VOD爐精煉00Crl8Nil0N碳終點(diǎn)命中率研究及應(yīng)用

孫云鵬，王福海

（攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川省攀枝花 617023）

前言

攀長(zhǎng)特?zé)掍摽倧S二作業(yè)區(qū)現(xiàn)有1 臺(tái)40 t VOD爐，真空系統(tǒng)為蒸汽噴射泵，抽氣能力為260 kg/h（≤67 Pa），通過抽真空降低精煉過程中Pco/Pθ分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)“去碳保鉻”，主要用于精煉超低碳不銹鋼。但是VOD 爐冶金效果較差，主要表現(xiàn)在精煉作業(yè)周期較長(zhǎng)，碳終點(diǎn)命中率較低，金屬Cr 過氧化嚴(yán)重，導(dǎo)致VOD 爐精煉工序生產(chǎn)成本較高，由此，本文以00Crl8Nil0N 超低碳不銹鋼為例，對(duì)該鋼種進(jìn)行熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理分析，根據(jù)分析查找脫碳命中率低缺陷根源，提出相應(yīng)解決措施。

1 鋼種產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)難點(diǎn)

00Crl8Nil0N 是一種奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分如表1 所示。具有優(yōu)良的硬化與耐腐蝕性能，是攀長(zhǎng)特首次研發(fā)的新鋼種，生產(chǎn)工藝：EAF→VOD→澆注電極棒→電渣爐→電錘開坯→軋機(jī)。主要用于生產(chǎn)軍工小規(guī)格（如?15 mm×1.1）冷硬態(tài)不銹鋼管。該鋼種與傳統(tǒng)高碳級(jí)奧氏體不銹鋼相比較，在特定工況溫度范圍內(nèi)，不會(huì)沿晶界析出CrxC6碳化物，即不存在傳統(tǒng)高碳級(jí)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕等問題［1-2］，雖然由于晶體間隙C 原子的減少弱化了固溶強(qiáng)化效果，但是在鋼中補(bǔ)充了適量N，可以保證鋼種的強(qiáng)度。

表1 00Crl8Nil0N鋼種化學(xué)成分要求一覽表 %

1.1 鋼種產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

（1）采用 VOD 爐精煉 00Crl8Nil0N 超低碳不銹鋼，鋼中［Cr］、［Ni］能夠降低鋼水中［C］活度；

（2）鋼種產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求熔煉成分C≤0.03%，考慮到現(xiàn)有一次碳終點(diǎn)命中率較低（～56%），還原期添加造渣料、Cr合金等增碳導(dǎo)致終點(diǎn)碳超標(biāo)。

2 碳終點(diǎn)命中率影響因素分析

2.1 去碳保鉻熱力學(xué)基礎(chǔ)

去碳保鉻熱力學(xué)反應(yīng)式［3］：

該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吉布斯自由能變化值：

該反應(yīng)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吉布斯自由能變化值：

式中：T——精煉溫度；

αCr——鋼水中［Cr］的活度；

Pco——CO的分壓；

Pθ——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

αc——鋼水中［C］的活度；

αCr3O4——渣中（Cr3C4）的活度，處于飽和狀態(tài)，所以αCr3O4=1。

根據(jù)計(jì)算，最終得出ΔG的表達(dá)式：

從最終吉布斯自由能反應(yīng)式③可以看出，當(dāng)ΔG=0 時(shí)的反應(yīng)溫度成為碳、鉻臨界轉(zhuǎn)變溫度，只有當(dāng)VOD 爐精煉作業(yè)過程中溫度始終高于臨界轉(zhuǎn)變溫度，才能實(shí)現(xiàn)“去碳保鉻”的冶金效果。因此，溫度越高，ΔG越低，反應(yīng)越向右進(jìn)行，鋼水終點(diǎn)碳含量越低。從熱力學(xué)角度分析來(lái)看，影響碳終點(diǎn)含量因素有：入爐溫度、CO 分壓、鋼水成分及傳質(zhì)、臨界碳含量。

