高潔凈鍛鋼脫氫工藝研究與實踐

鄭福生，何 新

(唐山鋼鐵集團重機裝備有限公司，河北 唐山 063306)

氫是鋼中有害元素之一，會引起“氫脆”、白點和點狀偏析等缺陷，對鋼材實際性能產(chǎn)生很大影響，特別是中高碳合金鋼鍛造用鋼，白點裂紋敏感，對鋼中氫含量要求苛刻，減少和控制鋼中的氫含量，對提高鍛造用鋼的質(zhì)量至關(guān)重要[1-4]。我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展進入新時代，下游產(chǎn)業(yè)客戶對產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高要求，在一般鍛鋼氫含量要求小于2.0×10-6的基礎(chǔ)上，部分白點和裂紋敏感性極高的鋼種氫含量要求小于1.0×10-6。某公司有單工位40 t VD爐一座，主要作用之一是鋼水脫氫處理，經(jīng)真空的鍛造用鋼比例接近100%，能夠滿足氫小于2.0×10-6的控制要求。為解決鋼中氫小于1.0×10-6穩(wěn)定生產(chǎn)問題，以脫氫熱力學和動力學分析為基礎(chǔ)，結(jié)合實際工況經(jīng)工藝優(yōu)化，有效滿足了高潔凈鍛鋼低氫含量控制的要求。

1 高潔凈鍛鋼生產(chǎn)工藝

1.1 工藝路線

唐鋼重機公司主要產(chǎn)品之一為高潔凈鍛造用鋼，生產(chǎn)工藝路線：廢鋼—電弧爐(EBT)—精煉(LF)—真空脫氣(VD)—下注式模鑄(IC)。

1.2 裝備及工藝參數(shù)

高潔凈鍛鋼生產(chǎn)設(shè)備主要有：40 t偏心爐底電爐、40 t LF精煉爐、40 t VD真空脫氣裝置。VD真空系統(tǒng)之前為蒸汽噴射泵，現(xiàn)改造為機械真空泵，采用電能作為能源介質(zhì)，較之蒸汽噴射泵而言，設(shè)備耐用性、能耗、抽氣時間等得到了明顯優(yōu)化(見表1)。

表1 VD爐工藝參數(shù)

2 脫氫理論分析

2.1 熱力學分析

氣體氫在鋼中溶解時，氫分子先被吸附在氣相-鋼液界面上，分解成兩個氫原子，氫原子被鋼液吸收。其溶解過程為

(1)

在小于105Pa的壓力范圍內(nèi)，氫在鋼液中的溶解符合平方根定律：

(2)

式中：a1為氫在鋼液中的活度；f1為氫的活度系數(shù)；w(H)為氫在鋼液中的質(zhì)量分數(shù)；K1為氫在鋼液中的平衡常數(shù)；P1為氣相中氫的分壓力，Pa。

氫的平衡常數(shù)為溫度的函數(shù)，其關(guān)系式為

(3)

依照熱力學平衡移動原理，隨著P1的不斷降低，脫氣反應(yīng)不斷進行，降低體系的氣相壓力P1是實現(xiàn)脫氫的原動力[1]。劉建[2]等人計算研究了鋼液中氫含量隨真空度的變化關(guān)系和氫在不同分壓下鋼中的飽和溶解度。當真空度為67 Pa時，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.69×10-6。隨真空度的降低，鋼中溶解氫含量逐漸降低。

經(jīng)李德軍[3]計算判定，鋼液中含氫量不是大氣中氫的分壓所致，而是主要取決于爐氣中的水蒸氣[3]，與空氣中的水蒸氣分壓以及煉鋼原材料的干燥程度有關(guān)。

2.2 動力學分析

氫在鋼液中的溶解量很小，不能依靠本身形成的氣泡排出，而是通過鋼包底部吹進的氬氣泡表面吸附，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子后在向氣相中排出。鋼液中的氫向氣泡內(nèi)傳輸為

2[H]=H2

(4)

對鋼液進行真空脫氫，脫氫過程由三個過程環(huán)節(jié)組成[4]：鋼液中溶解的氣體原子向鋼氣界面擴散；氣體原子在鋼氣界面上吸附，結(jié)合成氣體分子，再從界面脫附；脫附的氣體分子在真空作用下向氣相擴散。

一般認為鋼液中溶解的氣體分子向鋼氣界面擴散為限制性環(huán)節(jié)[ 5]，其速率關(guān)系式可表達為

(5)

