RH冶炼超低碳钢脱碳机理研究

杨建华

（唐山不锈钢有限责任公司，河北 唐山 063100）

Undervacum精炼技术RH诞生于20世纪50年代末。在过去的三十年中，HRS和炼钢的功能不断扩展，并逐步发展为多功能真空精制技术[1]。

1 RH脱碳理论分析

分析脱碳热力学理论可知，真空条件下钢铁生产的脱碳和脱氧化是基于压力对化学反应的影响。用以下公式来表示。

动力学脱碳分析主要研究达到平衡值所需的时间，即所需的目标碳含量。根据理论的一般定义,气体和液体的脱碳率表达式（2）用下式表示：

在物料移动控制的情况下，a.8和V可定义为速度常数K。当压力较低时，碳平衡效应较小，可忽略不计。因此，炼钢的脱碳是用以下公式表示。

式（1）～（3）是自然真空脱碳的理论基础。当强制脱碳需要氧气时，应考虑氧气输入量和强度的影响。

2 RH脱碳工艺

2.1 脱碳热力学

脱氧和脱碳是真空处理脱碳过程中密不可分的一体反应。区别在于真空脱氧依赖于碳，而脱碳则依赖于氧气：

在1600℃时，低碳钢和中碳钢中w[O]与w[C]的比例平衡：

如果钢中溶解的氧控制为2,5*10-3，则可在不同的一氧化碳分压下计算平衡w[C]，如表2所示：

表2 不同的一氧化碳压下的平衡w[C]

2.2 脱碳动力学

脱碳过程中的钢铁生产含有较多的游离氧和较少碳，因此CO气在钢铁生产中不会形成气泡，可从钢铁生产中排出。如AR气泡、炼钢和耐火材料之间的气泡等在炼钢气相界面处的气体，可能会向上浮动。因此，脱碳反应可以考虑如下。

（1）炼钢中的溶解碳和氧通过扩散边界移动到炼钢和气相之间的界面。

（2）在炼钢的气相界面发生化学反应，产生CO气体。

（3）反应产物CO从相界面分离并进入气相形成气泡。

（4）CO气泡生长浮游，从炼钢中排出。

2.3 生产过程

生产工艺为：高炉－脱硫－转炉－RH炉－连铸。

3 RH生产过程的影响因素

RH工艺参数包括流速、循环次数、真空度、后处理时间等。这些决定了进入空室的钢量，取锅内处理后和未处理的炼钢的混合度、界限。碳-氧反应等。RH处理结束时的碳含量会产生决定性的影响[2,3]。

3.1 初始含碳量对脱碳的影响

初始碳含量越高，脱碳量越大。 但根据Vachef Hamitoh的理论分析，在一定温度下，真空脱碳前钢液中碳和氧浓度的乘积为常数，2,5*10-3至1600℃。假设在真空脱碳过程中，钢液中的氧用于脱碳。根据碳氧化反应方程式，1600℃时的最大脱碳能力为。

由式（6）可知，只有钢液初始含碳量较低时，才能大幅度降低含碳量。当铁水中的碳在机械加工过程中通过脱碳反应被氧化，接近或等于钢水中的碳规格范围时，由于温度和脱碳速度的限制，碳无法完全去除。必须增加钢水的游离氧，以增加真空脱碳的效果。在实际生产中，RH脱碳后，钢液中必须有游离氧才能保证脱碳效果。为减少转炉上的负荷，转炉末端的碳通常控制在（400’65374600）*10-6。如果脱碳氧气不足，RH冶炼过程中必须进行补吹，钢中游离氧越高，脱碳效果越好。

3.2 真空度对脱碳效果的影响

真空度不仅影响流速，还影响碳氧平衡的极限。根据碳氧反应式，在一定温度下，共分压和氧活度决定脱碳极限，真空度决定共分压，真空度越高，最终的碳含量越低。

3.3 环流对脱碳的影响

循环流量是RH设备特性和过程中的一个重要参数，也直接关系到混合和混合功能。循环流量不仅与装置有关，还与提升气流、压力、真空室真空度、激光内径等处理过程的工艺参数有关。为了便于分析，根据RH真空脱碳过程，可以将真空室中各种部件和钢液分成两个不同的领域，如图1所示。

图1 真空室内钢液流动示意图

（1）放大浸管的内径。扩大浸管的内径，浸管的横截面积就会变大，从而增加了炼钢的循环流。即使在驱动相同尺寸的气流时，CO气体也会扩散到气泡内，因此可能会产生大量气泡和炼钢，不仅区域①的相界面增加，熔融量也会增加。由于钢在真空室内飞散，区域②的相界面增加，循环流增加，脱碳速度必然加快。

