超低碳钢RH真空深脱碳模式的优化

邓 伟 杨新泉 李慕耘 肖邦志 唐树平 梁明强

(宝钢股份武钢有限炼钢厂 湖北 武汉：430080)

0 引言

随着汽车工业的不断发展，超低碳汽车板钢的需求量日益增大，用户对超低碳汽车板钢提出了越来越高的要求。武钢有限炼钢厂生产的M系列汽车板钢，属于IF钢。M系列汽车板钢要求极低的碳含量，成品[C]≤0.0020%，部分汽车外板钢要求成品[C]≤0.0010%，同时对汽车板钢纯净度要求极高。在生产中通过加入合金，IF钢获得低的屈服强度、高的伸长率、高的垂直塑性、高的硬化指数等[1]。M系列汽车板其工艺流程为：铁水脱硫→扒渣→转炉→AR→RH→CC→精整。RH处理的主要任务是深脱碳、脱氧合金化、脱气、去夹杂等。

由于在RH处理脱碳的前期，碳氧反应激烈，喷溅比较严重。为了防止喷溅堵塞合金溜槽、堵塞真空室顶部造成顶部结冷钢，启动真空泵的时间相对较晚。当真空度达到3kPa时，才开始启动增压泵，依次开启三级泵、二级泵、一级泵，每级增压泵开启后维持1 min左右，8-10 min内才可以到达极限真空133 Pa以下，极限真空度保持8 min以上，整个脱碳时间在18 min以上。这种操作模式耗时较长，而且真空脱碳期，钢水每循环1 min，降低温度2 ℃，循环时间越长，温降越大，热量损失导致温度不足，必须采用MFB顶枪对钢水吹氧，增加钢水中的游离氧，然后加台铝，使台铝与钢水中的游离氧反应放热使钢水升温。这种模式会使吹氧量增大，吹氧时间长，进一步延长了真空处理时间。同时吹氧量增大会使汽车板铝耗增大，增加了成本；铝和自由氧反应生产的产物也会增加，会使钢水中Al2O3夹杂物增多，对钢质造成不利影响。

针对上述脱碳模式所造成的一系列不利影响，通过深入研究真空脱碳原理，对RH真空脱碳工艺进行了优化。

1 设备简介

武钢有限炼钢厂三炼钢产线(以下简称三炼钢)从1996年投产以来，工艺技术不断改进创新，工艺制度不断完善优化，具备较强的品种开发能力，其铁水脱硫采用铁水罐喷吹Mg剂和KR脱硫法，主要生产设备包括：

(1)公称容量250 t氧气顶底复吹转炉3座；(2)炉后在线钢包底吹氩站3座；(3)RH真空脱气处理装置2套；LF钢包加热炉2台；(4)双流弧形板坯连铸机1台(230×1000～1600)；(5)双流直弧形板坯连铸机2台(230×1350～2150)。

三炼钢2#RH设备主要工艺参数如下：

(1)泵的抽气能力

目前，三炼钢2#RH通过设备改造后采用水循环泵，代替第五级辅助泵5EA及5EB，其极限真空度达到16 kPa，能够降低蒸汽消耗成本。相关参数如下：

抽气能力在66.7 Pa时为1200 kg/h；

抽气能力在8 kPa时为6200 kg/h；

蒸汽压力≥0.8 MPa(表压)；

蒸汽温度：为175-190 ℃；

蒸汽耗量≤44000 kg/h；

冷凝器冷却水压力：0.30 MPa；

冷却水耗量≤2200 m3/h；

真空泵系统的漏气量≤60 kg/h；

抽气时间：在预抽的条件下，由一个大气压降到67 Pa，时间≤3.0 min；

在未预抽的条件下，由一个大气压降到67 Pa，时间≤3.5 min；

(2)处理钢水量：250-280 t；

(3)插入管内径：上升管650 mm，下降管700 mm；

(4)极限真空度：27 Pa。

2 真空脱碳模式的优化

RH真空工艺处理过程主要分为：前期深脱碳，脱碳结束后加脱氧剂台铝进行强脱氧，加完台铝循环3 min使钢水脱氧完全，合金化依次加入锰铁、钛铁等合金，循环时间8-10 min。由于M系列汽车板对于钢水的纯净度要求非常高，脱氧合金化后的循环时间是影响钢水纯净度的最重要参数，必须严格把控不能缩短。因此，要在保证深脱碳效果、成品[C]成分合格的前提下，缩短RH真空深脱碳时间。