式中：w(H)0為鋼液中氫的初始質(zhì)量分數(shù)；w(H)1為鋼液中氫的處理后的質(zhì)量分數(shù)；β為鐵液內(nèi)元素的相互作用系數(shù)；A為氣泡表面反應(yīng)面積，m2；Vm為鋼液體積，m3；t為脫氫時間，s。

在實際生產(chǎn)過程中，鋼包工況條件固定，真空脫氫效果主要在于脫氫時間、反應(yīng)面積、真空度等可變因素。

3 氫含量影響因素分析

3.1 自然氣候環(huán)境影響

趙喜偉等研究認為鋼中原始氫含量低，處理后的鋼水中的氫含量也越低；鋼中原始氫含量高，處理后的鋼水中氫含量也越高[6]。公司所在區(qū)域為海濱淤積平原，屬暖溫帶大陸性氣候，年均相對濕度66%。對一年內(nèi)LF出站時鋼中氫含量測定統(tǒng)計月度平均值，觀察氫含量的變化規(guī)律，見圖1。

圖1 全年生產(chǎn)LF出站鋼包內(nèi)氫含量變化情況

對VD前原始氫含量進行測定分析，鋼中氫含量平均值7.23×10-6。從圖1中可以看出，1—5月份降雨偏少，空氣相對干燥，脫氣前鋼包內(nèi)氫含量水平較低，平均值為6.36×10-6，7—9月份雨季和1—12月份所處沿海區(qū)域霧天增多，空氣潮濕使得大氣中水分壓較高，鋼液極易從大氣中吸氫，造成氫含量增加。生產(chǎn)低氫高潔凈鋼，生產(chǎn)時間盡可能避開7—9月份雨季。

煉鋼過程環(huán)境對鋼液增氫的影響，主要是煉鋼使用的石灰、合金等吸收空氣中的水分，造成鋼液增氫。為了考察石灰、合金吸水對鋼液氫含量的影響，設(shè)置對比實驗?？疾焓也鸢胖么猛７艜r間與鋼液LF出站氫含量見的關(guān)系情況，見圖2。將合金烘烤300 ℃以上與不烘烤的情況進行對比，鋼液氫含量情況如表2所示。

圖2 石灰拆包待用時間與鋼液氫含量關(guān)系

從圖2中可以看出，石灰待用存放時間對鋼液原始氫含量有較大影響，隨時間的延長石灰吸收空氣中水汽增加，造成鋼液吸氫量增加，將石灰拆包待用存放時間降低至1 h以內(nèi)，鋼液增氫量可有效降低0.5×10-6左右。從表2中可以看出，合金烘烤能夠降低鋼液氫含量0.4×10-6左右。對合金進行烘烤、石灰控制入廠及拆包時間，能夠有效降低煉鋼過程鋼液增氫量，得到原始氫含量較低的鋼液，利于后期真空脫氫處理。

表2 合金烘烤情況對鋼液增氫影響

3.2 VD真空過程控制

生產(chǎn)低氫鍛鋼，氫含量能否達到客戶技術(shù)要求，更為關(guān)鍵的是VD真空處理脫氫過程，對VD真空過程的可變參數(shù)進行試驗分析，以確定工藝優(yōu)化參數(shù)。

3.2.1 真空度的影響

降低體系的氣相氫分壓，是實現(xiàn)脫氫的原動力，隨著氣相壓力的不斷降低，脫氫反應(yīng)不斷進行。固定現(xiàn)有其他工藝參數(shù)，分析了真空度與脫氫率之間的關(guān)系，見圖3。由圖3可以看出，提高罐體內(nèi)真空度，能夠顯著提高脫氫率，隨真空度的提高，脫氫率顯著提升，結(jié)合工序設(shè)備條件，現(xiàn)場實際真空度控制在20 Pa以下，即可實現(xiàn)接近85%的脫氫率。

圖3 保壓真空度與脫氫率之間的關(guān)系圖

3.2.2 吹氬強度的影響

VD爐真空脫氫效果受鋼液作用于氬氣泡表面靜壓力影響，鋼液脫氫主要集中在鋼液面近表面反應(yīng)區(qū)域，氬氣泡上升進而頂破鋼渣面形成的渣眼面積約等于氬氣泡的接近鋼液面區(qū)域的近表面反應(yīng)面積[7]。因不同鋼種、鋼包凈空高度、渣層厚度等條件的影響，吹氬強度效果有所差異。通過VD爐觀察孔間接測量渣眼直徑可以計算出近表面反應(yīng)面積，以此代替吹氬強度。通過增大吹氬強度，渣眼面積逐漸增大，固定其他工藝參數(shù)，考察不同渣眼面積情況下脫氫效果，見圖4。

