RH冶煉超低碳鋼脫碳機理研究

楊建華

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北 唐山 063100）

Undervacum精煉技術(shù)RH誕生于20世紀50年代末。在過去的三十年中，HRS和煉鋼的功能不斷擴展，并逐步發(fā)展為多功能真空精制技術(shù)[1]。

1 RH脫碳理論分析

分析脫碳熱力學理論可知，真空條件下鋼鐵生產(chǎn)的脫碳和脫氧化是基于壓力對化學反應的影響。用以下公式來表示。

動力學脫碳分析主要研究達到平衡值所需的時間，即所需的目標碳含量。根據(jù)理論的一般定義,氣體和液體的脫碳率表達式（2）用下式表示：

在物料移動控制的情況下，a.8和V可定義為速度常數(shù)K。當壓力較低時，碳平衡效應較小，可忽略不計。因此，煉鋼的脫碳是用以下公式表示。

式（1）～（3）是自然真空脫碳的理論基礎(chǔ)。當強制脫碳需要氧氣時，應考慮氧氣輸入量和強度的影響。

2 RH脫碳工藝

2.1 脫碳熱力學

脫氧和脫碳是真空處理脫碳過程中密不可分的一體反應。區(qū)別在于真空脫氧依賴于碳，而脫碳則依賴于氧氣：

在1600℃時，低碳鋼和中碳鋼中w[O]與w[C]的比例平衡：

如果鋼中溶解的氧控制為2,5*10-3，則可在不同的一氧化碳分壓下計算平衡w[C]，如表2所示：

表2 不同的一氧化碳壓下的平衡w[C]

2.2 脫碳動力學

脫碳過程中的鋼鐵生產(chǎn)含有較多的游離氧和較少碳，因此CO氣在鋼鐵生產(chǎn)中不會形成氣泡，可從鋼鐵生產(chǎn)中排出。如AR氣泡、煉鋼和耐火材料之間的氣泡等在煉鋼氣相界面處的氣體，可能會向上浮動。因此，脫碳反應可以考慮如下。

（1）煉鋼中的溶解碳和氧通過擴散邊界移動到煉鋼和氣相之間的界面。

（2）在煉鋼的氣相界面發(fā)生化學反應，產(chǎn)生CO氣體。

（3）反應產(chǎn)物CO從相界面分離并進入氣相形成氣泡。

（4）CO氣泡生長浮游，從煉鋼中排出。

2.3 生產(chǎn)過程

生產(chǎn)工藝為：高爐－脫硫－轉(zhuǎn)爐－RH爐－連鑄。

3 RH生產(chǎn)過程的影響因素

RH工藝參數(shù)包括流速、循環(huán)次數(shù)、真空度、后處理時間等。這些決定了進入空室的鋼量，取鍋內(nèi)處理后和未處理的煉鋼的混合度、界限。碳-氧反應等。RH處理結(jié)束時的碳含量會產(chǎn)生決定性的影響[2,3]。

3.1 初始含碳量對脫碳的影響

初始碳含量越高，脫碳量越大。 但根據(jù)Vachef Hamitoh的理論分析，在一定溫度下，真空脫碳前鋼液中碳和氧濃度的乘積為常數(shù)，2,5*10-3至1600℃。假設(shè)在真空脫碳過程中，鋼液中的氧用于脫碳。根據(jù)碳氧化反應方程式，1600℃時的最大脫碳能力為。

由式（6）可知，只有鋼液初始含碳量較低時，才能大幅度降低含碳量。當鐵水中的碳在機械加工過程中通過脫碳反應被氧化，接近或等于鋼水中的碳規(guī)格范圍時，由于溫度和脫碳速度的限制，碳無法完全去除。必須增加鋼水的游離氧，以增加真空脫碳的效果。在實際生產(chǎn)中，RH脫碳后，鋼液中必須有游離氧才能保證脫碳效果。為減少轉(zhuǎn)爐上的負荷，轉(zhuǎn)爐末端的碳通常控制在（400’65374600）*10-6。如果脫碳氧氣不足，RH冶煉過程中必須進行補吹，鋼中游離氧越高，脫碳效果越好。