根据RH真空脱碳原理[2]及真空脱碳的热力学条件和动力学条件[3-4]，要提高脱碳速度，必须提高钢液中的碳和氧向气液相界面扩散的速度，同时也要提高碳氧反应生成CO离开相界面向气相扩散的速度。

2.1 采用真空泵系统预抽真空度模式

所谓真空泵系统预抽真空度模式，是指在真空生产的间隙，钢水还未进站的时候，开启真空泵系统进行预抽，使泵系统在等待的时间提前工作，可以使泵系统保持15 kPa的真空度。相对于之前的模式，钢水开始处理时泵系统真空度仅30 kPa的情况，大大节约了时间。同时为了提高预抽真空度的效率，进一步减少预抽真空度的时间，采取真空水循环泵+真空蒸汽喷射泵(拉瓦尔喷射管)的组合泵系统模式，其预抽时抽气能力提高30%。

影响真空预抽效果的一个重要因素是蒸汽压力低，蒸汽压力要求1.1 MPa以上，才能保证其抽真空的效果。三炼钢产线2#RH真空采用的是内网蒸汽，即从转炉吹炼时所产生的蒸汽回收供给2#RH真空使用，其蒸汽量、蒸汽压力能否稳定完全取决于转炉吹炼的情况，至少有2座转炉同时吹炼时，才能保证蒸汽量、蒸汽压力稳定供给。当转炉由于检修或其他生产原因影响，仅1座转炉或没有转炉吹炼时，就会导致蒸汽量、蒸汽压力供给不足。2#RH真空没有足够的蒸汽，就不能用蒸汽泵系统抽真空。采取真空水循环泵+真空蒸汽喷射泵(拉瓦尔喷射管)的组合泵系统模式，其最大的优势是，不受蒸汽压力的影响可快速实现预抽功能，达到预抽效果，可以完全避免上述等待的时间，提高了预抽真空度的效率。

2.2 钢水处理过程中三种脱碳模式的优化

之前的脱碳模式时间较长，通常在18 min以上，通过优化真空泵的启动时机提高抽真空效率 。真空开始处理时，由于前述已预抽真空度，开启真空主滑阀时，真空度下来的更快，效率更高。分为以下三种情况分别进行优化。

2.2.1 非顶枪吹氧自然脱碳模式

真空到站钢水温度及游离氧合格，即到站[C]≤0.040%，到站游离[O]≥600 ppm，到站温度≥1615 ℃的条件下，不需采用MFB顶枪吹氧，自然循环脱碳。模式1优化前后其真空度对比如图1。

图1 非顶枪吹氧自然脱碳模式操作模式对比

以前真空开始处理，先采取辅助泵抽真空的时间较长，平均处理6 min时才开启增压泵S3，维持1 min后依次开启增压泵S2、S1，平均到8 min时才能达到极限真空度0.133 kPa以下，有些炉次甚至到10 min左右才能达到极限真空度0.133 kPa以下，脱碳效率较低，时间较长，平均总脱碳时间18 min。优化后，前面通过预抽，及充分利用辅助泵抽真空，在真空处理3 min的时候启动增压泵S3，维持1 min后依次开启增压泵S2、S1，平均到5 min时能达到极限真空度0.133 kPa以下，并维持极限真空度8 min。在高真空度下能确保脱碳速率更快，平均脱碳时间可减少至13 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由图1可以看出，脱碳时间可以减少5 min，大大缩短了脱碳时间，提高了脱碳效率。

2.2.2 MFB顶枪吹氧强制脱碳模式

真空到站钢水碳高游离氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游离[O]≤600 ppm，需要MFB顶枪吹氧强制脱碳。模式2优化前后其真空度对比如图2。

