RH生產(chǎn)超低碳鋼的關(guān)鍵控制技術(shù)研究

鄭萬任 （濟(jì)南鋼鐵股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

RH生產(chǎn)超低碳鋼的關(guān)鍵控制技術(shù)研究

鄭萬任 （濟(jì)南鋼鐵股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

目前鋼鐵行業(yè)采用中薄板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)超低碳深沖鋼有很多控制難點(diǎn)，針對濟(jì)鋼RH-ASP工藝路線生產(chǎn)超低碳深沖鋼的技術(shù)難題逐一進(jìn)行了分析研究。對鋼水可澆鑄性，碳、氧、氮的控制，提出了生產(chǎn)超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)要減少RH處理氧氣吹入量，造還原渣，保證純脫氣時(shí)間和對夾雜物改質(zhì)來提高鋼水的可澆注性，及保證超低的碳含量、合適的環(huán)流氣體量、鋼水中盡可能低的氧和硫等建議。

鑄坯 超低碳 澆注性 氧 氮 控制 技術(shù)

1 前言

隨著鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，要想在整個(gè)行業(yè)保持足夠的競爭力，占據(jù)一席之地，必須加大高附加值、高技術(shù)含量產(chǎn)品的生產(chǎn)，汽車面板用超低碳鋼作為當(dāng)前最先進(jìn)的鋼材產(chǎn)品之一，能否生產(chǎn)代表著一個(gè)鋼廠的生產(chǎn)技術(shù)水平。該系列產(chǎn)品對鋼水及連鑄坯潔凈度的要求非常高，不但要求良好的工藝控制，也要求先進(jìn)的冶煉設(shè)備，RH作為當(dāng)前鋼鐵行業(yè)最先進(jìn)的精煉設(shè)備之一，并且經(jīng)過多年的實(shí)踐，已經(jīng)成為冶煉此類鋼種的最佳選擇。但在用RH與中薄板坯連鑄連軋（ASP)工藝生產(chǎn)此類鋼種時(shí)，鋼水的可澆注性以及鋼中碳、氮、氧的控制一直是困擾很多鋼廠的一大難題，濟(jì)鋼也不例外。本文將結(jié)合大量資料及生產(chǎn)實(shí)踐，為濟(jì)鋼對該類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)攻關(guān)提供操作參考。

2 鋼水的可澆注性討論

水口堵塞的形成機(jī)理可分為四種情況[1]：鋼水中夾雜物的粘附、水口的負(fù)壓抽氣、水口耐材同鋼水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、水口上的冷凝鋼。實(shí)際生產(chǎn)中水口堵塞的成因往往不是單一的，并不容易準(zhǔn)確判定，但最常出現(xiàn)的是流經(jīng)水口的鋼水中夾雜物在水口壁上的粘附，這些夾雜物有多種來源：初煉和精煉過程中的脫氧產(chǎn)物;鋼水發(fā)生二次氧化產(chǎn)物;鋼包渣、中包渣卷入;鈣處理不當(dāng)產(chǎn)生的高熔點(diǎn)夾雜物等。由于我廠在冶煉超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼初期，鋼包水口也出現(xiàn)絮流，經(jīng)對粘結(jié)物進(jìn)行化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)其主要主要成分為Al2O3夾雜物單體（接近40%)。大量研究資料表明，懸浮的Al2O3夾雜物主要類型是塊狀的或群落狀的Al2O3和鈣鋁酸鹽等，要減少這類夾雜物，必須找出它們的來源和形成機(jī)理，從每一個(gè)環(huán)節(jié)防止和去除。結(jié)合RH生產(chǎn)工藝，減少Al2O3夾雜物的主要措施有以下幾方面。

2.1 減少RH處理時(shí)氧氣吹入量

吹氧過程隨著鋼水中氧含量的增加，渣中氧含量也越來越高，并在接下來的脫氧過程中逐漸向鋼水中傳氧，造成鋼水中酸熔鋁含量不穩(wěn)定，以至于出現(xiàn)在RH處理結(jié)束取樣時(shí)酸熔鋁含量正常，而在中間包取樣時(shí)有酸熔鋁含量極低的現(xiàn)象，見表1。