（2）增加循环。提升气体是真空处理RH中钢铁生产循环的驱动因素，提升气体的流量直接影响钢铁生产循环和脱碳过程。然而，气体增加对脱碳率的影响是复杂的，在一定范围内，供气流量越多，气泡越多，CO气体向气泡扩散越多。同时，飞溅变强，循环流量增加，钢的流线速度增加，有助于①和②区域的脱碳。如果初始条件（如打捞管内径、真空度、初始熔化钢的碳和氧等）相等或相似，则增加气体流量将有助于提高脱碳速率。但是，当送风量增加到一定值时，气泡内的压力远高于熔钢的表面张力和静压，气体与熔钢分离，上升管、熔钢的循环流减少、飞沫量减少，上升管内的相界面积减少，脱碳速度会下降[4]。

3.4 RH处理对钢水中磷、硫含量的影响

脱硫需要还原气氛，需要先脱氧再脱硫，在工艺上，应采用真空，减少炉渣中的FeO和MnO，从根本上减少氧源。因此，要严格堵渣，减少渣量，对钢包渣进行改性，如果以下渣量过大，应清除渣。此外，RH处理中转炉出钢时，应不断添加铝颗粒等二氧化剂。脱硫还应选择合理的废钢系统，以提高废钢的CS硫容量。从热力学的角度来看，脱硫主要集中在高硫废物系统的挥发和废物的处理上。从动力学角度来看，有必要改善动力学条件，以促进钢渣反应的平衡。脱硫的限制性链接一般认为是钢中硫的扩散（硫含量低的情况）和炉渣中硫的移动（钢中硫含量高的情况）。

在UR的初始阶段，氧化作用较强，后续阶段脱酸后的还原气氛分别满足变形和脱硫条件。不过后期因为有磷返回的可能性，RH应该更助长脱硫。如果不使用粉末溶射，则炼钢中氧气的质量分数非常低，但是RH对脱磷和脱硫没有很大影响。因此，除了RH的深部脱硫和粉尘去除之外，还需要注入脱硫剂。

3.5 从以上因素来看

（1）攻丝钢时，为保持与RH脱碳相连的炼钢纯度，请减少脱氧剂的添加量。

（2）确认RH系统无漏气。如果炼钢[C]≤30x10-6，则保证足够高的真空度，脱碳时间超过15分钟，脱碳过程中不添加合金。

（3）灯的内径越大，RH真空处理的脱碳速度越快。适当增加RH脱销流量，增加真空罐内的熔钢内的Ar气泡。增加煤气，完成碳-氧反应，平衡碳-氧反应的相界面。

（4）处理后的保温请使用无碳涂层剂。

（5）通过使用无碳锅，可防止沙砖中含有的碳侵入到炼钢中，增加炼钢的碳含量。

（6）注入时，必须使用无碳精棒的摩登粉和无碳精棒的丹蒂绝缘剂，耐火物必须使用无碳的丹蒂。

4 UR脱碳过程的5个控制点

4.1 处理前钢水状况的评估及相应措施

处理前，必须根据钢水温度w[C]、w[O]和RH采取适当的处理措施处理，如强制脱碳、自然脱碳和化学加热等。自然脱碳利用钢液中碳和溶解氧的反应来减少碳和氧。由于钢中氧含量不足或碳含量过高，会发生强制脱碳。你需要用更高的枪吹氧以去除多余的碳。在1600年代，即使存在足够的溶解氧，由于自然脱碳时间太长，强制脱碳也是必要的。判断w[C]和温度，即判断是否首先脱碳和加热。

4.2 回路流量控制

循环流量是RH治疗的重要参数，图2所示为循环气体对一定真空下脱碳速度的影响。

图2 环流气体不同对脱碳速率的影响

流速对脱碳反应有重大影响，因此在钢铁生产过程中必须对其进行充分控制。在冶炼过程中，为确保在工艺中快速脱碳、脱酸和合金化，处理时间不同，循环气体的要求也不同。

4.3 真空控制

（1）真空罐系统的损失对真空度有重大影响。在本项目中，真空系统的损失必须达到100 kg/h。最重要的是，生产超低碳钢需要非常高的真空度，这将影响真空脱碳的时间和脱碳速率。

（2）在强制脱碳的初始阶段，碳氧反应强烈，并保持真空。

（3）防止高真空下的飞沫。在脱碳的中期和后期阶段，可以使整个泵运作来控制真空度。真空度低，促进快速的脱碳反应。为了便于w[H]，w[0]和w[n]的削减，必须确保更高的真空度。

4.4 合金添加控制

为提高合金的产量和组成精度，在脱碳和脱酸后添加其他合金元素，如费罗曼根、铁罗钛、铁罗尼布等[5]。

4.5 合理的初始氧含量

不同的初期碳含量，有着一致的临界初期氧含量。钢的氧含量低于临界氧含量时，脱碳速度会降低，RH端的碳会增加，该种情况下为强制脱碳可选择灌入氧气。当氧含量高于临界氧含量时，氧含量对脱碳率几乎没有影响，因此在相同处理时间结束时，碳含量将受到影响，但脱碳结束时的氧含量会增加，需脱氧工作，延长处理时间，增加生产成本，影响钢水质量。

5 结语

本文分析各种工艺参数对精炼工艺和效果的影响，同时分析了各种因素对碳氧反应RH的影响，找出强化脱碳反应的最佳生产工艺参数，并满足超低碳的质量要求。