低碳钢RH轻处理工艺技术研究

张高峰，邹 虎，陆继欢

(芜湖新兴铸管有限责任公司,安徽 芜湖 214000)

1 引言

WX08 钢用于生产汽车发电机爪极，其成品碳含量目标要求0.05%以下。芜湖新兴炼钢流程采用“BOF-LF-CC”工艺生产WX08钢，该工艺需要转炉吹炼终点碳含量在0.03%以下方可放钢，存在的主要问题是：(1)钢水过氧化严重，对转炉炉衬侵蚀严重；(2)消耗大量铝脱氧合金，钢液中存在大量Al2O3夹杂物，容易导致产品B类夹杂物严重超标；(3)钢水碳含量较高，且波动幅度大。为了控制钢水的碳含量及提高钢水的洁净度，芜湖新兴定采用“BOF-RH-LF-CC”双精炼工艺生产低碳WX08钢，充分发挥 RH炉对钢水进行脱碳、LF 炉对钢水进行深脱硫的精炼功能[1-2]。

RH轻处理是在4-20 kPa低真空度下对成品碳含量在0.01%-0.05%范围内的低碳钢处理方法，此类钢出钢碳含量可以控制在0.05%-0.06%，从而降低钢水氧化性，提高转炉炉衬使用寿命和金属收得率[3]。以下对RH轻处理过程脱碳规律进行研究，旨在摸索工业生产过程RH进站钢水条件，提高RH处理效率，充分发挥快节奏生产的优势。

2 工艺介绍

2.1 WX08钢成分控制要求

WX08钢化学成分要求见表1。

2.2 RH炉设备基本参数

RH炉设备基本参数见表2。采用RH轻处理模式时，开启 3级或4 级真空泵，真空度分别为4 kPa、8 kPa。

3 RH真空脱碳过程分析

3.1 RH真空脱碳热力学分析

RH真空脱碳反应式为[4]：

[C]+[O]={CO}

(1)

(2)

式(2)中KCO与T的关系为：

(3)

当温度为1600 ℃时，由(2)、(3)式可得：

[%C][%O]=0.0024PCO

(4)

在RH真空条件下，[C]、[O]反应生成CO气体，由于降低了气相中CO的分压，使[C]和[O]的反应向着生成CO气体的方向进行。图1表示在1600 ℃时不同压力条件下，[C][O]之间的平衡关系。由图1可见，随着气相中一氧化碳分压下降，氧的脱碳能力逐步增大。RH 真空脱碳是在真空室压力很低、即在高真空状态下进行的。在实际生产中真空脱碳更重视动力学条件的改善，以缩短脱碳时间，满足炼钢整体生产节奏的需要。

3.2 RH真空脱碳动力学分析

RH真空脱碳是利用气泡泵原理使钢液在真空室和钢包之间产生循环流动，靠钢水中的氧在真空室中进行脱碳， 其中钢水碳含量[C]t通常按下式规律变化[5]：

w[C]t=w[C]o×exp(-Kc×t)

(5)

由式(5)变换可得

ln(w[C]o/ w[C]t)=Kc×t

(6)

式(6)中：[C]t—在t时刻的碳含量，%；[C]o—初始碳含量；t—脱碳时间；Kc—表面脱碳常数，1/min。

在真空脱碳过程中， 真空室内存在三个反应位置， 即熔池表面、 氩气泡表面和熔池中，全部反应由三个反应环节控制， 即由液相向气相界面传质、 在气液界面的反应、由气液界面向气相的传质， 三个控制环节决定了RH真空处理的脱碳速率。对于低碳钢的生产， 脱碳速率与钢水初始条件、 钢水容量、 循环流量、 真空室内真空度、钢水温度等因素有关，在其它条件不变的情况下，钢包初始氧浓度直接影响 RH脱碳速率[6-7]。在真空室压力迅速降低的过程中，随着提升气体流量增加，循环流量增加， 可提高脱碳速率。 钢水循环量的计算公式 (森辛治公式)[8]：

