RH強制脫碳與自然脫碳工藝生產(chǎn)IF鋼精煉效果分析

袁保輝，劉建華?，周海龍，黃基紅，張 碩，申志鵬

1) 北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京 100083 2) 攀鋼集團西昌鋼釩有限公司，西昌 615032

IF鋼因其良好的深沖性能被廣泛應(yīng)用于汽車、家電、電子等行業(yè). 隨著用戶對冷軋板的表面質(zhì)量要求日益提高，對鋼中潔凈度要求也越來越高，超低碳IF鋼生產(chǎn)工藝面臨著新的挑戰(zhàn)[1].

目前，轉(zhuǎn)爐—RH精煉—連鑄（BOF—RH—CC）冶煉工藝流程生產(chǎn)IF鋼應(yīng)用較為廣泛，許多學(xué)者在改善該流程生產(chǎn)IF鋼的潔凈度方面作出研究，包括脫碳速率優(yōu)化[2-3]、脫氧工藝優(yōu)化[4]、頂渣改質(zhì)工藝優(yōu)化[5-7]、純循環(huán)時間優(yōu)化[8-9]、鎮(zhèn)靜工藝優(yōu)化[10-11]等. 西昌鋼釩廠使用脫釩鋼水煉鋼，轉(zhuǎn)爐熱量不足，故以轉(zhuǎn)爐—LF精煉—RH精煉—連鑄（BOF—LF—RH—CC）工藝生產(chǎn)IF鋼，其冶煉流程較長，鋼液與爐渣反應(yīng)時間長，鋼液中碳氧對頂渣氧化性和鋼的潔凈度的影響與常規(guī)BOF—RH—CC短流程煉鋼存在差別.

為實現(xiàn)鋼液快速降碳，西昌鋼釩廠在RH精煉過程采用頂吹氧進行強制脫碳、自然脫碳兩種工藝生產(chǎn)IF鋼. 目前有關(guān)以上兩種脫碳工藝對RH精煉最終的脫碳效果的影響研究較多[12-16]，而關(guān)于兩種脫碳工藝對頂渣氧化性和鋼的潔凈度控制影響報道較少. 基于此，在西昌鋼釩廠進行了RH過程采用強制脫碳和自然脫碳兩種脫碳工藝生產(chǎn)IF鋼實驗研究，分析不同脫碳工藝對頂渣氧化性以及鋼的潔凈度影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化IF鋼生產(chǎn)工藝和提高鋼液潔凈度提供理論指導(dǎo).

1 實驗及研究方法

西昌鋼釩廠采用“BOF—LF—RH—CC”工藝流程生產(chǎn)超低碳IF鋼，鋼包到達RH工位時，用超低碳鋼取樣器取鋼水試樣測量的碳含量，以及定氧探頭測量的氧含量作為鋼水初始碳、氧含量.當(dāng)鋼水初始氧含量超出完成脫碳任務(wù)所需消耗鋼水總氧量（150×10-6）時，采用自然脫碳工藝，反之采用強制吹氧脫碳工藝彌補鋼中氧.

西昌鋼釩廠在RH精煉過程采用自然脫碳工藝、強制脫碳工藝生產(chǎn)IF鋼，在RH精煉結(jié)束取爐渣試樣，并采用X射線熒光光譜儀分析爐渣中T.Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；本文以兩種脫碳工藝的RH結(jié)束頂渣T.Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，統(tǒng)計分析脫碳工藝對頂渣氧化性的影響. 兩種脫碳工藝均采用“LF+RH”兩步改質(zhì)，分別在LF結(jié)束、RH結(jié)束時進行頂渣改質(zhì)處理.

