超低碳鋼RH真空深脫碳模式的優(yōu)化

鄧 偉 楊新泉 李慕耘 肖邦志 唐樹平 梁明強

(寶鋼股份武鋼有限煉鋼廠 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，超低碳汽車板鋼的需求量日益增大，用戶對超低碳汽車板鋼提出了越來越高的要求。武鋼有限煉鋼廠生產(chǎn)的M系列汽車板鋼，屬于IF鋼。M系列汽車板鋼要求極低的碳含量，成品[C]≤0.0020%，部分汽車外板鋼要求成品[C]≤0.0010%，同時對汽車板鋼純凈度要求極高。在生產(chǎn)中通過加入合金，IF鋼獲得低的屈服強度、高的伸長率、高的垂直塑性、高的硬化指數(shù)等[1]。M系列汽車板其工藝流程為：鐵水脫硫→扒渣→轉(zhuǎn)爐→AR→RH→CC→精整。RH處理的主要任務是深脫碳、脫氧合金化、脫氣、去夾雜等。

由于在RH處理脫碳的前期，碳氧反應激烈，噴濺比較嚴重。為了防止噴濺堵塞合金溜槽、堵塞真空室頂部造成頂部結(jié)冷鋼，啟動真空泵的時間相對較晚。當真空度達到3kPa時，才開始啟動增壓泵，依次開啟三級泵、二級泵、一級泵，每級增壓泵開啟后維持1 min左右，8-10 min內(nèi)才可以到達極限真空133 Pa以下，極限真空度保持8 min以上，整個脫碳時間在18 min以上。這種操作模式耗時較長，而且真空脫碳期，鋼水每循環(huán)1 min，降低溫度2 ℃，循環(huán)時間越長，溫降越大，熱量損失導致溫度不足，必須采用MFB頂槍對鋼水吹氧，增加鋼水中的游離氧，然后加臺鋁，使臺鋁與鋼水中的游離氧反應放熱使鋼水升溫。這種模式會使吹氧量增大，吹氧時間長，進一步延長了真空處理時間。同時吹氧量增大會使汽車板鋁耗增大，增加了成本；鋁和自由氧反應生產(chǎn)的產(chǎn)物也會增加，會使鋼水中Al2O3夾雜物增多，對鋼質(zhì)造成不利影響。

針對上述脫碳模式所造成的一系列不利影響，通過深入研究真空脫碳原理，對RH真空脫碳工藝進行了優(yōu)化。

1 設備簡介

武鋼有限煉鋼廠三煉鋼產(chǎn)線(以下簡稱三煉鋼)從1996年投產(chǎn)以來，工藝技術(shù)不斷改進創(chuàng)新，工藝制度不斷完善優(yōu)化，具備較強的品種開發(fā)能力，其鐵水脫硫采用鐵水罐噴吹Mg劑和KR脫硫法，主要生產(chǎn)設備包括：

(1)公稱容量250 t氧氣頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐3座；(2)爐后在線鋼包底吹氬站3座；(3)RH真空脫氣處理裝置2套；LF鋼包加熱爐2臺；(4)雙流弧形板坯連鑄機1臺(230×1000～1600)；(5)雙流直弧形板坯連鑄機2臺(230×1350～2150)。

三煉鋼2#RH設備主要工藝參數(shù)如下：

(1)泵的抽氣能力

目前，三煉鋼2#RH通過設備改造后采用水循環(huán)泵，代替第五級輔助泵5EA及5EB，其極限真空度達到16 kPa，能夠降低蒸汽消耗成本。相關(guān)參數(shù)如下：

抽氣能力在66.7 Pa時為1200 kg/h；

抽氣能力在8 kPa時為6200 kg/h；

蒸汽壓力≥0.8 MPa(表壓)；

蒸汽溫度：為175-190 ℃；

蒸汽耗量≤44000 kg/h；

冷凝器冷卻水壓力：0.30 MPa；

冷卻水耗量≤2200 m3/h；

真空泵系統(tǒng)的漏氣量≤60 kg/h；

抽氣時間：在預抽的條件下，由一個大氣壓降到67 Pa，時間≤3.0 min；

在未預抽的條件下，由一個大氣壓降到67 Pa，時間≤3.5 min；

(2)處理鋼水量：250-280 t；

(3)插入管內(nèi)徑：上升管650 mm，下降管700 mm；

(4)極限真空度：27 Pa。

2 真空脫碳模式的優(yōu)化

RH真空工藝處理過程主要分為：前期深脫碳，脫碳結(jié)束后加脫氧劑臺鋁進行強脫氧，加完臺鋁循環(huán)3 min使鋼水脫氧完全，合金化依次加入錳鐵、鈦鐵等合金，循環(huán)時間8-10 min。由于M系列汽車板對于鋼水的純凈度要求非常高，脫氧合金化后的循環(huán)時間是影響鋼水純凈度的最重要參數(shù)，必須嚴格把控不能縮短。因此，要在保證深脫碳效果、成品[C]成分合格的前提下，縮短RH真空深脫碳時間。

