工业纯铁M6的RH真空脱碳工艺

田志国

(湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411101)

超低碳钢工业纯铁M6是一种电磁性能好的新型材料，广泛用于电子电工、电器元件、磁性材料等产品[1]。从纯铁材质元素与电阻率关系图表看，对导电性能影响大的元素有C、Si、Mn，常温下影响材料导电性能的最重要的元素[2]是C。在工业生产时，因其化学成分要求碳含量在100×10-4%以下，因此选择合适的冶炼工艺降低钢种的C、Mn等元素含量，是满足客户对钢材导电率要求的重要环节。大量经验表明，应用RH真空精炼法进行真空脱碳，是生产工业纯铁等超低碳钢的较好选择，因此研究超低碳钢M6的RH真空脱碳工艺是有必要的。

1 化学成分要求

根据客户要求，工业纯铁的导电率≥16%，钢中的主要元素是铁，要求钢中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。结合现有低碳工艺合理地设计钢种成份，主要化学成份设计见表1。

表1 M6钢的化学成份(%)

2 工艺流程和设备参数

2.1 工艺流程

从钢厂的设备条件及冶炼工艺考虑，拟采用工艺流程如下：铁水—120 t转炉冶炼—120 tLF精炼—120 tRH真空脱碳—9#连铸机(350×430 mm)—开坯轧制(150×150 mm)—高线轧制—成品检验—入库。在这个工艺流程中，RH真空处理是关键工序。

2.2 RH炉主要设备参数

真空循环脱气RH法，是利用空气扬水泵的原理，利用气泡将钢水提升到真空室内进行脱气、脱碳、去除夹杂等反应，在真空室处理完后的钢水又回流到钢包。我钢厂RH炉主要设备参数见表2。

表2 RH炉主要设备参

3 RH精炼的脱碳理论分析

3.1 真空脱碳热力学

在RH真空处理脱碳过程中，真空室内存在的三个反应位置分别是熔池表面、氩气泡表面和熔池中。从真空脱碳的热力学来分析，从钢水中去碳、氧，是以压力对化学反应的影响为基础。当过程中有气相参与，且反应生成物中的气体克分子数大于反应物气体克分子数时，才有可能引起反应平衡的移动。在RH进行真空脱碳时，[C]和[O]反应生成CO气体，降低了真空中的CO分压，使[C]和[O]的反应向生成CO气体的方向进行。

[C]+[O]= { CO}

(1)

(2)

式(2) 中KCO与温度的关系为:

(3)

当温度为1600 ℃时，式(2) 可简化为:

[C][O]= 0.0024PCO

(4)

式(4) 称为Vacher-Hamilton 关系式，表示的是在不同压力时，[C]和[O]之间的平衡关系，图1 显示了它们之间的定量关系。由图1可看出，随着气相中Pco分压的下降，氧的脱碳能力逐渐增大。从图2可看出，真空度达到100 Pa、F[O]为250×10-4%左右，钢中[C]可以控制在10×10-4%以下。RH真空脱碳是在真空状态下进行的，改善真空脱碳的动力学条件，可以缩短脱碳时间，满足炼钢工艺时间的要求。理想的条件是[3]，初始[C]约为300×10- 4%、[O]约为600×10-4%，通过真空状态下的自然脱碳[C]+[O]={ CO}，最终[C]小于20×10-4%，而相应的F[O]约为300×10-4%。

图1 不同压力下[C]、[O]平衡关系Fig.1 Equilibrium relationship of [C] and [O] under different pressures

图2 高真空条件下[C]、[O]平衡关系Fig.2 Equilibrium relationship of [C] and [O] under high vacuum

3.2 真空脱碳动力学

前述3.1脱碳热力学讨论，提出了理想状态反应平衡的数值。在实际生产中从脱碳的动力学角度分析，主要是研究多长时间能够达到目标碳含量。要在最短的时间内达到接近理想的平衡值，首先要控制RH真空精炼环节的脱碳反应速度。在真空脱碳反应时，脱碳速度可用下式表达:

(5)

脱碳反应是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。由式(5)可知，真空脱碳反应的动力学影响因素有:(1)反应速度常数KC越大，反应越快；(2)A/V 越大，即几何形状越有利，反应越快；(3) [C]t与[C]e的差值越大，反应的推动力越大，反应越快。因脱碳过程中钢水含较多的自由氧和较少的碳，限制性环节是扩散过程。CO气相不会在钢液中自发形核并长成气泡从钢液中排出，必须借助钢液-气相界面的气体，如Ar气泡或钢液与耐材缝隙之间的气泡，才能长大上浮[4]。