對采用自然脫碳工藝（爐號1～3）、強制脫碳工藝（爐號4～6）生產(chǎn)的共6爐次IF鋼熱軋板取樣，研究RH脫碳工藝對IF鋼潔凈度的影響，試驗爐次RH過程的相關(guān)工藝參數(shù)如表1所示，取樣方法如圖1所示，分析方法如下：

表1 試驗爐次RH過程工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of experimental heats during the RH treatment

（1）T.O和[N]含量分析. 按照圖1試樣加工方法，在熱軋板中部、1/4處、邊部三個位置分別取Ф3 mm×50 mm的棒狀試樣. 試樣經(jīng)精磨、切割、清洗后，利用TCH600氧氮氫分析儀分析其T.O和[N]含量.

（2）夾雜物分析. 按照圖1試樣加工方法，在熱軋板中部、1/4處、邊部三個位置分別取大小為15 mm × 15 mm × 4 mm 的塊狀試樣. 試樣經(jīng)磨拋后采用ASPEX掃描電鏡對鋼中非金屬夾雜物類型、尺寸及數(shù)量進行分析，每一試樣掃描面積為17 mm2，設(shè)置檢測夾雜物最小尺寸為1 μm，并定義夾雜物數(shù)量密度為單位面積內(nèi)的夾雜物數(shù)量（mm-2）；采用掃描電鏡分析熱軋板中夾雜物形貌和成分.

圖1 試樣加工示意圖Fig.1 Sampling scheme for the hot-rolled sheet

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 脫碳工藝對頂渣氧化性的影響

本文共統(tǒng)計了西昌鋼釩廠在RH精煉過程中采用387爐次自然脫碳工藝、213爐次強制脫碳工藝的IF鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù). 表2為自然脫碳與強制脫碳工藝脫碳效果的比較結(jié)果. 由表2可知，相比自然脫碳工藝爐次，RH強制脫碳工藝爐次的轉(zhuǎn)爐終點、RH進站鋼液碳含量更高，脫碳結(jié)束鋼中平均碳含量均在12×10-6以下；同時，為了匹配后續(xù)連鑄工序生產(chǎn)節(jié)奏，將兩種脫碳工藝的脫碳時間、處理時間分別控制在20 min和32 min. 可見，RH強制脫碳與自然脫碳工藝脫碳效果基本相當(dāng)，下文將主要研究脫碳工藝對頂渣氧化性和鋼液潔凈度的影響.

表2 自然脫碳與強制脫碳工藝脫碳效果比較Table 2 Comparison of the decarburization effects between the natural and forced decarburization processes

為研究脫碳工藝對頂渣氧化性的影響規(guī)律，本文采用統(tǒng)計學(xué)中常用的箱型圖來真實直觀地反應(yīng)數(shù)據(jù)的分布情況[17-19]，結(jié)果如圖2所示. 由圖2可知，與自然脫碳工藝爐次相比，強制脫碳工藝爐次轉(zhuǎn)爐結(jié)束與RH進站鋼中平均[O]含量更低，脫碳結(jié)束鋼中[O]含量與自然脫碳工藝脫碳結(jié)束鋼中[O]含量基本在同一水平，RH結(jié)束時渣中平均T.Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了1.3%，這與該廠IF鋼生產(chǎn)工藝特點相關(guān).

圖2 不同RH脫碳工藝鋼中[O]含量和RH結(jié)束渣中T.Fe含量分布Fig.2 Distribution of [O] content in molten steel and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment in different RH decarburization processes

西昌鋼釩廠采用“BOF—LF—RH—CC”工藝流程生產(chǎn)IF鋼，轉(zhuǎn)爐出鋼采用滑板擋渣并控制渣厚在80 mm以下，經(jīng)吹氬站到達LF工序添加活性石灰和剛玉渣進行埋弧加熱，在LF結(jié)束進行初步鋼包頂渣改質(zhì). 值得注意的是，與常規(guī)LF工序采用還原性“白渣”不同[20-22]，該廠LF工序主要承擔(dān)鋼液升溫任務(wù)，這使得爐渣雖在RH結(jié)束有進一步改質(zhì)處理，但頂渣氧化性仍然較強.由于RH過程渣中T.Fe含量與鋼中[O]含量聯(lián)系密切[13]，該廠IF鋼生產(chǎn)流程長，鋼液與爐渣接觸時間更長，自然脫碳工藝爐次轉(zhuǎn)爐終點和RH過程的鋼中[O]偏高，鋼中[O]向渣中擴散趨勢更為顯著，使得自然脫碳工藝爐次RH結(jié)束渣中T.Fe含量更高.

