫碳主要是在自然脫碳（VCD）的基礎(chǔ)上，在真空處理開(kāi)始期間，通過(guò)MFB槍向真空室內(nèi)吹入適量的氧，加速脫碳反應(yīng)的進(jìn)行，從而達(dá)到脫碳的目的，進(jìn)一步提高RH的脫碳能力。

3 生產(chǎn)工藝分析

RH真空脫碳時(shí)，［C］、［O］反應(yīng)生成的CO氣體，降低真空室內(nèi)CO分壓使［C］和［O］的反應(yīng)向生成CO氣體的方向進(jìn)行。RH真空精煉過(guò)程中，主要靠鋼水中的氧進(jìn)行脫碳，脫碳反應(yīng)方程式如下:

式中:［C］t為在時(shí)間t時(shí)的［C］含量，%；［C］0為初始［C］含量，%；T為脫碳時(shí)間，min；Kc為表觀脫碳常數(shù)，L/min；Q為鋼水循環(huán)流量，t/min；WL為鋼包鋼水量，t；ak為容量傳輸系數(shù)，m3/min；G為循環(huán)氣體流量，m3/min；D為插入管直徑，m；p1、p2為大氣和真空室內(nèi)壓力，Pa。

根據(jù)RH脫碳基礎(chǔ)理論可知，要想在一定的真空處理時(shí)間內(nèi)獲得較低的鋼液碳含量，可通過(guò)快速降低真空壓力、增大循環(huán)氣體流量、降低初始碳濃度、保證足夠的初始氧含量等方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 真空度

IF鋼在RH處理的主要作用是真空脫碳，真空脫碳是通過(guò)在熔融金屬中溶解的氧與其內(nèi)的碳反應(yīng)，來(lái)減少碳的一種化學(xué)反應(yīng)的真空精煉。在真空條件下，由于［C］、［O］反應(yīng)非常激烈，產(chǎn)生的CO氣體很快被抽走，脫碳的同時(shí)也在脫氧，因此，RH真空脫氣的脫氧脫碳效果比較好。

RH處理時(shí)真空度對(duì)鋼水中碳含量有決定性影響，根據(jù)攀西地區(qū)大氣壓的實(shí)際與脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)方程可知:

式中:［C］、［O］分別為鋼水中碳、氧濃度，%；Pco為真空室內(nèi)CO氣體分壓，即RH處理時(shí)的真空度。

從（6）式可知，在RH處理過(guò)程中，保持較高的真空度對(duì)脫碳是非常有利的，特別是在VCD后期。真空度與RH處理后碳含量的關(guān)系如圖1所示。由圖1分析，如不改變其他工藝參數(shù)，真空度必須降至300 Pa以下才能保證RH處理后的碳含量上限＜20×10-6。實(shí)際情況跟蹤證明，RH處理前期4～8 min，［C］、［O］反應(yīng)達(dá)到峰值，廢氣中CO的濃度達(dá)到最高，是熱力學(xué)條件最好時(shí)期，但此時(shí)真空度為500～1 000 Pa，且12 min左右才能抽到200 Pa以下，影響脫碳效果及脫碳時(shí)間，導(dǎo)致脫碳效果較差。

圖1 真空度與RH處理后碳含量的關(guān)系

3.2 驅(qū)動(dòng)氣體

氬氣作為驅(qū)動(dòng)氣體從上升管吹入RH的真空室，是RH鋼液循環(huán)的動(dòng)力源，吹氬流量的大小直接影響鋼液循環(huán)狀態(tài)和脫碳等冶金反應(yīng)。脫碳過(guò)程中生成大量的CO氣體，吹氬流量與抽真空控制不當(dāng)，必然加劇鋼水的噴濺程度；因此，在脫碳時(shí)吹氬流量應(yīng)先調(diào)小，隨著［C］、［O］反應(yīng)的減弱而適當(dāng)增大，直到脫碳結(jié)束時(shí)達(dá)到所需吹氬流量。

驅(qū)動(dòng)氣體流量工藝參數(shù)決定了鋼液在真空室內(nèi)的循環(huán)流量［4］，其計(jì)算公式為:

式中:U為循環(huán)量，t/min；D為插入管直徑，cm；G為驅(qū)動(dòng)氣體流量，NL/min；H為循環(huán)高度，cm。

真空處理開(kāi)始前4 min驅(qū)動(dòng)氣體流量為1 200 NL/min，主要是控制鋼液噴濺高度，之后到VCD結(jié)束，驅(qū)動(dòng)氣體流量為1 500 NL/min，脫氧合金均勻化期間采用1 200 NL/min，但脫碳效果不佳。

3.3 吹氧脫碳

IF鋼RH處理過(guò)程中對(duì)6爐典型爐次每隔3 min連續(xù)取樣分析鋼水［C］含量的變化曲線，在脫碳前期，吹氧脫碳的［C］含量變化曲線比自然脫碳的［C］含量變化曲線要陡得多，吹氧脫碳爐次的平均表觀脫碳常數(shù)比自然脫碳爐次大，在脫碳前期吹氧，有利于加速脫碳反應(yīng)進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 MFB吹氧對(duì)表觀脫碳常數(shù)的影響

結(jié)合轉(zhuǎn)爐出鋼實(shí)際，RH工序?qū)D(zhuǎn)爐出鋼提出［C］控制在（350～500）×10-6，［O］在（500～700）×10-6，但在實(shí)際生產(chǎn)中統(tǒng)計(jì)192爐，［C］合格率99.2%，［O］合格率僅86%，對(duì)［O］偏低爐次采用MFB槍進(jìn)行強(qiáng)制吹氧脫碳，其成品［C］≤30×10-6合格率僅為50%。

3.4 鋁加熱

按照外方提供的程序及工藝，RH-MFB實(shí)施鋁加熱時(shí)，必須首先一次性從鋁旋轉(zhuǎn)給料器加鋁，然后再吹氧，利用外界吹入氧氣原理:

根據(jù)真空處理和合金燒損的特點(diǎn)，RH-MFB鋁加熱必須在真空脫氧和脫碳過(guò)程中進(jìn)行，采取先加鋁粒，后進(jìn)行吹氧的方式。開(kāi)始時(shí)間為真空處理開(kāi)始2～3 min進(jìn)行，真空度100 mbar，驅(qū)動(dòng)氣體流量控制在1 200 NL/min。11月鋁加熱6爐，成品［C］合格2爐，合格率33.33%，合格率較低，具體情況如表3所示。

表3 典型爐次鋁加熱情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來(lái)看，吹30 Nm3的氧約升溫10℃，需59 kg鋁粒，純吹氧（MFB槍降到吹氧位，吹氧開(kāi)始到結(jié)束）和加鋁粒時(shí)間共約為3 min。而此時(shí)進(jìn)行鋁加熱操作，相當(dāng)于延緩空室壓力的降低，導(dǎo)致脫碳速度減慢，對(duì)熱力學(xué)脫碳條件進(jìn)行抑制。

提溫幅度越高，鋁加熱時(shí)間越長(zhǎng)，由于諸多原因，鋼廠IF鋼節(jié)奏緊張爐次頻率高，鋁加熱爐次對(duì)延長(zhǎng)VCD工藝時(shí)間有利，導(dǎo)致強(qiáng)脫碳效果較差。

4 工藝優(yōu)化措施

4.1 提升壓降速度

循環(huán)流量與真空室內(nèi)壓力的倒數(shù)呈正比，真空室內(nèi)壓力維持在較高值就意味著鋼水循環(huán)流量維持在較低值；因此，提高抽氣速率可迅速降低真空室內(nèi)壓力，不斷提高鋼液循環(huán)速率從而加速脫碳反應(yīng)。通過(guò)改進(jìn)真空泵系統(tǒng)，提高抽氣能力，6～8 min時(shí)真空度達(dá)到100～300 Pa，快速提升真空度對(duì)［C］、［O］反應(yīng)很有利，RH脫碳效果明顯改善，如圖3所示。

圖3 不同壓降速度的抽氣時(shí)間對(duì)比

4.2 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體流量

在設(shè)備選型一定的前提下，要增大攪拌強(qiáng)度，唯一的選擇是增大驅(qū)動(dòng)氣體流量。由氣泡泵的特性曲線可知，驅(qū)動(dòng)氣體流量與鋼水循環(huán)流量即攪拌強(qiáng)度之間呈正態(tài)分布，即驅(qū)動(dòng)氣體流量存在最佳值，如圖4所示。