表1 澆注鋼水鋼水成分變化情況 /%

同時(shí)，由于真空狀態(tài)下吹氧的作用，主要是增加鋼中自由氧含量，強(qiáng)制脫碳和補(bǔ)償鋼水的溫度。所以，必須要求鋼水到達(dá)RH時(shí)有足夠的溫度和合適的自由氧含量。通過實(shí)踐總結(jié)，正常情況鋼水到站溫度應(yīng)保證在1 620℃～1 630℃之間，到站自由氧含量應(yīng)保證在 400×10-6以上。

2.2 造還原渣

因?yàn)樵械?FeO+MnO)會(huì)與鋼水中[Al]發(fā)生如下反應(yīng):

通過上述反應(yīng)渣中(FeO+MnO)實(shí)際成為了鋼水的外來氧源，導(dǎo)致脫氧效率降低和鋼水中氧含量難于降低，同時(shí)增加了鋁的消耗。為此，國內(nèi)外鋼廠廣泛采取嚴(yán)格的出鋼擋渣和鋼渣調(diào)質(zhì)處理,力爭把RH處理前鋼包渣中(FeO+MnO)%降到5%以下，一些廠家甚至要求小于2%[2]。這樣就能夠發(fā)揮RH的真空精煉作用，獲得高潔凈度鋼水。濟(jì)鋼通過增加LF造渣工藝，(FeO+MnO)%已達(dá)到2%以下水平，較大地提高了鋼水純凈度。濟(jì)鋼超低碳鋼渣成分見表2。

表2 超低碳鋼還原性渣成分

2.3 確定良好的吹氧時(shí)機(jī)和鋁脫氧劑加入時(shí)機(jī)

吹氧太晚或者脫氧劑加入太晚都可能造成脫氧產(chǎn)物沒有時(shí)間上浮而大量懸浮于鋼水中。按照我廠設(shè)備條件，外方專家建議鋼水循環(huán)4 min以后開始吹氧，脫碳結(jié)束立即加入鋁脫氧劑。

2.4 保證足夠的純脫氣時(shí)間

在純脫氣過程中夾雜物不受外來因素的干擾，可以通過鋼水的循環(huán)不斷聚集上浮。

3 鋼中[C]的控制

3.1 根據(jù)脫碳熱力學(xué)條件

式中:

KC——反應(yīng)平衡常數(shù);

p1——真空槽內(nèi)CO分壓，Pa;

a[C]——鋼水中[C]的活度;

a[O]——鋼水中[O]的活度;

在低碳含量時(shí)可以認(rèn)為a[C]＝[C]%，a[O]可以認(rèn)為是鋼水中的游離氧。

根據(jù)此式，初始碳在0.04%左右，自由氧含量500×10-6～600×10-6水平，要想快速脫掉鋼水中的碳，且達(dá)到鋼種要求的碳含量低于15×10-6以下水平，必須保證極限真空度在133 Pa以下[3]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于設(shè)備因素，必須保證合適的處理前溫度和足夠的富氧含量才能保證良好的脫碳效果。

3.2 根據(jù)脫碳動(dòng)力學(xué)條件

式中:

[C]t——在時(shí)間t時(shí)的碳含量，%;

[C]0——初始碳含量，%;

t——脫碳時(shí)間，min;

K——表觀脫碳常數(shù)，1/min。

式中：

Q——鋼水循環(huán)量，t/min;

W——鋼水質(zhì)量，t;

ρ——鋼水密度，g/cm2;

a——反應(yīng)界面積，cm2;

k——傳質(zhì)系數(shù)，cm/min;

ak——體積傳質(zhì)系數(shù)，cm3/min;