圖3為強制脫碳工藝不同吹氧量時各工序鋼中 [O]和RH結(jié)束渣中T.Fe的變化. 由圖3可知，控制RH脫碳結(jié)束鋼中[O]含量基本穩(wěn)定前提下，在轉(zhuǎn)爐結(jié)束、RH進站鋼中[O]含量降低時，增加強制吹氧脫碳工藝的吹氧量，RH結(jié)束渣中T.Fe含量呈降低趨勢. 研究指出，在RH強制吹氧脫碳期間短時間內(nèi)鋼液氧勢會超過爐渣氧勢，鋼液開始向頂渣傳氧，但隨著吹氧結(jié)束后鋼中氧含量逐漸下降，鋼中氧向爐渣傳遞趨勢會逐漸減弱，在整個RH脫碳過程中，頂渣T.Fe含量略微增加[13]，但由于西昌鋼釩廠整個IF鋼冶煉流程長，鋼液與爐渣接觸時間長且RH過程爐渣氧勢本身較高以及合適的吹氧制度，轉(zhuǎn)爐結(jié)束至RH進站鋼液氧含量對頂渣氧化性影響要大于強制吹氧脫碳期間鋼液氧含量增加引起的爐渣氧化性變化. 因此，在低轉(zhuǎn)爐終點和RH進站鋼液氧活度下，在RH過程采用強制吹氧脫碳工藝適當(dāng)增加吹氧量，可達到控制頂渣氧化性的目的.

圖3 不同吹氧量時各工序鋼中[O]和RH結(jié)束渣中T.Fe變化Fig.3 Changes of [O] content in molten steel of the different processes and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment for different oxygen blowing conditions

綜上可知，在能滿足RH脫碳效果的前提下，盡量提高轉(zhuǎn)爐終點鋼液碳含量、降低鋼液氧含量，后續(xù)在RH精煉時采用強制吹氧脫碳工藝，適當(dāng)增大吹氧量來彌補鋼中氧的欠缺，可顯著降低IF鋼頂渣氧化性.

2.2 脫碳工藝對熱軋板中T.O和[N]含量的影響

不同脫碳工藝熱軋板中T.O和[N]含量變化如圖4所示，每爐T.O和[N]含量為熱軋板中部、1/4處、邊部三個位置所測均值. 由圖4可知，自然脫碳工藝爐次與強制脫碳工藝爐次的T.O含量最大值僅相差1.3×10-6，其T.O平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.3×10-6和 13.9×10-6，說明兩種脫碳工藝控制熱軋板T.O含量均比較理想；自然脫碳工藝爐次[N]含量最小值為 19.8×10-6、最大值達到 23.5×10-6，強制脫碳工藝爐次[N]含量最小值為17.0×10-6、最大值僅為20.7×10-6，自然脫碳工藝爐次[N]平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較強制脫碳工藝高2.4×10-6，說明強制脫碳工藝可有效降低IF鋼[N]含量，這與不同脫碳工藝鋼液脫氮條件不同有關(guān).