圖4 脫氫率與渣眼直徑大小關(guān)系

從圖4中可以看出，隨著渣眼直徑的逐漸增大，脫氫效果越好，當渣眼直徑達到300 mm左右時脫氫率最高，此時吹氬壓力為0.25 MPa左右，當渣眼直徑超過350 mm時脫氫效果下降。當渣眼直徑超過350 mm時，增大渣眼面積，需要更大的吹氬壓力，但其他工況條件固定時，不斷增大吹氬壓力，氬氣泡上升速度必然更快，反而降低了鋼液脫氫效果，也容易造成鋼渣外溢。

3.2.3 VD保壓時間的影響

鋼液脫氫需要一定的時間，時間是實現(xiàn)脫氫效果的重要參數(shù)之一，固定其他工藝參數(shù)，實驗研究了保壓時間對重點氫含量的影響，見圖5。

圖5 氫含量與真空保壓時間的關(guān)系圖

從圖5中可以看出，總體趨勢是隨保壓時間的延長，終點氫含量逐漸降低，尤其是10 min以內(nèi)，趨勢明顯，保壓時間超過15 min趨勢減緩。在初始氫含量穩(wěn)定的條件下，保壓時間20 min左右可達到設(shè)備脫氫的極限條件。實際生產(chǎn)中，保壓時間控制在18 min，即可將鋼液中的氫控制在1.0×10-6以下。

3.3 澆注過程氫含量控制

為查看澆注過程鋼液增氫情況，在澆鑄的鋼錠中，選取連續(xù)10爐低氫鋼種，在澆鑄液位至冒口下方時于鋼錠上方進行取樣定氫，與VD脫氣后的氫含量進行比較，如圖6所示。

從圖6中可以看出，澆注過程是鋼液增氫的過程，增氫可能的氫氣來源主要是與澆注過程與鋼液接觸的滑板水口、湯道磚、鋼錠模、保護渣等含水物質(zhì)和氣體環(huán)境?？紤]到以上可能的氫氣來源，在真空脫氣結(jié)束后，鋼液需要得到良好的保護，盡可能不受到外界氫原的影響。一方面是做好氬氣保護澆注，隔絕空氣中的水汽；另一方面是對水口滑板、湯道磚、保護渣等做好預(yù)熱去氫處理，使用前做好烘烤，去除水分影響。通過控制，能夠?qū)崿F(xiàn)澆注過程增氫可控，增量小于0.2×10-6。

圖6 鋼液澆注過程增氫情況

4 工藝優(yōu)化措施及效果

基于高潔凈鍛鋼產(chǎn)品全流程綜合工藝控制理念，對脫氫工藝進行了優(yōu)化。

(1)生產(chǎn)低氫含量鍛造鍛鋼品種，生產(chǎn)時間需避開空氣濕度大的陰雨天氣月份。

(2)熔煉過程使用石灰輔料盡可能地降低現(xiàn)場存放時間，以不影響生產(chǎn)順行為準降至最低。對加入合金料進行烘烤處理，烘烤溫度300 ℃以上。

(3)VD脫氫工藝中真空保壓時間控制在18 min以上，保壓真空度小于20 Pa，渣眼直徑大小控制在300～350 mm。

(4)澆注過程實行鋼液氬氣保護澆注，與鋼水接觸的材料做好預(yù)熱去氫處理。

通過相應(yīng)的工藝優(yōu)化，組織進行了多爐低氫含量潔凈鍛鋼的冶煉生產(chǎn)，鋼中氫含量較低冶金質(zhì)量良好，小于1.0×10-6的良品率近95%，見圖7。

圖7 工藝優(yōu)化后潔凈鍛鋼脫氫效果

5 結(jié) 論

(1)VD真空前的工序是增氫過程，采取合金烘烤、石灰使用時間管控等措施能夠有效降低鋼液原始氫含量，生產(chǎn)中VD處理原始氫含量穩(wěn)定在5.0×10-6以下。

(2)VD脫氫過程合理控制真空度、保壓時間、氬氣流量及壓力，可以獲得脫氫率高于85%的效果。

(3)澆注過程做好保護澆注和與鋼液接觸材料的預(yù)熱去氫處理，鋼液增氫小于0.2×10-6。

(4)采用低氫操作工藝，生產(chǎn)高潔凈鍛鋼氫含量能夠穩(wěn)定控制在1.0×10-6以下，良品率達到95%的水平，滿足市場客戶要求。