IF鋼RH-MFB深脫碳技術研究

雷 輝

（攀鋼釩提釩煉鋼廠，四川 攀枝花617000）

1 前 言

RH（即真空循環脫氣）法是一種重要的爐外精煉方法，在優質鋼生產及鋼水二次精煉生產中獲得了廣泛應用，不僅提高鋼材質量，而且隨著最佳爐外精煉工藝的采用還提高了生產能力。

IF鋼即無間隙原子鋼，屬于新一代汽車用薄板鋼—超低碳鋼系列。近年來，國內廠家對IF鋼質量的要求日益提高，鋼水的純凈度較高，要求（［C］+［N］+［O］）＜100×10-6）。IF鋼中［C］越低，深沖性能越好，成品［C］≤0.003%是衡量IF鋼深沖性能的關鍵。因RH出站［C］偏高、鋼種混澆和換包、鋼包耐材含碳等因素，導致IF鋼成品［C］≤30×10-6的合格率與國內同行相比較低，其合格率僅為78.9%。為此，只有優化RH工藝操作，充分發揮好RH-MFB真空精煉技術，RH出站［C］達到更低的水平，才能進一步提高IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率，提高IF鋼質量［1-3］。

2 IF鋼生產工藝

2.1 化學成分

IF鋼化學成分標準及控制目標見表1。

表1 IF鋼化學成分控制目標%

2.2 技術裝備

IF鋼生產工藝流程:鐵水預處理→120 t頂底復吹轉爐提釩→120 t頂底復吹轉爐煉鋼→LF爐鋼水精煉→RH真空處理→200 mm×1 200 mm板坯連鑄→熱軋，該流程主要裝備及工藝參數見表2。

表2 主要設備及工藝參數

多功能頂槍（MFB）具有吹氧脫碳、鋁加熱及吹煤氣/氧氣燃燒加熱功能，主要由升降裝置、密封通道、點火燒嘴、MFB槍及廢氣排放裝置等組成，加熱速度60℃/h、行程8 000 mm。

2.3 生產工藝

在冶金過程中，應用真空技術，只有在過程中有氣相參加并且反應生成物中的氣體克分子數大于反應物氣體克分子數時，才有可能引起反應平衡的移動。RH-MFB吹氧脫碳主要是在自然脫碳（VCD）的基礎上，在真空處理開始期間，通過MFB槍向真空室內吹入適量的氧，加速脫碳反應的進行，從而達到脫碳的目的，進一步提高RH的脫碳能力。

3 生產工藝分析

RH真空脫碳時，［C］、［O］反應生成的CO氣體，降低真空室內CO分壓使［C］和［O］的反應向生成CO氣體的方向進行。RH真空精煉過程中，主要靠鋼水中的氧進行脫碳，脫碳反應方程式如下:

式中:［C］t為在時間t時的［C］含量，%；［C］0為初始［C］含量，%；T為脫碳時間，min；Kc為表觀脫碳常數，L/min；Q為鋼水循環流量，t/min；WL為鋼包鋼水量，t；ak為容量傳輸系數，m3/min；G為循環氣體流量，m3/min；D為插入管直徑，m；p1、p2為大氣和真空室內壓力，Pa。

根據RH脫碳基礎理論可知，要想在一定的真空處理時間內獲得較低的鋼液碳含量，可通過快速降低真空壓力、增大循環氣體流量、降低初始碳濃度、保證足夠的初始氧含量等方式實現。

3.1 真空度

IF鋼在RH處理的主要作用是真空脫碳，真空脫碳是通過在熔融金屬中溶解的氧與其內的碳反應，來減少碳的一種化學反應的真空精煉。在真空條件下，由于［C］、［O］反應非常激烈，產生的CO氣體很快被抽走，脫碳的同時也在脫氧，因此，RH真空脫氣的脫氧脫碳效果比較好。

