RH碳粉脫氧工藝技術(shù)研究

單 偉， 王 崇， 王雷川

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063200）

目前鋼鐵企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的生存壓力，低成本生產(chǎn)至關(guān)重要，是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，RH 爐作為低成本生產(chǎn)高品質(zhì)低碳鋼的重要手段，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)多家鋼廠(chǎng)廣泛應(yīng)用。在RH 真空室內(nèi)的低真空度條件下，使鋼水中的[C]和[O]發(fā)生反應(yīng)，富余氧使用鋁塊進(jìn)行完全脫氧，鋁塊耗量大，生產(chǎn)成本高，同時(shí)鋁脫氧產(chǎn)物上浮不凈殘留鋼中形成夾雜，降低鋼種質(zhì)量[1-2]。在煉鋼生產(chǎn)中，碳是最理想的脫氧劑，因?yàn)槠涿撗醍a(chǎn)物為CO 不會(huì)污染鋼液，而且在氣體逸出的過(guò)程中，可以有效去除鋼中的氣體和夾雜物，同時(shí)，利用相對(duì)廉價(jià)的碳粉對(duì)鋼液脫氧可降低精煉工序成本，本文針對(duì)RH 處理過(guò)程使用碳粉代替部分鋁塊進(jìn)行脫氧展開(kāi)研究[3-4]。

1 碳粉脫氧的優(yōu)勢(shì)

首先碳粉是最理想的脫氧劑。

其次現(xiàn)在RH 最常用的脫氧方式是用鋁脫氧，它的氧化產(chǎn)物是Al2O3，造成鋼水夾雜多，會(huì)使鑄機(jī)套眼。相反碳粉的脫氧產(chǎn)物是CO，它會(huì)隨抽真空氣體一起排走，不會(huì)影響鋼水質(zhì)量。

再次就是在成本上分析，40 kg 碳粉可替代40 kg金屬鋁脫氧100×10-6，同樣的質(zhì)量碳粉價(jià)格更便宜些。

2 碳粉脫氧的熱力學(xué)

據(jù)脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)方程：

其反應(yīng)平衡常數(shù)為：

當(dāng)鋼液中碳和氧的濃度很小時(shí)，fc和fo可以為1，則公式（2）變?yōu)椋?/p>

當(dāng)溫度一定時(shí)K 為常數(shù)，如Pco一定，則wc與wo之積為一定值。即在真空室內(nèi)，鋼液中的過(guò)剩的碳可與氧作用發(fā)生碳氧反應(yīng)，而使鋼液的氧變成CO 排除，這時(shí)碳在真空下成為脫氧劑，它的脫氧能力隨真空度的提高而增強(qiáng)。在爐外精煉常用的工作壓力下，碳的脫氧能力就超過(guò)了硅或鋁的脫氧能力。真空狀態(tài)下碳脫氧在氣-液相界面上，脫氧產(chǎn)物CO 能從液面上去除到氣相中，不會(huì)對(duì)鋼水造成夾雜物影響[5]。

3 RH碳粉脫氧的應(yīng)用

煉鋼生產(chǎn)的低鋁鎮(zhèn)靜鋼RH 進(jìn)站鋼水存在碳氧不匹配問(wèn)題，尤其是爐后碳含量比較低的情況下，進(jìn)站氧含量通常存在氧過(guò)剩的現(xiàn)象。在此情況下利用鋼水中的碳和加入碳粉輔助劑，可脫去部分過(guò)剩的氧，并使氣態(tài)脫氧產(chǎn)物從鋼水中排除。

在將碳粉加入RH 真空室的過(guò)程中，真控室內(nèi)反應(yīng)較為劇烈，所以采用先加入碳粉再抽真空的方式進(jìn)行操作[6-7]。

4 低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的RH 生產(chǎn)工藝介紹

某煉鋼廠(chǎng)RH 設(shè)備基本參數(shù)如下：鋼包容量300 t；浸漬管內(nèi)徑750 mm；5 級(jí)真空泵；最大抽氣能力1 250 kg/h；最大環(huán)流氣體流量為4 000 L/min；鋼液循環(huán)流量為239.5 t/min。處理低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)開(kāi)啟4 級(jí)真空泵，過(guò)程各階段的用時(shí)與環(huán)流氣體流量設(shè)定如表1 所示。

表1 低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的RH 生產(chǎn)工藝各階段時(shí)間與環(huán)流氣流量

5 RH碳粉脫氧方案及分析

5.1 碳粉脫氧方案

為降低RH 脫氧鋁耗，減少鋼中Al2O3夾雜物，提高鋼水潔凈度。開(kāi)展了碳脫氧工業(yè)試驗(yàn)。其主要的操作流程如圖1 所示。

圖1 RH 碳粉脫氧工藝流程圖

5.2 碳粉脫氧工藝終脫氧時(shí)氧含量

參與脫氧反應(yīng)的碳，包括原本鋼水中的碳和RH加入的碳粉，脫氧量取決于參與反應(yīng)的碳粉量。圖2為RH 碳粉脫氧量的直方圖，共計(jì)50 爐，平均脫氧量約100×10-6，即降低了RH 脫碳結(jié)束時(shí)鋼中氧含量100×10-6，平均每爐可降低鋁粒消耗40 kg，實(shí)際每爐消耗脫氧碳粉43 kg，噸鋼可以降低成本1.2 元。