Q=114G1/3d4/3[ln(P0/P)]1/3

(7)

式(7)中： Q—环流量，t/min；G —环流气体流量，Nm3/min；d—插入管内径，m；P —槽内压力，kPa；Po—大气压，kPa。

4 分析与讨论

4.1 RH轻处理脱碳过程规律

对RH进站钢水及RH轻处理过程钢水每隔2分钟进行测温、取样及定氧，其结果见表3。从表3中可以看出，随着真空度下降，钢水[C]含量和[O]含量也不断下降。

由式(6)可以看出，在RH脱碳过程中，ln(w[C]0/w[C]t)与t具有线性关系，其斜率为Kc。对于RH轻处理工艺来讲，脱碳过程可以视为深脱碳工艺的脱碳前期，即可认为Kc为常数[9]。对RH轻处理过程ln(w[C]0/w[C]t)与t关系进行作图(见图2所示)，从图2中可以看出，ln(w[C]0/w[C]t)与t呈明显的线性关系，Kc值为0.1475 min-1。

RH轻处理脱碳目标是将钢水碳含量降低至0.03%左右，从而保证铸坯成分w(C)≤0.05%。将Kc=0.1475，w([C]t)=0.03代入式(6)，可得出RH轻处理最短脱碳时间tmin与进站碳含量w[C]0的关系为式(8)。

tmin=6.78ln(33.3w[C]0)

(8)

实际生产中，根据RH进站钢水成分，利用式(8)计算得到RH轻处理最短脱碳时间，从而指导生产岗位确定合适的脱碳时间。

4.2 RH前氧值对脱碳速率的影响

针对不同RH进站钢水氧值条件，分别对RH进站钢水及RH轻处理过程钢水每隔2分钟进行测温、取样及定氧，其结果见表4、表5。

从表4中可以看出，当RH前钢水氧值较低时，尽管通过延长抽真空时间至10 min及降低真空度至4 kPa，钢水碳含量仍降低有限，脱碳量仅为0.015%。从表5中可以看出，当RH前钢水氧值较高时，尽管钢水碳含量很低，但随着真空度的降低，钢水碳含量也不断下降，抽真空时间4 min后，脱碳量为0.017%。不同RH前氧值条件下，钢水[C]含量随真空处理时间变化规律见图3所示。

从图3中可以看出，在真空处理前4 min，RH前氧值为331 PPm时钢水脱碳速率最高，这是因为当RH前氧值偏低时，钢水[O]含量成为脱碳反应的限制性环节，当RH前氧值偏高时，钢水[C]含量成为脱碳反应的限制性环节。因此，为了提高RH轻处理脱碳效率，RH进站钢水[C]含量应控制在0.045%-0.065%，钢水[O]含量控制在300-500 PPm。

4.3 RH出站氧值对钢液洁净度的影响

钢水喂入铝线一方面进行合金化，另一方面对钢水进行脱氧，若反应生成的Al2O3不能完全上浮被钢渣吸附，就会成为钢液中主要的内生夹杂物。工业生产中通常用酸溶铝比值(w(Als)/w( Alt))来反应钢液的洁净度，其中w(Als)表示钢水酸溶铝含量，w( Alt)表示钢水全铝含量。w(Als)/w( Alt)比值越高，表明钢水纯净度越高，钢水中Al2O3夹杂物越少。

RH轻处理结束后，根据不同出站氧含量对钢水喂入不同量的铝线，钢水铝含量情况见表6所示。从表6中可以看出，RH出站时氧值越高，为达到与RH出站氧值低时喂铝线后的钢水铝含量，需增加铝线的喂入量，即RH出站时氧值越高铝合金的收得率低。另外，RH出站时氧值越高，w(Als)/w( Alt)比值越低，这表明钢液中Al2O3夹杂物含量越多，钢液洁净度相对较差。因此，为提高RH处理结束喂铝线后钢液洁净度，应降低RH出站时钢水[O]含量。工业生产中通常将w(Als)/w( Alt)比值控制在0.90以上，因此，RH出站时钢水[O]含量应控制在150 PPm以下。

