RH真空室在鋼水質(zhì)量控制中的問題與對(duì)策

呂志勇，邢維義，殷東明

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007）

RH是當(dāng)前精煉鋼水的重要設(shè)備之一，具備脫碳、脫氣、調(diào)整鋼水成分和溫度、去除夾雜物等功能。RH真空室各主要部位按其在爐外精煉中所具有的不同功能及位置分別稱為：插入管、環(huán)流管、底部槽、中部槽、熱頂蓋。RH處理過程的結(jié)渣和夾雜物去除問題均會(huì)影響鋼水質(zhì)量，許多冶金工作者做了相關(guān)研究［1-4］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡(jiǎn)稱“鲅魚圈”）有2臺(tái)RH爐，其精煉后的鋼水成分和溫度均不理想，本文對(duì)RH真空室控制鋼水質(zhì)量存在的主要問題進(jìn)行分析，并針對(duì)性地提出采取真空室吹掃、真空室涮洗、真空度測(cè)試等措施，應(yīng)用后顯著地提高了鋼水質(zhì)量。

1 問題的分析

RH真空室工作原理為：真空泵啟動(dòng)后，真空室壓力降到0.2 kPa以下。隨著真空室壓力的下降，鋼包中的鋼液沿著兩根插入管上升。向上升管吹入驅(qū)動(dòng)氣體，由于高溫和低壓的作用，氣體的膨脹功推動(dòng)鋼液在上升管中快速提升。當(dāng)鋼液離開上升管進(jìn)入真空室時(shí)，線速度可達(dá)5 m/s，因此鋼液呈噴泉狀進(jìn)入真空室，使反應(yīng)界面顯著增大，從而加速精煉過程［5］。鋼水經(jīng)下降管返回鋼包，通過若干次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)精煉功能。

1.1 影響鋼水成分因素分析

1.1.1 噴補(bǔ)料

RH常規(guī)配備為單工位雙真空室，單個(gè)真空室累計(jì)處理一定爐次鋼水后，插入管需要噴補(bǔ)維護(hù)，使用另一個(gè)真空室繼續(xù)生產(chǎn)。通常沾鋼時(shí)間累計(jì)達(dá)到200 min時(shí)維護(hù)一次插入管，噴補(bǔ)料的主要原料是鎂砂、聚磷酸鹽及其他結(jié)合劑，在鋼水沖刷下，噴補(bǔ)料進(jìn)入鋼水成為夾雜物的來源之一。RH真空室處理前后鋼水磷含量的差稱為回磷量，噴補(bǔ)后真空室處理第一罐鋼水稱為首罐，其他罐稱為過程罐。RH插入管噴補(bǔ)后，首罐和過程罐的回磷量對(duì)比見圖1。

圖1 RH插入管噴補(bǔ)后首罐和過程罐回磷量的對(duì)比Fig.1 Comparison of Rephosphorization Amount between First Ladle Car and Procwss Ladle Car after Repairing by Spraying of RH Insert Tube

由圖1可以看出，噴補(bǔ)后真空室首罐回磷量是過程罐的2倍以上，平均為8×10-6。檢測(cè)噴補(bǔ)料中P2O5含量為0.53%，平均每次噴補(bǔ)料用量為0.5 t，如果磷元素完全進(jìn)入鋼水，則回磷量達(dá)10×10-6。精煉過程中插入管損壞較嚴(yán)重時(shí)還要增加噴補(bǔ)料用量，這種情況下首罐的回磷量會(huì)更高。

RH真空室間歇使用，隨著RH真空室等待處理時(shí)間的增加，真空室內(nèi)氧化物逐漸增多。上工序搬出樣到RH搬出樣之間的Als損失稱為鋁損。統(tǒng)計(jì)RH真空室噴補(bǔ)后連續(xù)處理的罐次間鋁損的對(duì)比見圖2。

圖2 真空室各罐次鋁損的對(duì)比Fig.2 Comparision of Aluminum Loss in Vacuum Chamber for Each Ladle Car