式中：

G——循環(huán)氣體流量，m3/min;

d——浸漬管內(nèi)徑;

p1、p2——分別表示大氣和真空槽內(nèi)的壓力Pa。

從以上各式可以看出，為了提高脫碳的表觀平衡常數(shù)，需要提高鋼水循環(huán)流量和傳質(zhì)系數(shù)，他們與環(huán)流氣體流量、反應(yīng)界面積、槽體和浸漬管尺寸、真空度和碳含量等因素有關(guān)。

除了以上熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的脫碳因素，還需要考慮真空槽內(nèi)冷鋼增碳;合金增碳;鋼包、中間包耐材增碳等，同時(shí)還要避免取樣污染。為達(dá)到良好的脫碳效果，必須在每個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)程執(zhí)行。目前濟(jì)鋼只能生產(chǎn)碳含量100×10-6鋼種，且生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，需要結(jié)合實(shí)際，對環(huán)流氣流量、脫碳工藝參數(shù)、設(shè)備條件、耐材質(zhì)量等進(jìn)一步優(yōu)化，爭取早日實(shí)現(xiàn)超低碳鋼的批量生產(chǎn)。

4 鋼中[O]、[N]的控制

在一般的煉鋼方法中，多采用向鋼水中加脫氧劑的方法，產(chǎn)生不溶于鋼液的脫氧產(chǎn)物而排除，但是這樣會(huì)造成部分脫氧產(chǎn)物殘留于鋼液中，有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響鋼水的質(zhì)量和性能。在RH精煉工藝中，在真空條件下，還可以通過降低CO的分壓來脫氧，從而避免產(chǎn)生大量殘留在鋼液中的脫氧產(chǎn)物。

4.1 鋼中[O]的控制

4.1.1 根據(jù)脫氧動(dòng)力學(xué)，增大脫氧效果和脫氧速率的最有效方法是增大傳質(zhì)系數(shù)和增大比表面積。在RH生產(chǎn)過程中，適當(dāng)增大氬氣流量，使鋼液的環(huán)流加快，不僅可以克服氣泡生核的困難，更重要的是氬氣泡帶動(dòng)鋼液流動(dòng)，從而使傳質(zhì)系數(shù)明顯提高，較大地節(jié)省冶煉時(shí)間并增強(qiáng)脫氧效果。根據(jù)脫氧的熱力學(xué)條件，在真空度小于1.013×104Pa時(shí)，碳的脫氧能力將超過硅;在真空度小于133 Pa時(shí)，碳的脫氧能力將超過鋁[2]，所以在冶煉超低碳鋼時(shí)，真空度應(yīng)盡快達(dá)到133 Pa以下，這樣在提高脫碳、脫氧效果的同時(shí)，也減少了脫氧鋁粒的加入量和夾雜物的產(chǎn)生。

4.1.2 濟(jì)鋼根據(jù)不同的鋼種，制定了相應(yīng)的生產(chǎn)工藝及操作規(guī)程，合理控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐出鋼下渣，并調(diào)整鋼渣成分，控制鋼渣中合理的w(CaO)/w(Al2O3)比值，增強(qiáng)鋼渣吸附夾雜物的能力。通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，當(dāng)前濟(jì)鋼RH生產(chǎn)鋼種成品T[O]控制達(dá)到理想水平。見表3。

表3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧與成品氧控制情況 /×10-6

4.2 鋼中[N]的控制

4.2.1 由于VD、RH等真空精煉設(shè)備脫氮率都不高，同時(shí)鋼水在轉(zhuǎn)爐出鋼、CAS精煉、LF精煉、CCM鋼水澆注過程都容易增氮。要控制好成品氮含量，必須從各個(gè)工序嚴(yán)格把握，轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)頂渣加入量和加入時(shí)機(jī)要合適，CAS精煉、LF精煉過程嚴(yán)禁鋼水大氬氣攪拌，同時(shí)控制好鋼水溫度，盡可能減少LF精煉加熱時(shí)間，鑄機(jī)澆注過程應(yīng)嚴(yán)格做好保護(hù)澆注，減少澆注過程增氮。濟(jì)鋼RH鋼水處理前后脫氮對比情況見表4。