圖4 不同脫碳工藝爐次鋼中T.O和[N]含量變化. （a）自然脫碳；（b）強制脫碳Fig.4 Total oxygen and nitrogen changes in different decarburization process heats: (a) natural decarburization process; (b) forced decarburization process

鋼液脫氮反應(yīng)式[23]如下所示：

由式（2）、（3）可知，鋼液溫度、氮分壓、鋼液成分為影響鋼液脫氮的因素. RH精煉過程采用強制吹氧脫碳工藝期間，真空室內(nèi)碳氧反應(yīng)相較于自然脫碳更加劇烈，鋼液中快速生成大量CO氣泡，CO氣泡對于氮來說相當(dāng)于真空，越多的CO氣泡越有利于脫氮速率的提高；同時，強制吹氧脫碳期間更劇烈的熔池攪拌能有效增大氣液反應(yīng)界面積，提高脫氮速率[24-26]. 因此，強制脫碳工藝相較于自然脫碳工藝可有效降低IF鋼[N]含量.

2.3 脫碳工藝對熱軋板中夾雜物影響

為了更好體現(xiàn)脫碳工藝對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響，本文以不同脫碳工藝生產(chǎn)的超低碳IF鋼熱軋板為研究對象，對熱軋板進行取樣分析鋼中夾雜物. 在采用自然脫碳工藝與強制脫碳工藝生產(chǎn)的兩個爐次中選擇典型夾雜物，其成分及形貌如圖5、6所示. 根據(jù)夾雜物的形貌和成分不同，兩種脫碳工藝熱軋板中夾雜物均可分為以下三類：（1）Al2O3夾雜物；（2）Al2O3-TiOx復(fù)合夾雜物；（3）其他類夾雜物，主要含有Ca、Mg、Al等元素，部分夾雜物還含有少量Ti元素. 圖7為Al2O3夾雜物、Al2O3-TiOx夾雜物、MgO-Al2O3-TiOx夾雜物和CaO-Al2O3-TiOx夾雜物的能譜面掃描圖.

圖5 自然脫碳工藝爐次 1鋼中夾雜物的典型形貌. （a）Al2O3夾雜物；（b）Al2O3-TiOx夾雜物；（c）CaO-Al2O3-TiOx、MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-TiOx夾雜物Fig.5 Typical morphologies of inclusions in the natural decarburization process of Heat 1：(a) Al2O3 inclusions; (b) Al2O3-TiOx inclusions;(c) CaO-Al2O3-TiOx, MgO-Al2O3-TiOx, and MgO-Al2O3 inclusions

圖6 強制脫碳工藝爐次 4 鋼中夾雜物的典型形貌. （a）Al2O3夾雜物；（b）Al2O3-TiOx夾雜物；（c）CaO-Al2O3-TiOx、CaO-Al2O3、CaO-Al2O3-TiOx夾雜物Fig.6 Typical morphologies of inclusions in the forced decarburization process of Heat 4: (a) Al2O3 inclusions; (b) Al2O3-TiOx inclusions;(c) CaO-Al2O3-TiOx, CaO-Al2O3, and CaO-Al2O3-TiOx inclusions

結(jié)合圖5～圖7可知，熱軋板中Al2O3夾雜形狀不規(guī)則，分別呈球狀、三角形狀和多邊形狀，部分夾雜存在破碎情況，這是由軋制過程Al2O3夾雜發(fā)生變形導(dǎo)致. 實驗所取熱軋板樣表面質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)簇群狀A(yù)l2O3夾雜物. 這是由于該鋼廠生產(chǎn)IF鋼時，在加入海綿Ti合金化后純循環(huán)時間為8～10 min，鎮(zhèn)靜時間也在30 min左右，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗[8-11]，該鋼廠夾雜物上浮時間比較充分，有利于鋼中大顆粒Al2O3夾雜物上浮去除[27]；鋼中是否存在簇群狀A(yù)l2O3夾雜物與脫碳結(jié)束鋼中氧活度密切相關(guān)[28-30]，也有研究指出RH真空結(jié)束很難發(fā)現(xiàn)簇群狀夾雜物[31]. 對于Al2O3-TiOx夾雜物，形狀多為球形，Ti元素含量較少且多分布在Al2O3夾雜外層，該類夾雜物的形成主要是因為在鋼液中加入Ti后，Al2O3將會由外向內(nèi)逐漸被Ti還原最終形成Ti-Al-O類夾雜物[32]；同時，由于該廠RH結(jié)束頂渣氧化性仍然較強，爐渣對鋼液的二次氧化作用也會生成Al2O3-TiOx復(fù)合夾雜[5-7]，具體反應(yīng)如式（4）、（5）所示. 其他類夾雜物邊緣比較粗糙且含有Ca、Mg、Al等元素，應(yīng)為爐渣卷入鋼液引起的.