如圖2所示，RH處理第1罐的鋁損是其他罐的2倍。因此，避免在RH真空室噴補(bǔ)后采用第1罐處理高潔凈度鋼水。

1.1.2 真空室烘烤

RH真空室的耐材溫度一般要求在900℃以上，鋼水溫度在1 600℃左右。當(dāng)RH真空室處理鋼水時(shí)，鋼水溫度大于真空室溫度，真空室溫度保持上升狀態(tài)。當(dāng)RH真空室不處理鋼水時(shí)，在線真空室使用頂槍烘烤保溫，待機(jī)位真空室使用烘烤器保溫。兩種烘烤的能源介質(zhì)均為煤氣和氧氣，煤氣流量分別控制在100～700 m3/h和100～200 m3/h，按溫度控制要求制作自動(dòng)烘烤曲線，具備保溫、提溫等功能。以在線頂槍烘烤為例，當(dāng)真空室溫度高于900℃，煤氣流量大于200 m3/h，烘烤20 min左右時(shí)，真空室內(nèi)鋼渣開始熔化成液態(tài)滴落。RH烘烤熔化鋼渣的化學(xué)成分見表1。由表1看到，渣中主要成分為TFe，其含量達(dá)到41.6%，同時(shí)，還含有大量的氧化物。當(dāng)鋼水進(jìn)入真空室內(nèi)循環(huán)，渣滴與鋼水反應(yīng)，導(dǎo)致鋼水中的氧化物增加，影響鋼水的潔凈度。

表1 RH烘烤熔化鋼渣的化學(xué)成分Table 1 Chemical Compositions （Mass Fraction）in Molten Steel Slag Baked by RH %

1.1.3 冷鋼

RH真空精煉處理鋼水過程中由于抽真空、碳氧反應(yīng)的影響，不可避免的發(fā)生噴濺，鋼渣粘結(jié)在真空室的中部槽和底部槽很難去除，同時(shí)鋼渣越結(jié)越厚，厚度可達(dá)1 m以上，嚴(yán)重時(shí)甚至完全堵住真空室內(nèi)部。RH加入的合金部分掉落在冷鋼上，降低了元素成分的控制精度。

經(jīng)檢驗(yàn)，冷鋼錳元素含量大約為1.5%，當(dāng)RH處理其他特殊鋼時(shí)，冷鋼熔化于鋼水中會(huì)造成鋼水成分超標(biāo)。使用同一真空室連續(xù)處理4罐鋼水，統(tǒng)計(jì)精煉過程錳元素的變化情況，結(jié)果如表2所示，隨著精煉的進(jìn)行，鋼水的增錳量逐漸降低，分析認(rèn)為是因?yàn)槔滗摬粩嗳廴脘撍敝寥咳コＲ虼耍婵帐覂?nèi)的冷鋼必須去除，否則鋼水中錳元素很容易超出控制標(biāo)準(zhǔn)。

表2 精煉過程錳元素的變化情況Table 2 Changes of Manganese Content during Refining Process

1.1.4 循環(huán)效果

RH吹入提升氣體驅(qū)動(dòng)鋼水循環(huán)，驅(qū)動(dòng)氣體量對(duì)鋼水循環(huán)效果影響較大。提升氣體流量根據(jù)鋼包容量設(shè)計(jì)，一般達(dá)到1～2 min時(shí)鋼水全部循環(huán)1次。鲅魚圈RH提升氣體分為兩路計(jì)量，每路8支氬管。當(dāng)插入管的氬管出氣口堵塞時(shí)，氬氣流量降低，這種情況容易辨識(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整。但當(dāng)插入管耐材內(nèi)的氬管斷裂，如圖3所示，氬氣流量不會(huì)發(fā)生變化，但是實(shí)際循環(huán)效果降低，容易造成成分不均勻或不達(dá)標(biāo)。

圖3 斷裂的插入管氬管Fig.3 Fractured Argon-filled Tube to Insert Tube

轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼，如果插入管循環(huán)不好，鋼水中的脫氧產(chǎn)物不能有效排出真空室，混合鋼渣形成渣球，掛在RH下降管一側(cè)，如圖4所示。檢驗(yàn)渣球含TFe為31%，渣球?qū)ο乱粻t鋼水會(huì)造成污染。