3.2 真空度對脫碳效果的影響

真空度不僅影響流速，還影響碳氧平衡的極限。根據(jù)碳氧反應式，在一定溫度下，共分壓和氧活度決定脫碳極限，真空度決定共分壓，真空度越高，最終的碳含量越低。

3.3 環(huán)流對脫碳的影響

循環(huán)流量是RH設(shè)備特性和過程中的一個重要參數(shù)，也直接關(guān)系到混合和混合功能。循環(huán)流量不僅與裝置有關(guān)，還與提升氣流、壓力、真空室真空度、激光內(nèi)徑等處理過程的工藝參數(shù)有關(guān)。為了便于分析，根據(jù)RH真空脫碳過程，可以將真空室中各種部件和鋼液分成兩個不同的領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1 真空室內(nèi)鋼液流動示意圖

（1）放大浸管的內(nèi)徑。擴大浸管的內(nèi)徑，浸管的橫截面積就會變大，從而增加了煉鋼的循環(huán)流。即使在驅(qū)動相同尺寸的氣流時，CO氣體也會擴散到氣泡內(nèi)，因此可能會產(chǎn)生大量氣泡和煉鋼，不僅區(qū)域①的相界面增加，熔融量也會增加。由于鋼在真空室內(nèi)飛散，區(qū)域②的相界面增加，循環(huán)流增加，脫碳速度必然加快。

（2）增加循環(huán)。提升氣體是真空處理RH中鋼鐵生產(chǎn)循環(huán)的驅(qū)動因素，提升氣體的流量直接影響鋼鐵生產(chǎn)循環(huán)和脫碳過程。然而，氣體增加對脫碳率的影響是復雜的，在一定范圍內(nèi)，供氣流量越多，氣泡越多，CO氣體向氣泡擴散越多。同時，飛濺變強，循環(huán)流量增加，鋼的流線速度增加，有助于①和②區(qū)域的脫碳。如果初始條件（如打撈管內(nèi)徑、真空度、初始熔化鋼的碳和氧等）相等或相似，則增加氣體流量將有助于提高脫碳速率。但是，當送風量增加到一定值時，氣泡內(nèi)的壓力遠高于熔鋼的表面張力和靜壓，氣體與熔鋼分離，上升管、熔鋼的循環(huán)流減少、飛沫量減少，上升管內(nèi)的相界面積減少，脫碳速度會下降[4]。

3.4 RH處理對鋼水中磷、硫含量的影響

脫硫需要還原氣氛，需要先脫氧再脫硫，在工藝上，應采用真空，減少爐渣中的FeO和MnO，從根本上減少氧源。因此，要嚴格堵渣，減少渣量，對鋼包渣進行改性，如果以下渣量過大，應清除渣。此外，RH處理中轉(zhuǎn)爐出鋼時，應不斷添加鋁顆粒等二氧化劑。脫硫還應選擇合理的廢鋼系統(tǒng)，以提高廢鋼的CS硫容量。從熱力學的角度來看，脫硫主要集中在高硫廢物系統(tǒng)的揮發(fā)和廢物的處理上。從動力學角度來看，有必要改善動力學條件，以促進鋼渣反應的平衡。脫硫的限制性鏈接一般認為是鋼中硫的擴散（硫含量低的情況）和爐渣中硫的移動（鋼中硫含量高的情況）。

在UR的初始階段，氧化作用較強，后續(xù)階段脫酸后的還原氣氛分別滿足變形和脫硫條件。不過后期因為有磷返回的可能性，RH應該更助長脫硫。如果不使用粉末溶射，則煉鋼中氧氣的質(zhì)量分數(shù)非常低，但是RH對脫磷和脫硫沒有很大影響。因此，除了RH的深部脫硫和粉塵去除之外，還需要注入脫硫劑。