RH處理時真空度對鋼水中碳含量有決定性影響，根據攀西地區大氣壓的實際與脫碳反應的熱力學方程可知:

式中:［C］、［O］分別為鋼水中碳、氧濃度，%；Pco為真空室內CO氣體分壓，即RH處理時的真空度。

從（6）式可知，在RH處理過程中，保持較高的真空度對脫碳是非常有利的，特別是在VCD后期。真空度與RH處理后碳含量的關系如圖1所示。由圖1分析，如不改變其他工藝參數，真空度必須降至300 Pa以下才能保證RH處理后的碳含量上限＜20×10-6。實際情況跟蹤證明，RH處理前期4～8 min，［C］、［O］反應達到峰值，廢氣中CO的濃度達到最高，是熱力學條件最好時期，但此時真空度為500～1 000 Pa，且12 min左右才能抽到200 Pa以下，影響脫碳效果及脫碳時間，導致脫碳效果較差。

圖1 真空度與RH處理后碳含量的關系

3.2 驅動氣體

氬氣作為驅動氣體從上升管吹入RH的真空室，是RH鋼液循環的動力源，吹氬流量的大小直接影響鋼液循環狀態和脫碳等冶金反應。脫碳過程中生成大量的CO氣體，吹氬流量與抽真空控制不當，必然加劇鋼水的噴濺程度；因此，在脫碳時吹氬流量應先調小，隨著［C］、［O］反應的減弱而適當增大，直到脫碳結束時達到所需吹氬流量。

驅動氣體流量工藝參數決定了鋼液在真空室內的循環流量［4］，其計算公式為:

式中:U為循環量，t/min；D為插入管直徑，cm；G為驅動氣體流量，NL/min；H為循環高度，cm。

真空處理開始前4 min驅動氣體流量為1 200 NL/min，主要是控制鋼液噴濺高度，之后到VCD結束，驅動氣體流量為1 500 NL/min，脫氧合金均勻化期間采用1 200 NL/min，但脫碳效果不佳。

3.3 吹氧脫碳

IF鋼RH處理過程中對6爐典型爐次每隔3 min連續取樣分析鋼水［C］含量的變化曲線，在脫碳前期，吹氧脫碳的［C］含量變化曲線比自然脫碳的［C］含量變化曲線要陡得多，吹氧脫碳爐次的平均表觀脫碳常數比自然脫碳爐次大，在脫碳前期吹氧，有利于加速脫碳反應進行，如圖2所示。

圖2 MFB吹氧對表觀脫碳常數的影響

結合轉爐出鋼實際，RH工序對轉爐出鋼提出［C］控制在（350～500）×10-6，［O］在（500～700）×10-6，但在實際生產中統計192爐，［C］合格率99.2%，［O］合格率僅86%，對［O］偏低爐次采用MFB槍進行強制吹氧脫碳，其成品［C］≤30×10-6合格率僅為50%。

3.4 鋁加熱

按照外方提供的程序及工藝，RH-MFB實施鋁加熱時，必須首先一次性從鋁旋轉給料器加鋁，然后再吹氧，利用外界吹入氧氣原理:

根據真空處理和合金燒損的特點，RH-MFB鋁加熱必須在真空脫氧和脫碳過程中進行，采取先加鋁粒，后進行吹氧的方式。開始時間為真空處理開始2～3 min進行，真空度100 mbar，驅動氣體流量控制在1 200 NL/min。11月鋁加熱6爐，成品［C］合格2爐，合格率33.33%，合格率較低，具體情況如表3所示。

表3 典型爐次鋁加熱情況

根據現場調研來看，吹30 Nm3的氧約升溫10℃，需59 kg鋁粒，純吹氧（MFB槍降到吹氧位，吹氧開始到結束）和加鋁粒時間共約為3 min。而此時進行鋁加熱操作，相當于延緩空室壓力的降低，導致脫碳速度減慢，對熱力學脫碳條件進行抑制。