圖7 夾雜物的能譜面掃圖. （a）Al2O3夾雜物；（b）Al2O3-TiOx夾雜物；（c）MgO-Al2O3-TiOx夾雜物；（d）CaO-Al2O3-TiOx夾雜物Fig.7 Elemental mapping of inclusions: (a) Al2O3; (b) Al2O3-TiOx; (c) MgO-Al2O3-TiOx; (d) CaO-Al2O3-TiOx

圖8為不同脫碳工藝三類夾雜物尺寸分布箱型圖，圖中的夾雜物尺寸分布為該夾雜物在各脫碳工藝的熱軋板中部、1/4處、邊部三個位置總的尺寸分布，以夾雜物的等效圓直徑表示夾雜物尺寸. 統(tǒng)計夾雜物尺寸分布時，將所有夾雜物尺寸按從小到大排列成有序序列，圖中的百分?jǐn)?shù)就是指在圖中對應(yīng)的夾雜物尺寸值以下的夾雜物數(shù)量占夾雜物總數(shù)量的百分比. 由圖8可知，三類夾雜物的尺寸分布中間值更靠近較小尺寸夾雜物，說明鋼中大多數(shù)為小尺寸夾雜物，且鋼中8 μm以下的夾雜物數(shù)量占到了夾雜物總量的75%以上；Al2O3夾雜物尺寸在1.0～12.6 μm之間，平均尺寸為4.5 μm，Al2O3-TiOx夾雜物尺寸在1.4～12.3 μm之間波動，平均尺寸為4.4 μm, 其他類夾雜物尺寸在1.4～23.0 μm之間變化，平均尺寸較大，為6.5 μm. 綜上，兩種脫碳工藝中各類夾雜物的尺寸分布離散程度基本一致，說明RH強制脫碳和自然脫碳工藝對熱軋板中夾雜物尺寸變化沒有明顯影響.

圖9為不同脫碳工藝爐次各類夾雜物的數(shù)量密度，其數(shù)量密度為熱軋板中部、1/4處、邊部三個位置所測均值. 自然脫碳工藝爐次夾雜物總數(shù)量密度在4.2～4.7 mm-2之間變化，強制脫碳工藝爐次夾雜物總數(shù)量密度在3.7～4.8 mm-2之間，且鋼中均以Al2O3夾雜為主，Al2O3-TiOx與其他類夾雜物數(shù)量較少. 由此可見，RH強制脫碳與自然脫碳工藝熱軋板中夾雜物數(shù)量密度相差不大.

綜合圖8、圖9可知，RH強制脫碳與自然脫碳工藝熱軋板中夾雜物尺寸、數(shù)量無明顯差異.RH脫碳結(jié)束鋼中氧含量高低，以及是否加鋁吹氧以補償RH處理過程中鋼液溫降是影響鋼液潔凈度重要因素[31,33]，因此下文主要從這兩個方面對以上現(xiàn)象進行解釋. 試驗爐次在RH過程鋼液溫度控制良好，均未進行加鋁吹氧的操作，有助于控制鋼液潔凈度；同時，研究指出，合理的吹氧量并不會導(dǎo)致脫碳終點鋼中氧含量增加[12-15]，且鑄坯及中間包鋼液潔凈度與RH吹氧量沒有明顯相關(guān)性[31].因此，結(jié)合表1可知，西昌鋼釩廠RH強制吹氧脫碳工藝主要依據(jù)鋼液碳氧含量初始值及終點目標(biāo)值來計算實際所需吹氧量，強制脫碳與自然脫碳工藝脫碳結(jié)束鋼中[O]含量控制水平基本相當(dāng)，說明該廠RH強制脫碳工藝吹氧量比較合理，并未出現(xiàn)吹氧過量造成鋼液過氧化的情況.