3.5 從以上因素來看

（1）攻絲鋼時，為保持與RH脫碳相連的煉鋼純度，請減少脫氧劑的添加量。

（2）確認RH系統(tǒng)無漏氣。如果煉鋼[C]≤30x10-6，則保證足夠高的真空度，脫碳時間超過15分鐘，脫碳過程中不添加合金。

（3）燈的內(nèi)徑越大，RH真空處理的脫碳速度越快。適當增加RH脫銷流量，增加真空罐內(nèi)的熔鋼內(nèi)的Ar氣泡。增加煤氣，完成碳-氧反應，平衡碳-氧反應的相界面。

（4）處理后的保溫請使用無碳涂層劑。

（5）通過使用無碳鍋，可防止沙磚中含有的碳侵入到煉鋼中，增加煉鋼的碳含量。

（6）注入時，必須使用無碳精棒的摩登粉和無碳精棒的丹蒂絕緣劑，耐火物必須使用無碳的丹蒂。

4 UR脫碳過程的5個控制點

4.1 處理前鋼水狀況的評估及相應措施

處理前，必須根據(jù)鋼水溫度w[C]、w[O]和RH采取適當?shù)奶幚泶胧┨幚恚鐝娭泼撎?、自然脫碳和化學加熱等。自然脫碳利用鋼液中碳和溶解氧的反應來減少碳和氧。由于鋼中氧含量不足或碳含量過高，會發(fā)生強制脫碳。你需要用更高的槍吹氧以去除多余的碳。在1600年代，即使存在足夠的溶解氧，由于自然脫碳時間太長，強制脫碳也是必要的。判斷w[C]和溫度，即判斷是否首先脫碳和加熱。

4.2 回路流量控制

循環(huán)流量是RH治療的重要參數(shù)，圖2所示為循環(huán)氣體對一定真空下脫碳速度的影響。

圖2 環(huán)流氣體不同對脫碳速率的影響

流速對脫碳反應有重大影響，因此在鋼鐵生產(chǎn)過程中必須對其進行充分控制。在冶煉過程中，為確保在工藝中快速脫碳、脫酸和合金化，處理時間不同，循環(huán)氣體的要求也不同。

4.3 真空控制

（1）真空罐系統(tǒng)的損失對真空度有重大影響。在本項目中，真空系統(tǒng)的損失必須達到100 kg/h。最重要的是，生產(chǎn)超低碳鋼需要非常高的真空度，這將影響真空脫碳的時間和脫碳速率。

（2）在強制脫碳的初始階段，碳氧反應強烈，并保持真空。

（3）防止高真空下的飛沫。在脫碳的中期和后期階段，可以使整個泵運作來控制真空度。真空度低，促進快速的脫碳反應。為了便于w[H]，w[0]和w[n]的削減，必須確保更高的真空度。

4.4 合金添加控制

為提高合金的產(chǎn)量和組成精度，在脫碳和脫酸后添加其他合金元素，如費羅曼根、鐵羅鈦、鐵羅尼布等[5]。

4.5 合理的初始氧含量

不同的初期碳含量，有著一致的臨界初期氧含量。鋼的氧含量低于臨界氧含量時，脫碳速度會降低，RH端的碳會增加，該種情況下為強制脫碳可選擇灌入氧氣。當氧含量高于臨界氧含量時，氧含量對脫碳率幾乎沒有影響，因此在相同處理時間結(jié)束時，碳含量將受到影響，但脫碳結(jié)束時的氧含量會增加，需脫氧工作，延長處理時間，增加生產(chǎn)成本，影響鋼水質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文分析各種工藝參數(shù)對精煉工藝和效果的影響，同時分析了各種因素對碳氧反應RH的影響，找出強化脫碳反應的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，并滿足超低碳的質(zhì)量要求。