2.2 精煉00Crl8Nil0N工藝對(duì)終點(diǎn)碳影響因素

2.2.1 入爐溫度

當(dāng)［Cr］、Pco一定的條件下，入爐溫度越高，精煉終點(diǎn)碳含量越低，而且，溫度提高后，鋼液流動(dòng)性變好，有利于脫碳反應(yīng)的傳質(zhì)過程，使脫碳速率增加，表2列出了入爐溫度對(duì)終點(diǎn)碳含量的影響。

表2 入爐溫度與終點(diǎn)碳含量的關(guān)系

由表2中可以看出：入爐溫度越高，終點(diǎn)碳含量越低，但是同時(shí)對(duì)鋼包耐材的侵蝕越嚴(yán)重，因此，綜合考慮，入爐溫度應(yīng)控制在1 550～1 570 ℃。

2.2.2 CO分壓（真空度）

CO主要來(lái)自于碳氧反應(yīng)，

VOD 吹氧脫碳作業(yè)過程中的碳氧反應(yīng)冶金的熱力學(xué)規(guī)律［4］，［C］+［O］=CO↑

根據(jù)理論計(jì)算，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，鋼水中［%C］理論值與實(shí)際檢測(cè)值詳見圖1。

圖1 鋼水中［%C］理論值與實(shí)際檢測(cè)值關(guān)系圖

考慮到大量的［Ni］、［Cr］會(huì)降低鋼液中［C］、［O］活度，暫按照1873K 時(shí)的相互作用系數(shù)來(lái)計(jì)算［C］、［O］活度系數(shù)。

K——鋼液碳氧反應(yīng)的平衡系數(shù)；

Pco——真空中CO的分壓；

T——鋼液絕對(duì)溫度/K；

fc、fo——鋼液中［C］、［O］的活度系數(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，VOD 爐降低CO 分壓主要是通過真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)實(shí)踐表明：開吹氧時(shí)的真空度和吹氧時(shí)過程真空度要求存在差異，主要體現(xiàn)在脫碳滯后時(shí)間，雖然對(duì)碳終點(diǎn)含量影響程度并不明顯，但是可以合理控制好Cr 金屬的過氧化現(xiàn)象，同時(shí)在真空作業(yè)過程中不能過分要求過高的真空度，以防止脫碳過程中發(fā)生噴濺事故。

2.2.3 鋼水成分

在熔池鋼渣界面反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，鋼水中［Si］、［Cr］、［Mn］、［Fe］元素含量對(duì)終點(diǎn)碳含量影響較為明顯，具體反應(yīng)及平衡常數(shù)［5］如下：

考慮到［Si］、［Cr］、［Mn］、［Fe］元素生成的氧化物均為液態(tài)或固態(tài)，因此，上述氧化物氧化物活度為1。并假設(shè)它們的傳質(zhì)系數(shù)相同，再充分考慮質(zhì)量平衡和熱平衡的基礎(chǔ)上，吹氧過程中各元素的氧化過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，根據(jù)各元素ΔG之比來(lái)分配溶解在鋼液中自由氧，吹氧過程中各元素所需理論耗氧量就可以計(jì)算出來(lái)，對(duì)于本文中研究超低碳不銹鋼種00Crl8Nil0N 和［Mn］≤2.0%而言，吹氧初期［Mn］氧化量占吹氧初期含量40%左右，一般情況下消耗的氧氣約占供氧總量≤5%，因此，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中影響終點(diǎn)碳含量的因素只需要考慮［C］、［Si］、［Cr］三種元素即可，同時(shí)根據(jù)各種元素氧化分布情況，計(jì)算出消耗氧氣量，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)加以修正，即可以提高VOD 爐冶煉超低碳不銹鋼00Crl8Nil0N的碳終點(diǎn)命中率。