图2 MFB顶枪吹氧强制脱碳模式真空度对比图

以前真空开始处理，先采取辅助泵抽真空的时间较长，处理3 min才开始采用MFB顶枪向钢水中吹氧来进行强制脱碳，MFB顶枪吹氧时机偏晚，平均处理8 min时才开启增压泵S3，维持1 min后依次开启增压泵S2、S1，平均到10 min时才能达到极限真空度0.133 kPa以下，有些炉次甚至到12 min左右才能达到极限真空度0.133 kPa以下，脱碳效率较低，时间较长，平均总脱碳时间18-20 min。

之所以处理3 min才开始采用MFB顶枪向钢水中吹氧来进行强制脱碳，是因为之前MFB顶枪枪位控制偏低，而RH真空脱碳的前期特点是碳氧反应激烈，喷溅比较严重，如果MFB顶枪的枪位控制偏低，容易造成喷溅的钢水将MFB顶枪粘连，甚至烧漏造成漏水，发生安全事故。

通过不断深入研究，摸索出最合适的枪位，将MFB顶枪吹氧强制脱碳的枪位由12700 mm提升至13500 mm，这样既确保MFB顶枪不被喷溅的钢水钢渣粘连，又可以保证强制吹氧脱碳的效果。

由于优化了MFB顶枪吹氧的枪位，将吹氧时机提前，在真空开始处理1 min内即可以采取MFB顶枪吹氧进行强制脱碳。相对于常规循环脱碳，采用MFB顶枪吹氧强制脱碳时，其动力学及热力学条件更优越，更利于快速脱碳。动力学条件优越是因为钢水的真空脱碳反应是一个气液两相反应，当MFB顶枪向真空室内吹入一定强度的氧气射流，增大了两相内物质的扩散系数，也增大了化学反应速度常数和平衡常数，而脱碳速率和这些系数、常数成正比，从而显著提高了脱碳速度。热力学条件更优越是因为真空脱碳反应[C]+[O]→CO，生成的CO气体在遇到MFB顶枪顶吹O2时，发生反应：2CO+O2→2CO2,属于氧化放热反应。CO二次燃烧放出大量的热量，使真空室中部形成高温区，这样会对真空室中部以及钢水补偿大量的热量，减少真空室温降，减少钢水循环的温降，进一步减少吹氧量，从而减少了吹氧时间，提高了脱碳效率。

采用MFB顶枪吹氧进行强制脱碳，与开始吹氧时机一样，其结束吹氧时机同样重要，决定吹氧结束时机的重要因素有：总吹氧量及吹氧氧气流速。

总吹氧量的确定：由转炉到RH钢水的起始碳含量和温度确定，吹氧量一方面满足脱碳需求，另一方面脱碳终点钢水有一定的氧含量，以满足合格的浇注温度。MFB吹氧量可以通过公式(1)确定。

F02={([C]始-[C]终)×1.33+[O]脱碳终点-

[O]0-[O]渣}/([O]理)×μ

(1)

式中：F02—吹氧量，Nm3/t·s；

[C]始—转炉到RH钢水的起始碳含量，ppm;

[C]终—RH脱碳终点钢水的碳含量，ppm;

[O]脱碳终点—RH脱碳终点钢水的氧含量，ppm;

[O]0—转炉到RH钢水的起始氧含量，ppm;

[O]渣—RH脱碳过程中钢渣及耐火材料向钢水传输氧含量，ppm。

这和钢包渣层厚度，钢水氧化性，耐材质量有关;

[O]理—向钢水每吹1 Nm3/t·s氧气，理论供氧量;

μ—吹氧收得率，和氧枪吹氧高度，喷枪类型等相关。

氧气流速的确定：同样和氧枪吹氧高度，喷枪类型有关。在进行深入研究后，优化了氧枪高度，在保证安全的情况下，提高吹氧氧气流速由1600 Nm3/h提高到1800 Nm3/h，提高氧气流速后，单位时间内的吹氧量提高，从而缩短了吹氧时间，提高了氧的收得率和利用效率。