根據(jù)RH真空脫碳原理[2]及真空脫碳的熱力學條件和動力學條件[3-4]，要提高脫碳速度，必須提高鋼液中的碳和氧向氣液相界面擴散的速度，同時也要提高碳氧反應生成CO離開相界面向氣相擴散的速度。

2.1 采用真空泵系統(tǒng)預抽真空度模式

所謂真空泵系統(tǒng)預抽真空度模式，是指在真空生產(chǎn)的間隙，鋼水還未進站的時候，開啟真空泵系統(tǒng)進行預抽，使泵系統(tǒng)在等待的時間提前工作，可以使泵系統(tǒng)保持15 kPa的真空度。相對于之前的模式，鋼水開始處理時泵系統(tǒng)真空度僅30 kPa的情況，大大節(jié)約了時間。同時為了提高預抽真空度的效率，進一步減少預抽真空度的時間，采取真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵(拉瓦爾噴射管)的組合泵系統(tǒng)模式，其預抽時抽氣能力提高30%。

影響真空預抽效果的一個重要因素是蒸汽壓力低，蒸汽壓力要求1.1 MPa以上，才能保證其抽真空的效果。三煉鋼產(chǎn)線2#RH真空采用的是內(nèi)網(wǎng)蒸汽，即從轉(zhuǎn)爐吹煉時所產(chǎn)生的蒸汽回收供給2#RH真空使用，其蒸汽量、蒸汽壓力能否穩(wěn)定完全取決于轉(zhuǎn)爐吹煉的情況，至少有2座轉(zhuǎn)爐同時吹煉時，才能保證蒸汽量、蒸汽壓力穩(wěn)定供給。當轉(zhuǎn)爐由于檢修或其他生產(chǎn)原因影響，僅1座轉(zhuǎn)爐或沒有轉(zhuǎn)爐吹煉時，就會導致蒸汽量、蒸汽壓力供給不足。2#RH真空沒有足夠的蒸汽，就不能用蒸汽泵系統(tǒng)抽真空。采取真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵(拉瓦爾噴射管)的組合泵系統(tǒng)模式，其最大的優(yōu)勢是，不受蒸汽壓力的影響可快速實現(xiàn)預抽功能，達到預抽效果，可以完全避免上述等待的時間，提高了預抽真空度的效率。

2.2 鋼水處理過程中三種脫碳模式的優(yōu)化

之前的脫碳模式時間較長，通常在18 min以上，通過優(yōu)化真空泵的啟動時機提高抽真空效率 。真空開始處理時，由于前述已預抽真空度，開啟真空主滑閥時，真空度下來的更快，效率更高。分為以下三種情況分別進行優(yōu)化。

2.2.1 非頂槍吹氧自然脫碳模式

真空到站鋼水溫度及游離氧合格，即到站[C]≤0.040%，到站游離[O]≥600 ppm，到站溫度≥1615 ℃的條件下，不需采用MFB頂槍吹氧，自然循環(huán)脫碳。模式1優(yōu)化前后其真空度對比如圖1。

圖1 非頂槍吹氧自然脫碳模式操作模式對比

以前真空開始處理，先采取輔助泵抽真空的時間較長，平均處理6 min時才開啟增壓泵S3，維持1 min后依次開啟增壓泵S2、S1，平均到8 min時才能達到極限真空度0.133 kPa以下，有些爐次甚至到10 min左右才能達到極限真空度0.133 kPa以下，脫碳效率較低，時間較長，平均總脫碳時間18 min。優(yōu)化后，前面通過預抽，及充分利用輔助泵抽真空，在真空處理3 min的時候啟動增壓泵S3，維持1 min后依次開啟增壓泵S2、S1，平均到5 min時能達到極限真空度0.133 kPa以下，并維持極限真空度8 min。在高真空度下能確保脫碳速率更快，平均脫碳時間可減少至13 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由圖1可以看出，脫碳時間可以減少5 min，大大縮短了脫碳時間，提高了脫碳效率。

2.2.2 MFB頂槍吹氧強制脫碳模式

真空到站鋼水碳高游離氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游離[O]≤600 ppm，需要MFB頂槍吹氧強制脫碳。模式2優(yōu)化前后其真空度對比如圖2。

