本钢RH生产超低碳钢过程碳成分控制实践

来源：赵云珠 |浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]

摘要本文介绍了本钢炼钢厂几年来在生产IF钢过程中对于碳成分控制方面所做的探索和研究，总结出影响碳成分的主要因素和防止手段。实践表明，通过对原材料质量的严格控制和RH-TB脱碳等工艺操作的优化，IF钢成品碳成分趋于稳定。

关键词碳成分，IF钢，脱碳

随着超低碳冷轧薄板广泛应用于家用电器、电子、汽车等制造业以及用作镀层板的原料。这些部件对冷轧薄板的延展性和深冲性能有更高的要求，所以要求钢水中的ω(C)降低至小于20×10^-6或更低水平，这样近些年RH精炼法得到了广泛的应用和发展。本钢通过近几年的摸索研究也取得了一定的进步。

1 RH设备及参数

炼钢厂1#R H设备参数见表1。

2 R H脱碳工艺

2．1脱碳热力学

在真空状态下脱碳反应主要是[C] [O]→CO↑个其反应为平衡反应列式为：

KC＝P_CO／a_c*a_o＝P_CO／fc*[C％]*f_o [O％] (1)

在(1)式中平衡常数Kc在1600℃附近K_C值由下式表示

IgKc＝1160／T 2．003 (2)

由(2)式可以看出平衡常数Kc只与温度有关，而在1600℃附近时可近似认为Kc为定值，即使在高真空度下碳氧反平衡常数也是守常的，因此只要降低(1)式中Pco分压或提高钢水中[O]，即可达到降低钢水中碳含量目的，但钢水中[O]溶解度有限，因此降低Pco是较有效的方法。

2．2脱碳动力学

由于脱碳过程钢水中有较多的自由氧，而含有较少的碳，因此CO气相不会在钢液中自发形核，并长大成气泡从钢液中排出。因此碳氧反应生成的CO必须进入现成的钢液一气相界进行，如Ar气泡，或钢液与耐材缝隙之间气泡，才能长大上浮。

可以把脱碳反应看成是：

①溶解在钢液中的碳和氧通过扩散边界迁移到钢液和气相界面。

②在钢液一气相界面上进行化学元素反应生成CO气体。

③反应产物CO脱离相界面进入气体。

④CO气泡长大上浮，并通过钢液排出。

2．3 脱碳速率

在高温条件下，气液界面上化学反应速率很快，同时CO气体通过气泡内气体边界层的传质速率也比较快，所以可以认为，气泡内的CO气体与气液界面上钢中碳和氧的活度处于化学平衡，这样，脱碳速率就由钢液相边界层内碳和氧的扩散速率所控制。虽然碳在钢液中扩散系数比氧大(Dc＝2．0×10^-4Do＝2．6×10^-5)，但由于脱碳后期碳含量比氧含量少很多([C]为100－50 ppm[O]为500—200 ppm)因此碳原子向钢液气相界面的传递成为脱碳速率的限制环节，而在无强制供氧条件下，脱碳过程伴随着[O]的消耗，因此脱碳速率随着[C]含量的降低而下降，因此脱碳反应后期限需要较长的时间，较高真空度，较大的Ar气流量，使钢水中产生较多的气泡，增加气相界面．才能使反应继续进行．否则反应则达到平衡。

2．4 RH脱碳过程

RH处理是使钢包中钢水通过插入钢水中的带有驱动气体的上升管，根据气泡泵原理进入处于真空状态的真空罐内，并使钢水呈喷射状，由于重力因素，进入真空罐内钢水聚到真空罐底部，经过下降管流回钢包内的过程．在此过程中，由于真空罐内处于真空状态，钢水进入真空罐内其CO分压降低．根据脱碳热力学原理，钢水中的[C]和[O]剧烈反应生成CO气体并不断被真空泵抽走，使真空罐内CO分压始终处于极低状态，而不断进人真空罐内的钢水继续进行碳氧反应，直到反应达到平衡为止．

转炉冶炼后钢液中碳含量一般在0．04％，氧含量在0．05％，那么RH深脱碳过程一般分为三个阶段。

第一阶段钢液中的碳氧含量比较高，因此碳氧反应激烈，喷溅严重。[C]在前5min由300－500 ppm降到50一100ppm，在此阶段脱碳措施往往采取自然脱碳方式，禁止升温及强制脱碳。

第二阶段脱碳速度主要受到钢液中的氧含量的限制，若想加速深脱碳反应必须补充钢中氧含量，利用氧枪的吹氧加速C、O反映的速率，使碳最终达到20 ppm 以下，并调整温度到可保证连铸浇铸时的要求。此阶段需10－15 min。

第三阶段为脱氧及合金化，尽量保证一次合金化成功，以减少处理时间，为连浇创造条件。此阶段需要5－8min。

3 碳成分的控制工艺

3．1 转炉出钢的碳氧平衡

由于炼钢现有的两座RH一TB都具备顶枪吹氧强制脱碳的功能，转炉出钢的碳含量可以有所提高，但出钢碳含量控制过高，会造成RH脱碳时间过长及喷溅严重：碳含量控制过低，会加重转炉负担，加大对转炉炉衬的侵蚀，并易造成钢水过吹、钢渣中氧含量过高、钢水氮含量较高。因此，出钢碳、氧含量应该控制在一个较为适宜的范围。综合考虑，实际出钢[C]含量一般应控制在0．025％～0．050％，[O]含量一般应控制在0．060％～0．080％。