5 工艺优化措施与效果

5.1 工艺优化措施

基于第4节分析RH前氧值对脱碳速率的影响及RH出站氧值对钢液洁净度的影响，有针对性提出工艺优化措施：

(1)转炉吹炼终点控制：吹炼终点C控制在0.04%-0.07%，终点温度控制在1660-1690 ℃，终点氧含量控制在400-700 PPm。

(2)转炉炉后控制：对于终点氧含量在700 ppm以下的炉次不加碳粉，终点氧含量700-800 ppm的炉次加13 kg碳粉，终点氧大于800 ppm的炉次加26 kg碳粉；出钢前中期分批加入200-300 kg白灰。

(3)RH炉轻处理控制：进站定氧测温后顶升起准备抽真空，目标氧含量300-500 PPm，脱0.01%碳需氧量约为130 ppm，吹氧时氧回收率按70%计算；轻处理模式只启动到三、四级真空泵，真空室压力在4.0-8.0 kPa范围内，抽真空时间不大于10 min。

(4)RH出站控制：真空处理结束后进行定氧测温，目标氧含量控制在150 PPm以下，在RH喂线平台喂入150-200 m铝线，钢水每增加100 PPm氧含量，多喂入100 m铝线。

5.2 应用效果

(1)转炉吹炼一倒[O]含量控制情况

RH-LF双精炼工艺及LF单精炼工艺生产WX08钢时转炉吹炼一倒[O]含量分布比例见图4所示。

从图4中可以看出，RH-LF双精炼工艺转炉吹炼一倒[O]含量80%分布在400-700 PPm；LF单精炼工艺转炉吹炼一倒[O]含量78%分布在700 PPm以上。RH-LF双精炼工艺生产WX08钢时降低了转炉吹炼终点氧含量，这有利于减轻过氧化钢水对转炉炉衬的侵蚀，延长转炉使用寿命。

(2)WX08钢轧材C、S含量及非金属夹杂物

RH-LF双精炼工艺及LF单精炼工艺生产WX08钢时成品C、S含量及非金属夹杂物统计见表7。

从表7中可以看出，采用RH-LF双精炼工艺时，成品C含量均在内控范围内，且成品硫含量相对较低；成品非金属夹杂物级别也相对降低，这表明RH-LF双精炼工艺有利于夹杂物的去除，从而提高钢液洁净度。

6 结论

(1)RH轻处理过程ln(w[C]0/w[C]t)与t具有线性关系，其斜率Kc为0.1475 min-1，根据RH进站钢水成分，可计算出理论最短脱碳时间。

(2)RH前氧值偏低或偏高时，RH轻处理过程脱碳反应均受到限制，为了提高RH轻处理脱碳效率，RH进站钢水[C]含量应控制在0.045%-0.065%，钢水[O]含量控制在300-500 PPm。

(3)RH出站时氧值越高铝合金的收得率越低，w(Als)/w( Alt)比值越低。为提高RH处理结束喂铝线后钢液洁净度，RH出站时钢水[O]含量应控制在150 PPm以下。

(4)根据研究结果有针对性提出工艺优化措施，工业实践表明，采用RH-LF双精炼工艺生产WX08钢时，降低了转炉吹炼终点氧含量，成品非金属夹杂物级别也相对降低。

参考文献：

[1] 沈昶，宋超. CSP批量生产超低碳钢的RH-LF双联工艺研究[J]. 钢铁，2008，43(5)：26-29.

[2] 郑文清，李玮. 承钢采用RH-LF双精炼工艺生产低碳钢的实践[J]. 冶金丛刊，2012，2(1)：40-43.

[3] 王敏，包燕平，崔衡，等. RH 轻处理与非轻处理工艺对比[C]//中国金属学会. 第十六届全国炼钢学术会议论文集. 深圳. 2010：198-201.

[4] 刘柏松，李本海，朱国森，等. 常规RH和RH-TOP工艺精炼IF钢试验研究[J].钢铁，2010，45(8)：33-36.

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