低碳鋼RH真空時(shí)間對(duì)鋼水潔凈度的影響

關(guān)鍵詞：真空處理；鋼水潔凈度；夾雜物；脫氣

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，終端客戶對(duì)鋼材質(zhì)量、潔凈度要求持續(xù)提高，不斷提高鋼水潔凈度、去除鋼中有害元素成為各大鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)方向。降低鋼中夾雜物是提高鋼材質(zhì)量的重要手段，此外，控制鋼中夾雜物的數(shù)量、種類和形態(tài)同樣是提高鋼材潔凈度的研究熱點(diǎn)。當(dāng)夾雜物的尺寸、數(shù)量、分布及形態(tài)控制不良時(shí)，將影響材料的塑性、韌性、抗疲勞性、耐腐蝕性等使用性能。而在夾雜物的研究過程中，主要研究對(duì)象仍然為鋁系夾雜和硫化物夾雜，其中鋁系夾雜物主要表現(xiàn)為連鑄過程的可澆性差，且其在軋制過程中易被破碎成不連續(xù)的細(xì)小夾雜，嚴(yán)重影響鋼材基體的連續(xù)性；硫化物夾雜在高溫下具有塑性不足或熔化特性，出現(xiàn)“熱脆”現(xiàn)象而產(chǎn)生裂紋缺陷，此外硫化物對(duì)鋼的耐蝕性也會(huì)造成影響。

作為一項(xiàng)重要的鋼水精煉手段，RH已成為關(guān)鍵的精煉設(shè)備。針對(duì)RH真空冶煉過程夾雜物的演變過程，業(yè)內(nèi)也有大量的相關(guān)分析及報(bào)道。研究表明，大顆粒夾雜物（不小于100 μm）在RH處理過程中可以快速上浮去除；尺寸小于

20 μm的夾雜物受流場(chǎng)影響較難上浮去除，在連鑄過程中造成浸入式水口處粘連、堵塞，鋼水可澆性差，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致裂紋缺陷。此外，研究表明，夾雜物和鋼基體之間界面處的應(yīng)力局部化是導(dǎo)致疲勞失效的主要原因，這是由于在冷卻過程中夾雜物和基體間存在不同熱收縮，以及基體和夾雜物之間的彈性常數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，在熱變形（如軋制）過程中，夾雜物和鋼基體之間的界面處產(chǎn)生裂紋（圖 1），而夾雜物對(duì)疲勞裂紋萌生影響取決于夾雜物的化學(xué)成分、尺寸、密度以及夾雜物在鋼中的位置和形態(tài)。

對(duì)山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司（以下簡(jiǎn)稱日照公司）低碳鋼（轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧）RH真空處理過程夾雜物演變機(jī)理，特別是RH真空時(shí)間對(duì)夾雜物種類、形態(tài)、尺寸等定量指標(biāo)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析與研究，探討不同RH精煉時(shí)間對(duì)夾雜物演變的影響，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中RH真空精煉時(shí)間的精準(zhǔn)控制。

1 試驗(yàn)及研究方法

1.1 試驗(yàn)條件

日照公司現(xiàn)有210 t轉(zhuǎn)爐4座，配置210 t干式機(jī)械泵雙工位RH 3座，最大環(huán)流氣體流量為240 m3/h， 最大鋼水循環(huán)量達(dá)到180 t/min， 具備快速脫氣的能力。

為了深入研究RH真空過程抽真空時(shí)間與夾雜物的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取了轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧合金化的SPCC低碳鋼為試驗(yàn)鋼種，其工藝路線為KR→BOF→RH→CC，鋼水在RH工序自然脫碳完成后加鋁深脫氧，夾雜物濃度相對(duì)較高。鋼種冶煉參數(shù)為：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w（C）≤0.04 %、w（S）≤0.012 %、w（P）≤0.015 %，終點(diǎn)w（O）=（400～800）×10-6，出鋼溫度1 660～1 700 ℃，出鋼后期向包內(nèi)加入石灰和螢石，SPCC鋼主要成分見表1。

1.2 取樣方法

本次試驗(yàn)主要研究RH真空精煉過程夾雜物演變機(jī)理，在RH深脫氧完成后開始取樣（即純脫氣時(shí)間），分別在深脫氧1 min、純脫氣3、6、9 min時(shí)在鋼包內(nèi)取提桶樣，設(shè)計(jì)不同時(shí)間下的取樣計(jì)劃見表2。

為了減小取樣過程試樣受鋼渣層的污染，確保試樣更具有代表性，按照取樣計(jì)劃，采用提桶樣的方式進(jìn)行取樣。取樣后，將試樣距底部10 mm處進(jìn)行切割，再取其中的1/4，將1/4試樣的上表面作為金相觀測(cè)面，鑲樣及拋磨后進(jìn)行ASPEX電鏡自動(dòng)掃描，試樣加工見圖2。

