工業純鐵M6的RH真空脫碳工藝

田志國

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101)

超低碳鋼工業純鐵M6是一種電磁性能好的新型材料，廣泛用于電子電工、電器元件、磁性材料等產品[1]。從純鐵材質元素與電阻率關系圖表看，對導電性能影響大的元素有C、Si、Mn，常溫下影響材料導電性能的最重要的元素[2]是C。在工業生產時，因其化學成分要求碳含量在100×10-4%以下，因此選擇合適的冶煉工藝降低鋼種的C、Mn等元素含量，是滿足客戶對鋼材導電率要求的重要環節。大量經驗表明，應用RH真空精煉法進行真空脫碳，是生產工業純鐵等超低碳鋼的較好選擇，因此研究超低碳鋼M6的RH真空脫碳工藝是有必要的。

1 化學成分要求

根據客戶要求，工業純鐵的導電率≥16%，鋼中的主要元素是鐵，要求鋼中w[C]含量≤100×10-4%，w[Mn]含量≤800×10-4%，并要求其他元素越低越好。結合現有低碳工藝合理地設計鋼種成份，主要化學成份設計見表1。

表1 M6鋼的化學成份(%)

2 工藝流程和設備參數

2.1 工藝流程

從鋼廠的設備條件及冶煉工藝考慮，擬采用工藝流程如下：鐵水—120 t轉爐冶煉—120 tLF精煉—120 tRH真空脫碳—9#連鑄機(350×430 mm)—開坯軋制(150×150 mm)—高線軋制—成品檢驗—入庫。在這個工藝流程中，RH真空處理是關鍵工序。

2.2 RH爐主要設備參數

真空循環脫氣RH法，是利用空氣揚水泵的原理，利用氣泡將鋼水提升到真空室內進行脫氣、脫碳、去除夾雜等反應，在真空室處理完后的鋼水又回流到鋼包。我鋼廠RH爐主要設備參數見表2。

表2 RH爐主要設備參

3 RH精煉的脫碳理論分析

3.1 真空脫碳熱力學

在RH真空處理脫碳過程中，真空室內存在的三個反應位置分別是熔池表面、氬氣泡表面和熔池中。從真空脫碳的熱力學來分析，從鋼水中去碳、氧，是以壓力對化學反應的影響為基礎。當過程中有氣相參與，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。在RH進行真空脫碳時，[C]和[O]反應生成CO氣體，降低了真空中的CO分壓，使[C]和[O]的反應向生成CO氣體的方向進行。

[C]+[O]= { CO}

(1)

(2)

式(2) 中KCO與溫度的關系為:

(3)

當溫度為1600 ℃時，式(2) 可簡化為:

[C][O]= 0.0024PCO

(4)

式(4) 稱為Vacher-Hamilton 關系式，表示的是在不同壓力時，[C]和[O]之間的平衡關系，圖1 顯示了它們之間的定量關系。由圖1可看出，隨著氣相中Pco分壓的下降，氧的脫碳能力逐漸增大。從圖2可看出，真空度達到100 Pa、F[O]為250×10-4%左右，鋼中[C]可以控制在10×10-4%以下。RH真空脫碳是在真空狀態下進行的，改善真空脫碳的動力學條件，可以縮短脫碳時間，滿足煉鋼工藝時間的要求。理想的條件是[3]，初始[C]約為300×10- 4%、[O]約為600×10-4%，通過真空狀態下的自然脫碳[C]+[O]={ CO}，最終[C]小于20×10-4%，而相應的F[O]約為300×10-4%。

圖1 不同壓力下[C]、[O]平衡關系Fig.1 Equilibrium relationship of [C] and [O] under different pressures

圖2 高真空條件下[C]、[O]平衡關系Fig.2 Equilibrium relationship of [C] and [O] under high vacuum

3.2 真空脫碳動力學

前述3.1脫碳熱力學討論，提出了理想狀態反應平衡的數值。在實際生產中從脫碳的動力學角度分析，主要是研究多長時間能夠達到目標碳含量。要在最短的時間內達到接近理想的平衡值，首先要控制RH真空精煉環節的脫碳反應速度。在真空脫碳反應時，脫碳速度可用下式表達:

(5)

脫碳反應是溶解在鋼液中的碳和氧通過擴散邊界遷移到鋼液和氣相界面。由式(5)可知，真空脫碳反應的動力學影響因素有:(1)反應速度常數KC越大，反應越快；(2)A/V 越大，即幾何形狀越有利，反應越快；(3) [C]t與[C]e的差值越大，反應的推動力越大，反應越快。因脫碳過程中鋼水含較多的自由氧和較少的碳，限制性環節是擴散過程。CO氣相不會在鋼液中自發形核并長成氣泡從鋼液中排出，必須借助鋼液-氣相界面的氣體，如Ar氣泡或鋼液與耐材縫隙之間的氣泡，才能長大上浮[4]。