4 RH真空脱碳工艺控制要点

4.1 脱碳时间的控制

进入RH炉钢水的w[O]控制在500×10-6～600×10-6，w[C]≤450×10-6，温度1600±10 ℃，且其他成分符合内控要求。由于在有限的RH 处理时间内，既要完成脱碳，又要完成铝脱氧及夹杂物的去除，RH真空炉的处理工位先预抽真空，缩短RH 处理周期。RH真空处理15±2 min后，碳含量可达到目标值，延长脱碳时间对达到脱碳目标影响不大。图3，A为处理时间15 min,B为处理时间20 min,各取30组样进行对比，二者差别不大。处理时间超过20 min的脱碳效果并不比处理15 min的好，脱碳甚至停滞。此时应当结束脱碳，为后续的夹杂物上浮、净化钢液创造条件。

4.2 驱动气体的控制

氩气作为驱动气体是RH 炉钢水循环的动力源，驱动气体流量的大小直接影响钢水循环状态和真空脱碳效果。吹氩操作是RH炉真空脱碳处理过程的生命线，操作工要通过观察钢水反应情况进行吹氩流量的调节。在RH炉真空脱碳处理过程，碳氧反应过程会产生大量CO 气体，可导致钢水的喷溅。在RH 钢水处理的前期，反应热力学条件较好，采用较小的氩气气体流量，既能减少发生喷溅的概率，又能减少对耐火材料的浸蚀。经过实践总结，我公司RH 炉驱动气体控制方法是前期调节为50±5 m3/h，中期待平稳后调节到100±10 m3/h。冶炼后期如需加入脱氧剂或者钢水进行升温操作，则将驱动气体调节为80±10 m3/h。

图3 不同真空处理时间的对比Fig.3 Comparison of different vacuum treatment time

4.3 真空度的控制

真空度(压降速率)是对真空脱碳速度影响极大的因素。因为真空室压力快速的降低，降低了CO的分压PCO，同时真空室的排气速率加快，也降低了CO的分压Pco，都能加快真空条件下的脱碳反应速度。通过观察，真空压力为67 Pa保持的时间在15±2 min，得到的碳含量满足要求，而真空压力为133 Pa保持同样的时间，碳含量偏高。这说明保持67 Pa的极限真空时间有利于脱碳至极低水平。这要归结为高真空度下PCO低，钢液的循环加快，真空室中的搅拌能增加了，碳氧反应的动力学得到改善，可以显著提高RH脱碳的速度。

4.4 补氧强制脱碳的控制

进入RH炉工位操作的钢水碳高氧低时或者温度较低时，需对钢水进行补氧强制脱碳或升温处理。采用强制脱碳炉次因前期的钢水中碳含量相对较高，补氧或升温操作不宜在5 min 前进行。供氧强度是补氧操作的重要工艺参数，若供氧强度低，氧气射流搅拌力小，会导致吹氧耗时长、脱碳速度小，降低了氧气的利用效率。补氧强制脱碳的供氧强调为0.18～0.20 m3·t-1·min-1，补氧量由经验公式计算出来进行设定。

5 RH炉脱碳效果

5.1 成品w[C]检测

在20炉工业纯铁M6的成品线材上随机截取试样，去除表面氧化铁皮后进行钻屑取粉末样，按GB/T20123法检测碳硫，实测钢中的w[C]含量见图4。经过测量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]为39×10-4%。

图4 工业纯铁M6的w[C]含量Fig.4 w[C] content of industrial pure iron M6

5.2 成品电导率检测

电阻越大，电导率越低，电导率的计算公式如(6)：

σ=0.017241÷R÷D1÷D2÷0.785÷Kt×100%

(6)

式中σ为电导率，单位%；R为实测1米线材电阻值，单位为Ω；D1、D2是所测量的线材不同位置直径，单位为mm；Kt是温度校正系数，根据现场测量温度20 ℃，选定对应Kt为1.000。

在不同炉号的Φ6.5 mm规格盘条取样进行测量。经过测量，结果见图5，电导率最高16.49%，最低16.12%，平均电导率为16.29%，满足用户的需求。

图5 工业纯铁M6的电导率(%)Fig.5 Conductivity of industrial pure iron M6 (%)

6 结论

(1)炼钢采用转炉-LF-RH-连铸的工艺流程，RH真空脱碳的操作控制是重要环节。应用RH真空精炼法进行真空脱碳，成功生产出合格的超低碳钢工业纯铁M6。

(2)RH真空脱碳工艺的真空压力为67 Pa时真空处理时间为15±2 min，驱动气体前期调节为50±5 m3/h，中期待平稳后调节到100±10 m3/h、补氧强制脱碳的供氧强调为0.18～0.20 m3·t-1·min-1。

(3)采用此RH真空脱碳工艺的效果好，实测钢中的w[C]含量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]为39×10-4%；测量电导率，最高16.49%，最低16.12%，平均电导率为16.29%，产品性能满足客户的需求。