2 RH真空時(shí)間與鋼水潔凈度的關(guān)系

2.1 鋁脫氧后不同時(shí)間下的夾雜物種類

在RH自然脫碳完成時(shí)加鋁脫氧1 min后進(jìn)行取樣ASPEX分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），此時(shí)鋼中夾雜物主要為不規(guī)則形狀和簇群狀的Al2O3夾雜，且尺寸較大（見圖3）。

純脫氣3、6、9 min時(shí)取樣并進(jìn)行ASPEX分析。3個(gè)時(shí)刻夾雜物種類未發(fā)生明顯變化，主要為Al2O3夾雜（見圖4），整體形狀由簇群狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€(gè)夾雜，尺寸不斷減小。

2.2 鋁脫氧后不同時(shí)間的夾雜物尺寸及密度

從ASPEX電鏡自動(dòng)掃描來(lái)看，鋁脫氧1 min后，夾雜物數(shù)量較多，符合鋁脫氧后鋁系夾雜物增加的客觀規(guī)律，試驗(yàn)爐次過程相關(guān)參數(shù)見表3。3爐次脫氧后夾雜物數(shù)量偏差較大，一方面原因是脫碳結(jié)束后氧含量不同，另一方面因2403爐次吹氧升溫，鋼中夾雜物數(shù)量明顯高于其余2試驗(yàn)爐次。純脫氣3 min時(shí)夾雜物數(shù)量和密度呈明顯降低，說明夾雜物在鋼水循環(huán)過程中碰撞長(zhǎng)大并上浮，特別是大顆粒夾雜物的上浮，促使鋼水中夾雜物總量降低；純脫氣6 min試樣夾雜物數(shù)量達(dá)到最小，且尺寸基本小于5μm； 純脫氣

9 min后，夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，同時(shí)出現(xiàn)了個(gè)別Al-Mn-O-S類夾雜物（應(yīng)該是試樣在凝固時(shí)MnS以Al2O3為形核質(zhì)點(diǎn)析出的原因），掃描面積為25 mm2下的典型爐次夾雜物密度分布結(jié)果如圖5所示。

2.3 鋼中全氧含量與夾雜物隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖6為不同時(shí)間下鋼中全氧含量情況，整體來(lái)看，鋁脫氧1 min時(shí)鋼中氧含量仍然處于高位，說明大量脫氧產(chǎn)物仍然滯留在鋼水中；純脫氣

3 min時(shí)，鋼中氧已經(jīng)處于相對(duì)較低狀態(tài)，此時(shí)說明無(wú)論鋼中氧還是脫氧后的夾雜物均處于較好狀態(tài)；純脫氣6 min和9 min時(shí)，鋼中全氧含量總體變化不大，基本趨于穩(wěn)定。

結(jié)合圖5a～圖5c鋼中夾雜物分布及圖6不同真空時(shí)間下鋼中全氧含量檢測(cè)對(duì)比，說明鋼中全氧與夾雜物數(shù)量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，即全氧含量越高夾雜物數(shù)量越多，鋼中全氧含量與夾雜物數(shù)量的關(guān)系趨勢(shì)見圖7。

3 結(jié)論

以日照公司KR→BOF→RH→CC為工藝路線生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧低碳鋼為研究對(duì)象，分析了RH自然脫碳完成并加鋁脫氧后，不同RH真空時(shí)間下鋼中夾雜物的演變規(guī)律。

1）在轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧合金化工藝下，低碳鋼水經(jīng)過RH真空處理后用Al脫氧，夾雜物種類主要為Al2O3夾雜。夾雜物的形態(tài)由簇群狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€(gè)夾雜，并且尺寸不斷減小。

2）鋁脫氧1 min后，夾雜物數(shù)量多，與鋁脫氧后鋁系夾雜物增加的客觀規(guī)律對(duì)應(yīng)。純脫氣3 min時(shí)，夾雜物數(shù)量和密度明顯降低，說明夾雜物在鋼水循環(huán)過程中發(fā)生碰撞并長(zhǎng)大上浮，特別是大顆粒夾雜物的上浮，導(dǎo)致鋼水中夾雜物總量減少。純脫氣6 min后，試樣中夾雜物數(shù)量達(dá)到最小值，且尺寸基本小于5 μm。然而，純脫氣

9 min后，夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

3）鋼中的全氧含量與單位面積夾雜物數(shù)量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即全氧含量越高，夾雜物數(shù)量越多。對(duì)于采用KR→BOF→RH→CC工藝路線的轉(zhuǎn)爐出鋼不脫氧合金化的低碳鋼，在RH真空處理過程中，鋁脫氧后控制真空時(shí)間為6～

7 min， 可以使鋼水的潔凈度達(dá)到最佳狀態(tài)。