2.2.4 臨界碳含量

實(shí)際生產(chǎn)過程中終點(diǎn)碳含量與臨界碳含量相輔相承，在吹氧過程中脫碳過程主要分為2個(gè)過程：

高碳區(qū)：［C］+［O］=CO

低碳區(qū)：MxOy+Y［C］=X［M］+Y CO

在高碳區(qū)，碳的直接氧化和間接氧化是同時(shí)進(jìn)行的，此時(shí)脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)是氧氣流量，提高單位時(shí)間內(nèi)氧氣流量可以提高脫碳速率。低碳區(qū)脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)是［C］在鋼液中的傳質(zhì)，此時(shí)，需要加強(qiáng)底部吹氬，促進(jìn)鋼渣界面反應(yīng)，生產(chǎn)實(shí)踐證明，強(qiáng)化底部吹氬可以明顯降低鋼液終點(diǎn)碳含量。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

鋼包入罐迅速，及時(shí)測(cè)溫、取樣、墊包沿鎂砂，并根據(jù)入罐鋼水成分調(diào)整氧氣、氬氣流量，同時(shí)根據(jù)鋼包自由凈空高度及渣層厚度調(diào)整氧槍高度（正常情況下氧槍標(biāo)高為±1 m），真空罐車開至VOD 爐冶煉工位蓋好真空罐蓋，關(guān)閉V2 打開V1 真空閥抽真空，啟動(dòng)EC+6a+6b 真空泵，當(dāng)罐內(nèi)真空度降低至22 kPa 時(shí)，啟動(dòng)氧槍開始吹氧，氧氣進(jìn)口壓力≥9Mpa，預(yù)吹氧流量控制在330～350 m3/h，根據(jù)入罐［Si］（≤0.3%）、溫度（1 550～1 570 ℃）控制吹氧時(shí)間，約3 min；氧槍切換為主吹模式：氧流量控制在550～600 m3/h，當(dāng)主吹耗氧量大于理論氧氣量65%時(shí)，同時(shí)廢氣溫度反應(yīng)趨于平穩(wěn)時(shí)啟動(dòng)4a+4b 真空泵，當(dāng)氧電勢(shì)E出現(xiàn)拐點(diǎn)并開始下降，同時(shí)廢氣溫度也開始下降時(shí)，逐步調(diào)整氬氣、氧氣流量進(jìn)行深吹，將停吹后破空后收起氧槍、取樣、測(cè)溫后進(jìn)行真空碳脫氧，當(dāng)真空抽到極限時(shí)，提高氬氣強(qiáng)度，氬氣流量控制在40～60 L/min，根據(jù)廢氣溫度變化判斷爐內(nèi)CO 反應(yīng)強(qiáng)度實(shí)時(shí)啟動(dòng)3、2、1 級(jí)真空泵組進(jìn)行真空碳脫氧，作業(yè)時(shí)間20～25 min，經(jīng)過實(shí)踐，碳終點(diǎn)命中率維持在93% 以上，終點(diǎn)碳含量控制0.015%～0.025%。

4 結(jié)論

（1）為提高終點(diǎn)碳命中率，在實(shí)際操作過程中，一般要求：入罐溫度1 550～1 570 ℃，鋼水成分中［Si］≤0.3%，［C］≤0.5%～0.6%；

（2）精煉作業(yè)過程中和反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)的真空度指標(biāo)對(duì)碳終點(diǎn)命中率影響較小，但是對(duì)脫碳速度和金屬Cr收得率存在較大影響；影響碳終點(diǎn)碳主要因素是精煉過程中的極限真空度和底吹氬氣的攪拌強(qiáng)度；

（3）在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，根據(jù)氧電勢(shì)檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及廢氣溫度變化來(lái)較為準(zhǔn)確的判定反應(yīng)終點(diǎn)，但考慮到VOD 爐高溫?zé)煔忾L(zhǎng)期熱輻射作用，氧電勢(shì)儀等檢測(cè)儀表若后期維護(hù)未及時(shí)到位，可能會(huì)與實(shí)際出現(xiàn)偏差；

從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理分析VOD 爐精煉00Crl8Nil0N 超低碳不銹鋼脫碳命中率的影響因素，對(duì)于采用“兩步法”即EAF→VOD 生產(chǎn)超低碳不銹鋼的特殊鋼廠而言，對(duì)于提高脫碳命中率作業(yè)過程具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。