圖4 氣泡泵特性曲線

如何找到驅(qū)動(dòng)氣體流量的最佳值是提高碳合格率的關(guān)鍵，為此，固定其他工藝參數(shù)，僅將流量作為變量進(jìn)行考察，先后采用3種流量的驅(qū)動(dòng)氣體用量下典型爐次的脫碳效果，如表4所示?？梢钥闯觯?qū)動(dòng)氣體選用1 700 NL/min脫碳效果較好。

表4 同條件生產(chǎn)IF鋼不同驅(qū)動(dòng)氣體流量的脫碳效果比較

實(shí)踐表明，為了較好地控制劇烈噴濺又不影響RH脫碳，處理前8 min采用1 200 NL/min的循環(huán)氣體流量，8 min后升至1 700 NL/min，脫氧合金均勻化期間采用1 400 NL/min的流量是比較合適的。

4.3 推行吹氧脫碳

4.3.1 吹氧脫碳模型

根據(jù)前人研究結(jié)果［5］，本文假設(shè):①RH裝置內(nèi)的脫碳過(guò)程在真空槽內(nèi)進(jìn)行；②鋼包和真空室內(nèi)鋼水混合均勻；③脫碳速率由C、O傳質(zhì)控制。在上述假設(shè)條件下，由MFB槍將O2吹入鋼水時(shí)，鋼包和真空室內(nèi)碳氧質(zhì)量平衡及化學(xué)反應(yīng)關(guān)系式為:

式中:W為RH處理鋼水重量，t；w為真空室中鋼水重量，t；C為鋼水中碳含量，10-6；O為鋼水中溶解氧，10-6；Q為環(huán)流量，t/min；M為原子量，g/mol；Pco*為氣相中CO分壓，atm；ρ為鋼水密度，t/Nm3；ak為容積系數(shù)（a為有效界面積，m2；k為物質(zhì)傳遞系數(shù)，m/min；二者的乘積即為ak，因此ak代表真空室內(nèi)碳或氧的反應(yīng)速率。ako為脫氧容積系數(shù)；akc為脫碳容積系數(shù)），Nm3/min；下標(biāo)L、V、S分別代表鋼包、真空室、反應(yīng)界面；FO2為通過(guò)MFB管的O2的流速，Nm3/min；β為由MFB槍吹入鋼水的氧氣吸收率。一般來(lái)說(shuō)，用于脫碳反應(yīng)和溶解于鋼水的氧量占總吹入氧量的50%～80%。β的確定如下。

吹入鋼水氧的總重量如下式:

式中:Ow為吹入鋼水氧的總重量，t；To為吹氧時(shí)間，min。

根據(jù)試驗(yàn)，每吹入1 Nm3氧鋼中自由氧增加（2.5～3）×10-6，可計(jì)算出β≈60%，因此模型計(jì)算時(shí)取β=60%。對(duì)IF鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，在RH脫碳過(guò)程中，根據(jù)［C］、［O］及熔渣供氧的情況下，制定出合理的吹氧脫碳模型如下:

式中:Mo為氧的摩爾質(zhì)量；Mc為碳的摩爾質(zhì)量；｛O｝渣為熔渣向鋼液供氧量；M鋼水為鋼水重量，t。

為此，制定了RH進(jìn)站［C］、［O］與吹氧量對(duì)應(yīng)關(guān)系表，以確保VCD結(jié)束時(shí)，達(dá)到較高的真空脫碳效果，且氧活度達(dá)到（200～400）×10-6。

4.3.2 優(yōu)化吹氧脫碳時(shí)機(jī)

強(qiáng)制脫碳技術(shù)的關(guān)鍵在于吹氧時(shí)機(jī)和吹氧量的控制，吹氧過(guò)早不僅鋼液噴濺嚴(yán)重，而且也延緩空室壓力的降低，導(dǎo)致脫碳速度減慢；吹氧太遲不僅不能及時(shí)排出CO，而且也因鋼水缺氧無(wú)法進(jìn)行脫碳反應(yīng)，導(dǎo)致脫碳速度減慢。生產(chǎn)實(shí)踐表明，真空度達(dá)到10 000 Pa以后即5 min左右時(shí)為吹氧的最佳時(shí)機(jī)。