表4 RH處理前后[N]含量的對比

4.2.2 從表4可以看出，RH脫氮的能力不穩(wěn)定，最高達(dá)到48.1%，最低時(shí)不到10%，平均為23.2%。據(jù)脫氮反應(yīng)的熱力學(xué)條件，當(dāng)氣相中氮的分壓達(dá)到100～200 Pa時(shí)，可以將氮脫到一定水平，但脫氮還與表面活性元素有很大關(guān)系，當(dāng)金屬熔體中含有與氮親和力較強(qiáng)的元素時(shí)，就會(huì)生成不溶于鋼水的氮化物上浮，這樣也可以達(dá)到一定的降氮效果。根據(jù)脫氮反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，吸氮和脫氮反應(yīng)速率與表面活性元素氧和硫有關(guān)，表面活性元素對氮的傳質(zhì)有阻礙作用，會(huì)降低氮的傳質(zhì)系數(shù)，當(dāng)表面活性元素很低時(shí)，脫氮反應(yīng)就會(huì)有效進(jìn)行。純凈鋼液吸氮反應(yīng)也很快，和大氣接觸時(shí)，很容易造成鋼液吸氮而污染鋼水，所以破空速度不能太慢，破空以后應(yīng)避免鋼水與大氣大量接觸。

5 結(jié)論

5.1 結(jié)合濟(jì)鋼當(dāng)前的生產(chǎn)工藝路線，生產(chǎn)超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)可以通過減少RH處理時(shí)氧氣吹入量;造還原渣;確定良好的吹氧時(shí)機(jī)和鋁脫氧劑加入時(shí)機(jī);保證足夠的純脫氣時(shí)間和對夾雜物進(jìn)行改質(zhì)等措施來提高鋼水的可澆注性。

5.2 要保證極低的碳含量，就必須保證良好的極限真空度（133 Pa以下);充分的自由氧和處理前溫度;足夠環(huán)流氣體流量。同時(shí)還要避免合金、鋼包和中間包耐材等增碳。

5.3 鋼中氧含量的控制除了加入足夠的脫氧劑外，還要要保證合適的環(huán)流氣體量和良好的真空度。

5.4 RH精煉環(huán)節(jié)脫氮能力不強(qiáng)，要提高RH的脫氮效果，必須保證鋼水中盡可能低的氧和硫，盡可能低的真空度，同時(shí)在各工序加強(qiáng)控制，避免鋼液從大氣中吸氮。

[1]曲英，萬天驥.物理化學(xué)和煉鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社.1984.

[2]周文英，周子華，區(qū)鐵.RH法的冶金反應(yīng)[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào).1999，S1（18)：371.

[3]劉中柱，蔡開科.LD-RH-CC工藝生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼清潔度的研究[J].鋼鐵.2001（36)：24-25.

Study on Critical Control Technique of Ultra-low Carbon Steel Production with RH

Zheng Wanren

At present,there are many control difficulties in producing ultra-low carbon deep-drawing steel by medium and thin slab caster in iron and steel industry.The paper analyzes and studies each technical problem in producing the above steel by RH-ASP process in Jigang.The author offers suggestions on steel castability and carbon,oxygen and nitrogen control of decreasing the oxygen injection rate of RH treatment,building reduction slag,improving liquid steel castability by keeping adequate real degassing time and modifying inclusion,and ensuring ultra-low carbon content,appropriate circulating gas flow rate and oxygen and sulfur content in liquid steel as low as possible.

slab,ultra-low carbon,castability,control,technique

（收稿 2010-05-26 責(zé)編 崔建華)

鄭萬任，畢業(yè)于北京科技大學(xué)冶金工程專業(yè)，現(xiàn)在濟(jì)南鋼鐵股份有限公司第三煉鋼廠從事冶金工程技術(shù)工作。