提溫幅度越高，鋁加熱時間越長，由于諸多原因，鋼廠IF鋼節奏緊張爐次頻率高，鋁加熱爐次對延長VCD工藝時間有利，導致強脫碳效果較差。

4 工藝優化措施

4.1 提升壓降速度

循環流量與真空室內壓力的倒數呈正比，真空室內壓力維持在較高值就意味著鋼水循環流量維持在較低值；因此，提高抽氣速率可迅速降低真空室內壓力，不斷提高鋼液循環速率從而加速脫碳反應。通過改進真空泵系統，提高抽氣能力，6～8 min時真空度達到100～300 Pa，快速提升真空度對［C］、［O］反應很有利，RH脫碳效果明顯改善，如圖3所示。

圖3 不同壓降速度的抽氣時間對比

4.2 優化驅動氣體流量

在設備選型一定的前提下，要增大攪拌強度，唯一的選擇是增大驅動氣體流量。由氣泡泵的特性曲線可知，驅動氣體流量與鋼水循環流量即攪拌強度之間呈正態分布，即驅動氣體流量存在最佳值，如圖4所示。

圖4 氣泡泵特性曲線

如何找到驅動氣體流量的最佳值是提高碳合格率的關鍵，為此，固定其他工藝參數，僅將流量作為變量進行考察，先后采用3種流量的驅動氣體用量下典型爐次的脫碳效果，如表4所示?？梢钥闯?，驅動氣體選用1 700 NL/min脫碳效果較好。

表4 同條件生產IF鋼不同驅動氣體流量的脫碳效果比較

實踐表明，為了較好地控制劇烈噴濺又不影響RH脫碳，處理前8 min采用1 200 NL/min的循環氣體流量，8 min后升至1 700 NL/min，脫氧合金均勻化期間采用1 400 NL/min的流量是比較合適的。

4.3 推行吹氧脫碳

4.3.1 吹氧脫碳模型

根據前人研究結果［5］，本文假設:①RH裝置內的脫碳過程在真空槽內進行；②鋼包和真空室內鋼水混合均勻；③脫碳速率由C、O傳質控制。在上述假設條件下，由MFB槍將O2吹入鋼水時，鋼包和真空室內碳氧質量平衡及化學反應關系式為:

式中:W為RH處理鋼水重量，t；w為真空室中鋼水重量，t；C為鋼水中碳含量，10-6；O為鋼水中溶解氧，10-6；Q為環流量，t/min；M為原子量，g/mol；Pco*為氣相中CO分壓，atm；ρ為鋼水密度，t/Nm3；ak為容積系數（a為有效界面積，m2；k為物質傳遞系數，m/min；二者的乘積即為ak，因此ak代表真空室內碳或氧的反應速率。ako為脫氧容積系數；akc為脫碳容積系數），Nm3/min；下標L、V、S分別代表鋼包、真空室、反應界面；FO2為通過MFB管的O2的流速，Nm3/min；β為由MFB槍吹入鋼水的氧氣吸收率。一般來說，用于脫碳反應和溶解于鋼水的氧量占總吹入氧量的50%～80%。β的確定如下。

吹入鋼水氧的總重量如下式:

式中:Ow為吹入鋼水氧的總重量，t；To為吹氧時間，min。

根據試驗，每吹入1 Nm3氧鋼中自由氧增加（2.5～3）×10-6，可計算出β≈60%，因此模型計算時取β=60%。對IF鋼生產數據進行統計回歸分析，在RH脫碳過程中，根據［C］、［O］及熔渣供氧的情況下，制定出合理的吹氧脫碳模型如下:

式中:Mo為氧的摩爾質量；Mc為碳的摩爾質量；｛O｝渣為熔渣向鋼液供氧量；M鋼水為鋼水重量，t。

為此，制定了RH進站［C］、［O］與吹氧量對應關系表，以確保VCD結束時，達到較高的真空脫碳效果，且氧活度達到（200～400）×10-6。

4.3.2 優化吹氧脫碳時機

強制脫碳技術的關鍵在于吹氧時機和吹氧量的控制，吹氧過早不僅鋼液噴濺嚴重，而且也延緩空室壓力的降低，導致脫碳速度減慢；吹氧太遲不僅不能及時排出CO，而且也因鋼水缺氧無法進行脫碳反應，導致脫碳速度減慢。生產實踐表明，真空度達到10 000 Pa以后即5 min左右時為吹氧的最佳時機。

4.3.3 脫碳時間

根據吹氧脫碳所進行的試驗數據和控制參數來看，只要控制好RH脫碳期間各工藝參數，即使來鋼［C］含量比自然脫碳所要求高出0.01%～0.02%，通過MFB槍吹氧加速脫碳，同樣能生產成品［C］≤30×10-6的IF鋼，且處理時間并未延長，見表5。MFB槍吹氧脫碳工藝為攀鋼穩定生產IF鋼創造了有利條件。

表5 自然脫碳與吹氧脫碳時間對比min

從攀鋼對比結果來看，吹氧脫碳與自然脫碳相比，來鋼［C］含量可以放寬0.01%～0.02%，轉爐出鋼碳由原來常規RH［C］≤0.04%提高到［C］0.04%～0.06%；［0］范圍也要寬一些。

4.4 鋁加熱

4.4.1 鋁加熱時機

為了提高鋁加熱爐次碳的合格率，將鋁加熱時間從原來的處理初期調到處理開始5～6 min進行，并適當延長VCD工藝時間，取得了較好效果。7月鋁加熱共14爐，合格10爐，合格率為71.4%，比優化前提高了38.1%。

4.4.2 鋁加熱升溫高

根據生產情況及IF鋼節奏，RH-MFB真空處理應減少鋁化學升溫爐次，控制升溫范圍20～30℃，脫碳效果較好。

4.4.3 利用溶解氧［O］

鋁加熱的理論基礎是放熱反應，尤其是鋁與氧的放熱反應，不管氧是噴入的還是溶解于鋼液的，二者在本質上來說，其放熱效果是相同的。因此，根據RH處理的實際情況，鋁加熱所需的氧可以來自鋼水中的溶解氧，也可以來自RH-MFB噴吹入的氧氣。利用鋼水中的溶解氧［O］的原理:

由于攀鋼轉爐氧活度控制不太理想，使得到真空處理VCD后鋼水氧活度較高（200～500）×10-6。根據公式（17）可知，利用鋼水中的溶解氧來加熱鋼水技術上是可行的，而且針對鋼水氧活度較高的特點也是必須的。這樣不但節約鋁、碳等合金元素的消耗，更重要的是減少了RH-MFB吹氧的時間，縮短了整個RH-MFB鋁加熱時間，相應增加了Al2O3夾雜物上浮時間，有利于Al2O3夾雜物的充分上浮，同時有利于RH脫碳。

5 優化效果

RH-MFB真空設備不同的真空室壓力下脫碳曲線如圖5所示。實際操作表明，快速降低真空室的壓力能提高脫碳速度。通過對IF鋼RH-MFB脫碳工藝的優化，IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率顯著提高，穩定在90%以上，如圖6所示。

圖5 快速降壓前后的降碳曲線

6 結語

圖6 成品［C］合格率

通過快速提升真空度、優化驅動氣體流量、改進吹氧脫碳及鋁加熱等IF鋼RH-MFB脫碳工藝技術措施，實現IF鋼成品［C］≤30×10-6合格率達到90%目標，提升了IF鋼質量，為提高產品市場競爭力打下堅實基礎。針對RH-MFB裝備的特點，重點研究吹氧脫碳、鋁加熱對RH脫碳的影響，在充分結合攀鋼釩RH-MFB處理IF鋼的實際的基礎上進行優化，確保了RH生產順行，取得了明顯的效果。