圖8 不同脫碳工藝各類夾雜物尺寸分布箱型圖Fig.8 Size changes and distribution of inclusions in different decarburization processes

圖9 不同脫碳工藝爐次各類夾雜物數(shù)量密度變化. （a）自然脫碳；（b）強制脫碳Fig.9 Number density changes of inclusions in different decarburization process heats: (a) natural decarburization process; (b) forced decarburization process

圖10為RH脫碳結(jié)束鋼中[O]與鋼中夾雜物的數(shù)量關(guān)系，用以進一步分析RH脫碳結(jié)束后鋼液氧活度與鋼中夾雜物關(guān)系. 可以發(fā)現(xiàn)，RH脫碳結(jié)束鋼中[O]越高，熱軋板夾雜物數(shù)量密度越高，鋼的潔凈度也越差；結(jié)合前文，保持較低RH脫碳結(jié)束后鋼中[O]含量，也有利于降低頂渣氧化性. 因此，在RH精煉脫碳過程中，為提高鋼的潔凈度，應(yīng)盡量降低RH脫碳結(jié)束鋼中[O]含量.

圖10 RH脫碳結(jié)束鋼中[O]與鋼中夾雜物的數(shù)量關(guān)系Fig.10 Relationship between the number of inclusions and [O] content in molten steel after RH decarburization

3 結(jié)論

以西昌鋼釩廠BOF—LF—RH—CC工藝生產(chǎn)的IF鋼為研究對象，分析了RH強制脫碳和自然脫碳對頂渣氧化性以及鋼的潔凈度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

（1）與自然脫碳工藝爐次相比，強制脫碳工藝爐次轉(zhuǎn)爐結(jié)束與RH進站鋼中平均[O]含量更低，脫碳結(jié)束鋼中[O]含量與自然脫碳工藝脫碳結(jié)束鋼中[O]含量基本在同一水平，RH結(jié)束時渣中平均T.Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了1.3%；在能滿足RH脫碳效果的前提下，盡量提高轉(zhuǎn)爐終點鋼液碳含量、降低鋼液氧含量，后續(xù)在RH精煉時采用強制吹氧脫碳工藝，適當(dāng)增大吹氧量來彌補鋼中氧，可顯著降低IF鋼頂渣氧化性.

（2）自然脫碳工藝與強制脫碳工藝控制熱軋板T.O含量均比較理想，平均T.O含量分別為13.3×10-6和 13.9×10-6；自然脫碳工藝爐次平均 [N]含量較強制脫碳工藝高2.4×10-6，強制脫碳工藝可有效降低IF鋼[N]含量.

（3）脫碳工藝對IF鋼熱軋板中夾雜物類型、尺寸及數(shù)量沒有明顯影響，夾雜物主要由Al2O3夾雜、Al2O3-TiOx夾雜與其他類夾雜物組成，以夾雜物的等效圓直徑表示夾雜物尺寸，以上三類夾雜物平均尺寸分別為 4.5、4.4和 6.5 μm；Al2O3夾雜物形狀不規(guī)則，未發(fā)現(xiàn)簇群狀A(yù)l2O3夾雜物，尺寸在1.0～12.6 μm之間不等；Al2O3-TiOx夾雜物形狀多為球形，尺寸在1.4～12.3 μm波動；其他類夾雜物邊緣比較粗糙，尺寸較大，在1.4～23.0 μm之間變化.

（4）在RH精煉過程中，盡量降低RH脫碳結(jié)束鋼中[O]含量，有利于提高鋼液潔凈度.