圖2 MFB頂槍吹氧強制脫碳模式真空度對比圖

以前真空開始處理，先采取輔助泵抽真空的時間較長，處理3 min才開始采用MFB頂槍向鋼水中吹氧來進行強制脫碳，MFB頂槍吹氧時機偏晚，平均處理8 min時才開啟增壓泵S3，維持1 min后依次開啟增壓泵S2、S1，平均到10 min時才能達到極限真空度0.133 kPa以下，有些爐次甚至到12 min左右才能達到極限真空度0.133 kPa以下，脫碳效率較低，時間較長，平均總脫碳時間18-20 min。

之所以處理3 min才開始采用MFB頂槍向鋼水中吹氧來進行強制脫碳，是因為之前MFB頂槍槍位控制偏低，而RH真空脫碳的前期特點是碳氧反應激烈，噴濺比較嚴重，如果MFB頂槍的槍位控制偏低，容易造成噴濺的鋼水將MFB頂槍粘連，甚至燒漏造成漏水，發(fā)生安全事故。

通過不斷深入研究，摸索出最合適的槍位，將MFB頂槍吹氧強制脫碳的槍位由12700 mm提升至13500 mm，這樣既確保MFB頂槍不被噴濺的鋼水鋼渣粘連，又可以保證強制吹氧脫碳的效果。

由于優(yōu)化了MFB頂槍吹氧的槍位，將吹氧時機提前，在真空開始處理1 min內(nèi)即可以采取MFB頂槍吹氧進行強制脫碳。相對于常規(guī)循環(huán)脫碳，采用MFB頂槍吹氧強制脫碳時，其動力學及熱力學條件更優(yōu)越，更利于快速脫碳。動力學條件優(yōu)越是因為鋼水的真空脫碳反應是一個氣液兩相反應，當MFB頂槍向真空室內(nèi)吹入一定強度的氧氣射流，增大了兩相內(nèi)物質(zhì)的擴散系數(shù)，也增大了化學反應速度常數(shù)和平衡常數(shù)，而脫碳速率和這些系數(shù)、常數(shù)成正比，從而顯著提高了脫碳速度。熱力學條件更優(yōu)越是因為真空脫碳反應[C]+[O]→CO，生成的CO氣體在遇到MFB頂槍頂吹O2時，發(fā)生反應：2CO+O2→2CO2,屬于氧化放熱反應。CO二次燃燒放出大量的熱量，使真空室中部形成高溫區(qū)，這樣會對真空室中部以及鋼水補償大量的熱量，減少真空室溫降，減少鋼水循環(huán)的溫降，進一步減少吹氧量，從而減少了吹氧時間，提高了脫碳效率。

采用MFB頂槍吹氧進行強制脫碳，與開始吹氧時機一樣，其結(jié)束吹氧時機同樣重要，決定吹氧結(jié)束時機的重要因素有：總吹氧量及吹氧氧氣流速。

總吹氧量的確定：由轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始碳含量和溫度確定，吹氧量一方面滿足脫碳需求，另一方面脫碳終點鋼水有一定的氧含量，以滿足合格的澆注溫度。MFB吹氧量可以通過公式(1)確定。

F02={([C]始-[C]終)×1.33+[O]脫碳終點-

[O]0-[O]渣}/([O]理)×μ

(1)

式中：F02—吹氧量，Nm3/t·s；

[C]始—轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始碳含量，ppm;

[C]終—RH脫碳終點鋼水的碳含量，ppm;

[O]脫碳終點—RH脫碳終點鋼水的氧含量，ppm;

[O]0—轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始氧含量，ppm;

[O]渣—RH脫碳過程中鋼渣及耐火材料向鋼水傳輸氧含量，ppm。

這和鋼包渣層厚度，鋼水氧化性，耐材質(zhì)量有關(guān);

[O]理—向鋼水每吹1 Nm3/t·s氧氣，理論供氧量;

μ—吹氧收得率，和氧槍吹氧高度，噴槍類型等相關(guān)。

氧氣流速的確定：同樣和氧槍吹氧高度，噴槍類型有關(guān)。在進行深入研究后，優(yōu)化了氧槍高度，在保證安全的情況下，提高吹氧氧氣流速由1600 Nm3/h提高到1800 Nm3/h，提高氧氣流速后，單位時間內(nèi)的吹氧量提高，從而縮短了吹氧時間，提高了氧的收得率和利用效率。