圖4 RH下降管內(nèi)的渣球Fig.4 Slag Ball in RH Downtake Tube

1.2 影響鋼水溫度因素分析

RH處理鋼水的主要冶金目的之一是調(diào)整鋼水溫度。處理重點(diǎn)鋼種之前調(diào)整真空室狀態(tài)對(duì)于溫度控制非常重要。在RH處理前期，需對(duì)鋼水溫降做出預(yù)測(cè)，預(yù)留充足的夾雜物上浮時(shí)間，避免后期升溫或加廢鋼。處理前期和處理結(jié)束分別測(cè)量鋼水溫度，去除添加物料對(duì)溫度的影響，溫度差值除以時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)定義為溫降速率。統(tǒng)計(jì)同一真空室連續(xù)生產(chǎn)罐次的溫降速率，結(jié)果見圖5。由圖5看出，RH真空室首罐的溫降速率最大，各爐間溫降速率差距最大達(dá)到0.18℃/min。而且為了促進(jìn)夾雜物上浮，真空處理后期不添加任何物料，循環(huán)時(shí)間達(dá)到20 min以上，所以溫度控制難度較大。

圖5 真空室生產(chǎn)中各罐次的溫降速率對(duì)比Fig.5 Comparison of Temperature Drop Rates of Molten Steel Treated by Vacuum Chamber for Each Ladle Car

2 采取的措施

2.1 提高鋼水潔凈度

RH真空室處理鋼種較復(fù)雜，針對(duì)特殊鋼種，需要提前調(diào)整真空室狀態(tài)，保證鋼水成分合格，避免對(duì)鋼水造成二次污染。結(jié)合生產(chǎn)工況，提出改進(jìn)措施。

2.1.1 吹掃RH真空室去除冷鋼

RH在線生產(chǎn)期間，吹掃真空室能夠去除冷鋼，RH配備頂槍使用焦?fàn)t煤氣和氧氣加熱真空室熔化冷鋼。RH不處理鋼水期間，先使用焦?fàn)t煤氣和氧氣混合加熱，真空室內(nèi)鋼渣成液滴掉落時(shí)，轉(zhuǎn)為單獨(dú)氧氣加熱。每次吹掃15 min，吹掃3～5次，可較快去除真空室內(nèi)的冷鋼。冷鋼熔化成液滴，沿插入管滴落形成“鋼溜”，鋼水罐進(jìn)站時(shí)容易刮壞插入管，因此，在最后一次吹掃時(shí)，降低頂槍槍位大流量加熱熔斷鋼溜。

2.1.2 涮洗RH真空室去除氧化物

涮洗RH真空室主要有兩個(gè)目的，一是涮洗冷鋼，二是清理真空室內(nèi)氧化物。確定涮洗冷鋼時(shí)，提前安排鋼種計(jì)劃，采用轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼，出鋼溫度和氧含量均偏高控制。圖6為真空室內(nèi)冷鋼涮洗前后的對(duì)比，涮洗后冷鋼脫落。冷鋼涮洗脫落和加廢鋼的降溫效果一樣，溫度損失為10～30℃。涮洗時(shí)要考慮冷鋼的增錳量，真空處理單項(xiàng)元素含量達(dá)到2%以上的鋼種，也需要用沸騰鋼涮洗，否則造成殘余元素超標(biāo)。由于真空室內(nèi)冷鋼是噴濺形成的，所以要高于常規(guī)鋼水的循環(huán)高度，涮洗時(shí)需要提升真空室內(nèi)鋼水高度，提升方式主要有三種：一是按深真空模式處理；二是加大提升氣體流量；三是前期碳氧反應(yīng)期加入增碳劑，增碳劑可顯著增加鋼水高度，但要適當(dāng)控制增碳劑加入量和頻次，以防止噴濺過大。

圖6 真空室內(nèi)冷鋼涮洗前后對(duì)比Fig.6 Comparison of Cold Molten Steel in Vacuum Chamber before and after Rinsing