圖2 RH 碳粉用量與脫氧量的關(guān)系

比較碳脫氧爐次碳氧反應(yīng)結(jié)束時(shí)鋼中理論氧含量和實(shí)際氧含量，碳氧反應(yīng)結(jié)束時(shí)鋼中實(shí)際氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與理論量差值的平均值為31.2×10-6，其中差值在±50×10-6范圍內(nèi)的爐次占比47%，考慮到RH 處理過(guò)程影響鋼中氧含量因素較多（冷鋼、鋼中C、碳氧反應(yīng)程度以及定氧是否準(zhǔn)確等因素），控制較好。經(jīng)過(guò)碳粉預(yù)脫氧，終脫氧前鋼中氧含量較常規(guī)冶煉爐次降低約150×10-6，最低可將鋼中氧脫至 50×10-6，不同工藝條件下終脫氧前鋼中氧含量對(duì)比如圖3。

圖3 碳粉預(yù)脫氧工藝與常規(guī)工藝終脫氧前氧含量對(duì)比

5.3 碳氧反應(yīng)與處理過(guò)程溫降的關(guān)系

試驗(yàn)前，考慮到該工藝溫降大（認(rèn)為兩方面原因：一是碳氧反應(yīng)劇烈導(dǎo)致鋼水翻騰、加劇鋼水與外界熱量傳遞；二是終脫氧前鋼中氧含量降低，減少了終脫氧時(shí)氧鋁反應(yīng)熱對(duì)鋼水的熱補(bǔ)償，為避免碳脫氧后鋼水溫低再進(jìn)行吹氧升溫，該試驗(yàn)選擇溫度（＞1 610 ℃）較高爐次進(jìn)行。

圖4 碳粉脫氧爐次的溫降速率

碳脫氧爐次脫碳階段溫降速率如圖4 所示，脫碳階段平均溫降速率為2.3 ℃/min。

圖5 常規(guī)爐次脫碳階段鋼液溫降速率

圖5 是未使用碳脫氧爐次脫碳階段溫降速率的直方圖，在RH 脫碳階段溫降速率平均值為2.4 ℃/min，對(duì)比兩種處理方式，使用碳粉預(yù)脫氧并未加劇RH處理過(guò)程的溫降。

6 RH碳粉脫氧工藝的潔凈度分析

根據(jù)ASPEX 夾雜物分析結(jié)果，針對(duì)采用碳脫氧爐次，5～10 μm、10～15 μm、＞15 μm 的及雜物數(shù)量密度均值分別為 85.4、6.7、2.4 個(gè)/100 mm2。未使用碳脫氧爐次的夾雜物數(shù)量密度分別為142.9、20.5、1.9 個(gè)/100 mm2。總體上有降低的趨勢(shì)。

圖6 使用、未使用碳粉脫氧爐次的夾雜物數(shù)量密度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出使用碳粉脫氧的夾雜物明顯少了很多，所以用碳粉脫氧工藝還是值得我們進(jìn)一步推廣。

7 存在的問(wèn)題-噴濺現(xiàn)象

在真空狀態(tài)下，碳與氧瞬間劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡，導(dǎo)致噴濺現(xiàn)象。會(huì)造成真空槽耐材侵蝕大、環(huán)流管堵塞、以及頂槍黏渣等現(xiàn)象，所以要合理控制環(huán)流及真空度來(lái)減小噴濺。

首先環(huán)流氣體是RH 鋼水循環(huán)的動(dòng)力源，環(huán)流氣體的大小直接影響鋼水循環(huán)狀態(tài)和脫碳效果，由于脫碳反應(yīng)產(chǎn)生大量的CO 氣體，必然會(huì)加劇鋼水的噴濺程度，因此前期應(yīng)該先調(diào)小，隨著[C]、[O]反應(yīng)的減弱而適當(dāng)增大。

其次控制碳粉加入時(shí)機(jī)，通過(guò)頂槍攝像頭對(duì)不同碳粉加入時(shí)間噴濺程度的觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)始真空處理前加入碳粉可有效降低鋼液的噴濺。

再次真空系統(tǒng)控制的好壞直接影響RH 真空脫碳時(shí)鋼水的噴濺程度，同時(shí)也直接關(guān)系到真空脫碳的速度，因此控制真空泵的原則是保證一定的脫碳速度，又要抑制過(guò)分的噴濺。所以脫碳前期要避免快速啟動(dòng)真空泵，抑制嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象，但在脫碳后期降壓來(lái)提高脫碳速率。

8 結(jié)論

1）針對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，RH 采用碳粉脫氧工藝，可實(shí)現(xiàn)40 kg 碳粉脫氧100×10-6,噸鋼節(jié)約成本1.2 元。

2）針對(duì)碳粉脫氧的爐次，脫碳階段平均溫降速率為2.3 ℃/min，與未采用碳粉脫氧爐次相比，溫降速率相當(dāng)。

3）針對(duì)采用碳粉脫氧爐次，5～10 μm、10～15 μm、＞15 μm 的及雜物數(shù)量密度均值分別為 85.4、6.7、2.4個(gè)/100 mm2。未使用碳粉脫氧爐次的夾雜物數(shù)量密度分別為 142.9、20.5、1.9 個(gè)/100 mm2。夾雜物數(shù)量密度總體上有降低趨勢(shì)。

4）但是RH 用碳脫氧還有一些不足，就是碳氧反應(yīng)瞬間產(chǎn)生大量CO 氣體，鋼水劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象，造成真空槽耐材侵蝕大、環(huán)流管堵塞、以及頂槍黏渣等現(xiàn)象，因此需要合理控制環(huán)流及真空度來(lái)減小噴濺。