4.3.3 脫碳時(shí)間

根據(jù)吹氧脫碳所進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)來(lái)看，只要控制好RH脫碳期間各工藝參數(shù)，即使來(lái)鋼［C］含量比自然脫碳所要求高出0.01%～0.02%，通過(guò)MFB槍吹氧加速脫碳，同樣能生產(chǎn)成品［C］≤30×10-6的IF鋼，且處理時(shí)間并未延長(zhǎng)，見(jiàn)表5。MFB槍吹氧脫碳工藝為攀鋼穩(wěn)定生產(chǎn)IF鋼創(chuàng)造了有利條件。

表5 自然脫碳與吹氧脫碳時(shí)間對(duì)比min

從攀鋼對(duì)比結(jié)果來(lái)看，吹氧脫碳與自然脫碳相比，來(lái)鋼［C］含量可以放寬0.01%～0.02%，轉(zhuǎn)爐出鋼碳由原來(lái)常規(guī)RH［C］≤0.04%提高到［C］0.04%～0.06%；［0］范圍也要寬一些。

4.4 鋁加熱

4.4.1 鋁加熱時(shí)機(jī)

為了提高鋁加熱爐次碳的合格率，將鋁加熱時(shí)間從原來(lái)的處理初期調(diào)到處理開(kāi)始5～6 min進(jìn)行，并適當(dāng)延長(zhǎng)VCD工藝時(shí)間，取得了較好效果。7月鋁加熱共14爐，合格10爐，合格率為71.4%，比優(yōu)化前提高了38.1%。

4.4.2 鋁加熱升溫高

根據(jù)生產(chǎn)情況及IF鋼節(jié)奏，RH-MFB真空處理應(yīng)減少鋁化學(xué)升溫爐次，控制升溫范圍20～30℃，脫碳效果較好。

4.4.3 利用溶解氧［O］

鋁加熱的理論基礎(chǔ)是放熱反應(yīng)，尤其是鋁與氧的放熱反應(yīng)，不管氧是噴入的還是溶解于鋼液的，二者在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，其放熱效果是相同的。因此，根據(jù)RH處理的實(shí)際情況，鋁加熱所需的氧可以來(lái)自鋼水中的溶解氧，也可以來(lái)自RH-MFB噴吹入的氧氣。利用鋼水中的溶解氧［O］的原理:

由于攀鋼轉(zhuǎn)爐氧活度控制不太理想，使得到真空處理VCD后鋼水氧活度較高（200～500）×10-6。根據(jù)公式（17）可知，利用鋼水中的溶解氧來(lái)加熱鋼水技術(shù)上是可行的，而且針對(duì)鋼水氧活度較高的特點(diǎn)也是必須的。這樣不但節(jié)約鋁、碳等合金元素的消耗，更重要的是減少了RH-MFB吹氧的時(shí)間，縮短了整個(gè)RH-MFB鋁加熱時(shí)間，相應(yīng)增加了Al2O3夾雜物上浮時(shí)間，有利于Al2O3夾雜物的充分上浮，同時(shí)有利于RH脫碳。

5 優(yōu)化效果

RH-MFB真空設(shè)備不同的真空室壓力下脫碳曲線如圖5所示。實(shí)際操作表明，快速降低真空室的壓力能提高脫碳速度。通過(guò)對(duì)IF鋼RH-MFB脫碳工藝的優(yōu)化，IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率顯著提高，穩(wěn)定在90%以上，如圖6所示。

圖5 快速降壓前后的降碳曲線

6 結(jié)語(yǔ)

圖6 成品［C］合格率

通過(guò)快速提升真空度、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)氣體流量、改進(jìn)吹氧脫碳及鋁加熱等IF鋼RH-MFB脫碳工藝技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率達(dá)到90%目標(biāo)，提升了IF鋼質(zhì)量，為提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。針對(duì)RH-MFB裝備的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究吹氧脫碳、鋁加熱對(duì)RH脫碳的影響，在充分結(jié)合攀鋼釩RH-MFB處理IF鋼的實(shí)際的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，確保了RH生產(chǎn)順行，取得了明顯的效果。