3．2 RH脱碳工艺的优化

3．2．1 脱碳反应的平衡

脱碳反应热力学平衡公式为：[C] [O]＝CO_（g_）。低碳钢钢水以无限稀溶液为标准态，1873 K时取fc＝1，f_o＝1，可整理出[％C]·[％O]＝0．0024Pco，当Pco降至133 Pa时，能得到[％C]≈0．0001的平衡碳浓度，实际要达到最低碳含量会受动力学因素限制，提高脱碳速率成为限制环节。

3．2．2 提高脱碳反应速率的方法

Kondo．][等假定钢包和真空室内钢水完全混匀，反应仅发生于真空室内，提出了脱碳表观速率常数为循环流量和体积传质系数的函数k＝Q′ak(C)／V(Q′ ak(C))。式中，Q′为循环流量，m³／min；ak(C)脱碳体积传质系数，m³／min。脱碳发生在混合控制区，提高反应效率要采取增大循环速率和体积传质系数的措施。对于实际生产来说，提高钢水的循环速率是一种较为有效的方法。

3．2．3 提高钢水循环速率所采取的措施

根据Kuwabara的研究，RH钢水的循环速率可以用以下的经验公式来表示：

可见，扩大RH插入管的内径、提高提升气体的流量、提高真空室反应区的真空度都可以达到增加钢水环流速度的目的。为此，我们采取了以下措施：

(1)提高提升气体的流量。

上升管提升气体的流量是RH处理钢水过程中一个重要的工艺参数。对于处理未脱氧钢水而言，提升气体流量不宜过大。在处理前期，钢水脱碳反应所产生的大量CO气泡会导致钢水的剧烈喷溅，且脱碳产生的CO气泡也起到提升气体的作用，过大的提升气体流量在处理前期废气量比较大的情况下会增加真空抽气系统的负担。为此，对于提升气体的流量在处理的不同阶段应该予以优化，在减少喷溅的前提下最大限度地提高钢水的循环速率。提升气体控制情况见图1。

(2)处理钢水真空压力的优化。

我厂RH设备的设计抽气能力是600 kg废气负荷下真空度为67 Pa．，抽气能力完全可以满足超低碳钢的处理。但是，在钢水处理前期，过快降低真空压力会使真空室内钢水剧烈喷溅，导致真空室内壁挂钢过多甚至造成合金料口堵塞。因此，对真空压力的下降速度必须采取适当的控制。通过采取大小泵切换，实现了真空压力有目的控制。脱碳中后期停止对于真空压力的控制，使真空压力快速降低，达到加快脱碳的目的。

(3)废气分析系统的应用

使用废气分析仪动态分析处理过程中钢水脱碳产生的废气中的CO％含量，根据经验曲线，辅助确定脱碳终点，有效控制脱碳效果。尤其对于进站钢水碳含量高于正常规定值的时候，合理延长脱碳时间很有必要。例如对超低碳钢，当脱碳末期，废气中的CO％达到0．2 ％以下时，钢中碳含量一般可以达到0．0025％以下。钢水脱碳时CO％变化与脱碳时间的变化关系见图2。

3．3 增碳量的控制

3．3．1 合金材料的含碳控制

IF钢所用的合金和有色材料种类不是很多，主要有金属锰、钛铁、铌铁和铝，这几种材料对于碳含量必须严格控制。

3．3．2耐火材料含碳成分的控制

相关的耐火材料使用低碳或无碳材料，尽量降低其中的碳含量，从而减少钢水增碳量，如钢水罐内衬使用铝镁砖；钢水罐长水13使用带有无碳内衬的无碳长水口；中包使用带有无碳内衬的无碳浸入式水13和无碳钢水覆盖剂；结晶器使用专用低碳保护渣等，通过测定，在使用无碳耐火材料之后，浇注过程中的系统增碳量可以稳定地控制在3 ppm以内。

3．3．3 减少真空室残钢

真空室内残钢如果挂的过多，会在处理超低碳期间突发性的掉落到真空室内钢水中，将造成钢水温降和脱碳后钢水增碳，甚至有可能造成改钢事故，以我厂的实际情况为例，钢包容量为175 t，如果残钢为碳含量0．06％的低碳铝镇静钢，那么每掉落一吨残钢会引起大约3．4 ppm的增碳量，这对于碳要求严格的IF钢是不能接受的。为此必须有效的控制真空室内残钢量。在实际生产中，通常采取两种办法，一是在处理IF钢之前，通过RH顶枪的高温烘烤功能，融化沾附在真空室内壁上的残钢和残渣，然后选择高温的低碳铝镇静钢进行真空室冲洗，并且要避免在RH进行吹氧铝升温。

4 RH生产过程工艺控制

4．1 处理前氧僵

通过图3处理前氧值分布情况可以看出，做为冶炼超低碳钢的钢水，到达精炼时钢中的氧值基本稳定在600－700 PPm左右。