涮洗真空室還能清理真空室內(nèi)的氧化物，避免對(duì)高潔凈度鋼種產(chǎn)生影響。隨著用戶對(duì)鋼材質(zhì)量要求的提升，有探傷要求的鋼種產(chǎn)量逐漸增多,此類鋼種都經(jīng)RH處理。通過跟蹤分析RH處理鋼的探傷圖譜認(rèn)為，探傷不合的主要原因在于夾雜物控制。因此，首先去除噴補(bǔ)料對(duì)鋼水潔凈度的影響，其次去除氧化性鋼渣對(duì)潔凈度的影響，不僅是真空室烘烤期間帶來的氧化物，還要處理沸騰鋼殘留在真空室底部的氧化性鋼渣。涮洗真空室一般采用轉(zhuǎn)爐鎮(zhèn)靜出鋼的鋼種，普通鎮(zhèn)靜鋼的頂渣TFe含量約5%，LF改質(zhì)后低于2%，優(yōu)先使用經(jīng)LF改質(zhì)的鋼種涮洗真空室，避免真空室對(duì)鋼水的二次污染。

2.1.3 檢測(cè)真空處理能力改善循環(huán)狀態(tài)

RH真空度測(cè)試是檢測(cè)真空處理能力的重要措施，一般分為冷試和熱試。不處理鋼水測(cè)試稱為冷試，用于測(cè)試真空泵能力。處理鋼水測(cè)試稱為熱試，可以檢測(cè)真空主閥之后的系統(tǒng)漏氣程度，還可以檢測(cè)插入管的循環(huán)情況。通過處理沸騰鋼檢驗(yàn)脫碳效果判定插入管的循環(huán)效果，沸騰鋼的出鋼碳含量約為0.04%～0.05%，RH真空主閥開啟后處理10 min一般小于0.006%。保持鋼中氧含量大于200×10-6，脫碳10 min取樣，如果碳含量大于常規(guī)值，即表明循環(huán)不好。在生產(chǎn)超低碳鋼和合金加入量大的鋼種前，必須檢驗(yàn)插入管的循環(huán)狀態(tài)。

2.2 調(diào)整鋼水溫度控制

安排真空室首罐處理其他鋼種之后，再處理重點(diǎn)鋼種。工藝路線為先LF后RH的重點(diǎn)鋼種，RH處理過程溫度調(diào)整范圍為0～10℃，真空室后續(xù)罐次的預(yù)測(cè)溫降比前期低4～6℃。結(jié)合處理過程溫降規(guī)律和生產(chǎn)組織時(shí)間確定合理的LF搬出溫度，減少RH調(diào)整溫度的次數(shù)。

3 取得的效果

采取上述措施后，鋼水溫度控制合格率由82%提高至95%以上。鋼水成分控制精度顯著提高，表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是合金收得率穩(wěn)定，合金能夠順利加入到真空室內(nèi)，真空室內(nèi)的氧化性氣氛大部分去除；二是避免冷鋼掉落，尤其是錳成分上限要求極為嚴(yán)格的鋼種；三是碳、氮元素控制嚴(yán)格的鋼種選用循環(huán)效果好的真空室后，碳、氮元素含量得到穩(wěn)定控制。鋼水成分控制合格率達(dá)到了100%。重點(diǎn)鋼種探傷合格率由90%提高至98%。

4 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部RH真空室使用過程中，由于結(jié)渣和夾雜物控制不理想影響了鋼水質(zhì)量。分析認(rèn)為，插入管噴補(bǔ)后回磷、真空室烘烤后氧化物增多、真空室鋼水噴濺形成冷鋼等均對(duì)鋼水質(zhì)量影響很大。采取了真空室吹掃去除冷鋼、真空室涮洗去除氧化物、檢測(cè)真空處理能力提高循環(huán)狀態(tài)等措施后，鋼水溫度控制合格率由82%提高到95%以上，鋼水成分合格率達(dá)到100%，重點(diǎn)鋼種探傷合格率由90%提高至98%。