4 RH真空脫碳工藝控制要點

4.1 脫碳時間的控制

進入RH爐鋼水的w[O]控制在500×10-6～600×10-6，w[C]≤450×10-6，溫度1600±10 ℃，且其他成分符合內控要求。由于在有限的RH 處理時間內，既要完成脫碳，又要完成鋁脫氧及夾雜物的去除，RH真空爐的處理工位先預抽真空，縮短RH 處理周期。RH真空處理15±2 min后，碳含量可達到目標值，延長脫碳時間對達到脫碳目標影響不大。圖3，A為處理時間15 min,B為處理時間20 min,各取30組樣進行對比，二者差別不大。處理時間超過20 min的脫碳效果并不比處理15 min的好，脫碳甚至停滯。此時應當結束脫碳，為后續的夾雜物上浮、凈化鋼液創造條件。

4.2 驅動氣體的控制

氬氣作為驅動氣體是RH 爐鋼水循環的動力源，驅動氣體流量的大小直接影響鋼水循環狀態和真空脫碳效果。吹氬操作是RH爐真空脫碳處理過程的生命線，操作工要通過觀察鋼水反應情況進行吹氬流量的調節。在RH爐真空脫碳處理過程，碳氧反應過程會產生大量CO 氣體，可導致鋼水的噴濺。在RH 鋼水處理的前期，反應熱力學條件較好，采用較小的氬氣氣體流量，既能減少發生噴濺的概率，又能減少對耐火材料的浸蝕。經過實踐總結，我公司RH 爐驅動氣體控制方法是前期調節為50±5 m3/h，中期待平穩后調節到100±10 m3/h。冶煉后期如需加入脫氧劑或者鋼水進行升溫操作，則將驅動氣體調節為80±10 m3/h。

圖3 不同真空處理時間的對比Fig.3 Comparison of different vacuum treatment time

4.3 真空度的控制

真空度(壓降速率)是對真空脫碳速度影響極大的因素。因為真空室壓力快速的降低，降低了CO的分壓PCO，同時真空室的排氣速率加快，也降低了CO的分壓Pco，都能加快真空條件下的脫碳反應速度。通過觀察，真空壓力為67 Pa保持的時間在15±2 min，得到的碳含量滿足要求，而真空壓力為133 Pa保持同樣的時間，碳含量偏高。這說明保持67 Pa的極限真空時間有利于脫碳至極低水平。這要歸結為高真空度下PCO低，鋼液的循環加快，真空室中的攪拌能增加了，碳氧反應的動力學得到改善，可以顯著提高RH脫碳的速度。

4.4 補氧強制脫碳的控制

進入RH爐工位操作的鋼水碳高氧低時或者溫度較低時，需對鋼水進行補氧強制脫碳或升溫處理。采用強制脫碳爐次因前期的鋼水中碳含量相對較高，補氧或升溫操作不宜在5 min 前進行。供氧強度是補氧操作的重要工藝參數，若供氧強度低，氧氣射流攪拌力小，會導致吹氧耗時長、脫碳速度小，降低了氧氣的利用效率。補氧強制脫碳的供氧強調為0.18～0.20 m3·t-1·min-1，補氧量由經驗公式計算出來進行設定。

5 RH爐脫碳效果

5.1 成品w[C]檢測

在20爐工業純鐵M6的成品線材上隨機截取試樣，去除表面氧化鐵皮后進行鉆屑取粉末樣，按GB/T20123法檢測碳硫，實測鋼中的w[C]含量見圖4。經過測量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]為39×10-4%。

圖4 工業純鐵M6的w[C]含量Fig.4 w[C] content of industrial pure iron M6

5.2 成品電導率檢測

電阻越大，電導率越低，電導率的計算公式如(6)：

σ=0.017241÷R÷D1÷D2÷0.785÷Kt×100%

(6)

式中σ為電導率，單位%；R為實測1米線材電阻值，單位為Ω；D1、D2是所測量的線材不同位置直徑，單位為mm；Kt是溫度校正系數，根據現場測量溫度20 ℃，選定對應Kt為1.000。

在不同爐號的Φ6.5 mm規格盤條取樣進行測量。經過測量，結果見圖5，電導率最高16.49%，最低16.12%，平均電導率為16.29%，滿足用戶的需求。

圖5 工業純鐵M6的電導率(%)Fig.5 Conductivity of industrial pure iron M6 (%)

6 結論

(1)煉鋼采用轉爐-LF-RH-連鑄的工藝流程，RH真空脫碳的操作控制是重要環節。應用RH真空精煉法進行真空脫碳，成功生產出合格的超低碳鋼工業純鐵M6。

(2)RH真空脫碳工藝的真空壓力為67 Pa時真空處理時間為15±2 min，驅動氣體前期調節為50±5 m3/h，中期待平穩后調節到100±10 m3/h、補氧強制脫碳的供氧強調為0.18～0.20 m3·t-1·min-1。

(3)采用此RH真空脫碳工藝的效果好，實測鋼中的w[C]含量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]為39×10-4%；測量電導率，最高16.49%，最低16.12%，平均電導率為16.29%，產品性能滿足客戶的需求。