優(yōu)化后的真空泵啟動模式是：在真空開始處理1 min內(nèi)采取MFB頂槍吹氧進行強制脫碳，在真空處理5 min的時候啟動增壓泵S3，維持1 min后依次開啟增壓泵S2、S1，平均到7 min時能達到極限真空度0.133 kPa以下，并維持極限真空度8 min。在高真空度下能確保脫碳速率更快，平均脫碳時間可減少至15 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由圖3可見，此種脫碳模式下脫碳時間同樣可以減少5 min，大大縮短了脫碳時間，提高了脫碳效率。

2.2.3 MFB頂槍吹氧強制脫碳及吹氧升溫模式

真空到站鋼水溫低氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游離[O]≤600 ppm，到站溫度≤1615 ℃的條件下，需要采用MFB頂槍吹氧強制脫碳+吹氧加鋁升溫。模式3優(yōu)化前后其真空度對比如圖3。

圖3 MFB頂槍吹氧強制脫碳及吹氧升溫模式真空度對比圖

在同樣的到站溫度條件下，改進的方面除了和前述模式2相同(提前采用MFB頂槍吹氧強制脫碳)外，通過深入研究，收集分析數(shù)據(jù)，精確計算強制脫碳及升溫所需的總氧量，將吹氧強制脫碳和吹氧加鋁升溫兩個步驟一次完成，杜絕了二次吹氧，節(jié)省了頂槍吹氧時間。同時，通過吹氧量動態(tài)調(diào)整升溫所需的加鋁量，在脫碳期間小批量加入臺鋁。

臺鋁加入量的確定原則，既要保證鋼水中的游離氧含量滿足深脫碳的要求(≥300 ppm)，即不能加入過量導致鋼水過脫氧，又要滿足加鋁升溫效率，即不能加入過少。而且加鋁時機應在真空處理前期盡早加入，使鋁氧反應產(chǎn)生的Al2O3夾雜通過真空鋼水循環(huán)盡早上浮，提高汽車板鋼水的純凈度。加鋁量按下面計算式計算：

WAl=1.125×(初始氧含量%-目標氧含量%)*W鋼* 1000/R*ηAl*W鋼

(2)

式中：R─表示Al的收得率，%；W鋼─表示鋼水量，噸；ηAl─表示所加Al的鋁純度，%；

目標氧含量的控制范圍為300 ppm-450 ppm。而初始氧含量的確認是一個難點。要實現(xiàn)動態(tài)控制，動態(tài)加鋁升溫，那么初始氧含量也是動態(tài)變化的。初始氧含量跟鋼水到站游離氧值、到站碳含量、加鋁時刻的吹氧量、氧氣流速等等密切相關(guān)，需要進行科學研究。

MFB吹氧時鋼水增氧量的確定：

采用MFB頂槍向鋼水中吹1 Nm3的O2氣,以鋼水量270噸為例，如果氧全部進入鋼水，能使鋼水中增加的氧含量：

(0.032 kg/mol*1*103L)/(22.4 L/mol*270000 kg)=5.3*10-6

理論上可使鋼水增加5.3 ppm的游離氧。但是，在實際生產(chǎn)過程中，并沒有理論值那么高，原因是頂槍吹氧過程，氧氣會被真空泵系統(tǒng)抽走一部分，會與產(chǎn)生的廢氣CO反應，CO二次燃燒會消耗一部分的氧氣，MFB頂槍槍位的不同，氧氣流速的不同，所增加的氧量也會不同。在經(jīng)過大量的試驗分析總結(jié)后，計算出氧收得率為56.6%。即采用MFB頂槍向鋼水中吹1 Nm3的氧氣實際增氧量為3 ppm。

2.3 真空脫碳模式優(yōu)化后取得的效果

真空脫碳模式優(yōu)化后，三煉鋼產(chǎn)線2#RH生產(chǎn)M系列汽車板鋼，真空平均脫碳時間由優(yōu)化前的18.45 min降至13.53 min，平均脫碳時間縮短4.92 min(如圖4)。優(yōu)化前后鋼水中碳含量的中位數(shù)均為0.0012%，碳含量水平基本相當。

圖4 脫碳模式優(yōu)化前后脫碳時間的對比

3 結(jié)論

(1)采用真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵的組合泵系統(tǒng)模式預抽真空度，相比原脫碳模式，不受內(nèi)網(wǎng)蒸汽壓力的影響，其預抽時抽氣能力提高30%。

(2)建立三種脫碳模式，即非頂槍吹氧自然脫碳模式、MFB頂槍吹氧強制脫碳模式，MFB頂槍吹氧強制脫碳及吹氧升溫模式，優(yōu)化工藝，可縮短超低碳鋼真空脫碳時間4 min以上。

(3)真空脫碳模式優(yōu)化前后對比，在縮短脫碳時間的情況下，鋼水中碳含量水平基本相當。