优化后的真空泵启动模式是：在真空开始处理1 min内采取MFB顶枪吹氧进行强制脱碳，在真空处理5 min的时候启动增压泵S3，维持1 min后依次开启增压泵S2、S1，平均到7 min时能达到极限真空度0.133 kPa以下，并维持极限真空度8 min。在高真空度下能确保脱碳速率更快，平均脱碳时间可减少至15 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由图3可见，此种脱碳模式下脱碳时间同样可以减少5 min，大大缩短了脱碳时间，提高了脱碳效率。

2.2.3 MFB顶枪吹氧强制脱碳及吹氧升温模式

真空到站钢水温低氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游离[O]≤600 ppm，到站温度≤1615 ℃的条件下，需要采用MFB顶枪吹氧强制脱碳+吹氧加铝升温。模式3优化前后其真空度对比如图3。

图3 MFB顶枪吹氧强制脱碳及吹氧升温模式真空度对比图

在同样的到站温度条件下，改进的方面除了和前述模式2相同(提前采用MFB顶枪吹氧强制脱碳)外，通过深入研究，收集分析数据，精确计算强制脱碳及升温所需的总氧量，将吹氧强制脱碳和吹氧加铝升温两个步骤一次完成，杜绝了二次吹氧，节省了顶枪吹氧时间。同时，通过吹氧量动态调整升温所需的加铝量，在脱碳期间小批量加入台铝。

台铝加入量的确定原则，既要保证钢水中的游离氧含量满足深脱碳的要求(≥300 ppm)，即不能加入过量导致钢水过脱氧，又要满足加铝升温效率，即不能加入过少。而且加铝时机应在真空处理前期尽早加入，使铝氧反应产生的Al2O3夹杂通过真空钢水循环尽早上浮，提高汽车板钢水的纯净度。加铝量按下面计算式计算：

WAl=1.125×(初始氧含量%-目标氧含量%)*W钢* 1000/R*ηAl*W钢

(2)

式中：R─表示Al的收得率，%；W钢─表示钢水量，吨；ηAl─表示所加Al的铝纯度，%；

目标氧含量的控制范围为300 ppm-450 ppm。而初始氧含量的确认是一个难点。要实现动态控制，动态加铝升温，那么初始氧含量也是动态变化的。初始氧含量跟钢水到站游离氧值、到站碳含量、加铝时刻的吹氧量、氧气流速等等密切相关，需要进行科学研究。

MFB吹氧时钢水增氧量的确定：

采用MFB顶枪向钢水中吹1 Nm3的O2气,以钢水量270吨为例，如果氧全部进入钢水，能使钢水中增加的氧含量：

(0.032 kg/mol*1*103L)/(22.4 L/mol*270000 kg)=5.3*10-6

理论上可使钢水增加5.3 ppm的游离氧。但是，在实际生产过程中，并没有理论值那么高，原因是顶枪吹氧过程，氧气会被真空泵系统抽走一部分，会与产生的废气CO反应，CO二次燃烧会消耗一部分的氧气，MFB顶枪枪位的不同，氧气流速的不同，所增加的氧量也会不同。在经过大量的试验分析总结后，计算出氧收得率为56.6%。即采用MFB顶枪向钢水中吹1 Nm3的氧气实际增氧量为3 ppm。

2.3 真空脱碳模式优化后取得的效果

真空脱碳模式优化后，三炼钢产线2#RH生产M系列汽车板钢，真空平均脱碳时间由优化前的18.45 min降至13.53 min，平均脱碳时间缩短4.92 min(如图4)。优化前后钢水中碳含量的中位数均为0.0012%，碳含量水平基本相当。

图4 脱碳模式优化前后脱碳时间的对比

3 结论

(1)采用真空水循环泵+真空蒸汽喷射泵的组合泵系统模式预抽真空度，相比原脱碳模式，不受内网蒸汽压力的影响，其预抽时抽气能力提高30%。

(2)建立三种脱碳模式，即非顶枪吹氧自然脱碳模式、MFB顶枪吹氧强制脱碳模式，MFB顶枪吹氧强制脱碳及吹氧升温模式，优化工艺，可缩短超低碳钢真空脱碳时间4 min以上。

(3)真空脱碳模式优化前后对比，在缩短脱碳时间的情况下，钢水中碳含量水平基本相当。