张宗宁1,乐可襄2
(1.马鞍山钢铁股份有限公司第一钢轧总厂,安徽马鞍山243000;
2.安徽工业大学冶金与资源学院,安徽马鞍山243002)
摘 要:根据马鞍山钢铁公司2006年1~6月低碳钢实际生产数据,计算并分析了RH的循环流量、循环系数对处理终点钢中碳含量的影响,分析得出,为了达到处理终点钢中w(C)<0.005%,循环系数需要大于4,最小处理时间为13.32min。生产发现炉渣改性后,RH-KTB喷粉具有一定的脱硫能力。
关键词:RH;超低碳钢;循环系数;循环流量
中图分类号:TF769.4 文献标识码:B 文章编号:1002-1043(2007)05-0009-04
Practice in production of extra-low carbon steel by RH treatment
ZHANG Zong-ning1, YUE Ke-xiang2
(1.NO.1Steelworks of Ma'anshan Iron & Steel Co., Ltd, Ma'anshan243000, China;
2. Metallurgy and Resource School of Anhui University of
Technology,Ma'anshan243002, China)
Abstract:According to the low carbon steel production data acquired in the practical production in Ma'anshan Iron & Steel Works from January to June 2006 the RH circulation flow and circulation coefficient are calculated and their effects on end point carbon content analyzed as well. Analytical results show that finalw(C) shall be less than0.005%, circulation factor greater than4and the minimum treatment time 13.32 minutes. In the meanwhile it's found out that the modified slag of LD,RH-KTB is in possession of certain desulphurizing capacity.
Key words:RH; extra-low carbon steel; circulation coefficient; circulation flow
RH真空精炼技术产生于20世纪50年代末期,近30年的时间里,RH的功能和精炼的钢种范围不断扩大,发展成为多功能真空精炼技术,在炉外精炼中占主导地位。马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称为马钢)2003年10月CSP投产,2004年2月冷轧厂投产,为了生产高质量的深冲板,以及IF钢、电工钢等超低碳钢,2004年6月马钢一钢厂建成并投产一座120t的RH-KTB真空处理装置。
1 RH生产超低碳钢的工艺和设备
马钢的RH主要用来生产终点w(C)<80×10-6的IF钢、无取向电工钢和冷轧深冲板等超低碳钢种。采用的生产工艺流程为:铁水预处理→顶底复吹转炉→RH→(LF)→CSP连铸连轧。对于低碳钢RH采用轻处理工艺,转炉不脱氧出钢。
RH处理容量为105~130t,上升管内径为500mm,下降管内径为500mm,提升气体为氩气,采用12个喷嘴分两层供气,最大氩气流量为120m3/h,工作真空度为67Pa,极限真空度为20Pa,顶枪加热速度为60℃/h。
2 RH生产超低碳钢的冶金效果
马钢的超低碳钢大部分为冲压用SPHD超低碳钢,要求w(C)<0.01%。从马钢2006年1~6月RH生产数据(部分数据见表1)可以看出,处理时间在10~36min之间,生产实际最低真空度为0.1kPa,最高为23kPa,提升气体Ar流量为72~120m3/t,RH-KTB脱碳不一定吹氧。转炉出钢w(C)=0.013%~0.060%,经过RH处理后终点w(C)=(28~190)×10-6,而终点w(C)>0.010%的仅占7.6%,处理后碳含量满足SPHD超低碳钢对碳的要求。
3 工艺参数对RH终点碳含量的影响
RH工艺参数有循环流量、循环次数、真空度、处理时间等,它们决定了进入真空室的钢水量,钢包内处理和未处理钢水的混匀程度,碳氧反应的限度等,对RH处理终点碳含量有决定性的影响。
3.1 循环系数对终点碳的影响
循环流量是RH设备特性和工艺中的重要参数,也直接与搅拌和混合功能相关。循环流量不仅与设备有关还与处理过程的各工艺参数有关,其中工艺参数包括提升气体流量及其压力、真空室真空度和上升管内径等。
区铁等研究表明,在对数平均压力不守恒时循环流量Q的计算公式为式(1)[1,2]。
式(1)中,a=3.179;G为提升气体流量,L/min;D为上升管内径,m;P1为提升气体压力,kPa;P2为真空室真空度,kPa。
循环流量仅表示了每分钟内进入真空室的钢水量,对脱碳效果有决定影响的是循环次数,循环系数u的计算公式见式(2)[1]。
为了方便分析,把脱碳吹氧和不吹氧的分开处理。用实际生产数据带入上面两式计算,并对终点碳含量作图,见图1。
计算结果表明,马钢生产SPHD低碳钢时循环流量在13.72~32.02t/min,而循环系数在1.96~7.33之间。由于RH的蒸汽压和提升气体的波动,导致循环流量和循环系数波动较大,但是处理终点w(C)都在0.018%以下,满足钢种碳含量的要求。
从图1可以看出,脱碳不吹氧时,处理终点碳含量在循环系数小于3.8时波动较大。从马钢2006年1~6月的实际生产数据找出最小真空度为0.1kPa,最大氩气流量为120m3/h,供气最大压力为2.17MPa,用这些极值工艺参数计算最大循环流量为34.23t/min。所以要稳定达到处理终点w(C)=0.005%,RH不吹氧时,最小处理时间为13.32min。
脱碳吹氧时循环系数与处理终点碳含量的关系见图2。由图2可以看出,脱碳吹氧和不吹氧类似,如果要终点碳含量较稳定,循环系数u需要大于4。比较图1和图2可知,脱碳吹氧仅是当钢水氧含量不足时的一种供氧措施,要想达到一定的脱碳深度,必须增加循环系数。
3.2 其它因素对脱碳的影响
3.2.1 真空度
真空度不仅影响循环流量,也影响到碳氧平衡限度。根据碳氧反应式,在一定的温度下,CO分压和氧活度决定了脱碳的限度,而真空度决定了CO分压。图3是处理时间、循环量、氧含量等条件相近而真空度与初始碳含量不同时,处理终点碳含量和真空度与初始碳含量的关系,可以看出真空度越低终点碳含量越低。
3.2.2 初始碳含量对脱碳量的影响
初始碳含量与脱碳量的关系见图4。从图4可看出,初始碳含量越高脱碳量越大。但是,在一定温度下,根据Vachef-Hamiltoh,钢液在真空脱碳前碳氧浓度积为一常数,在1 600℃时为2.5×10-3,假定在真空脱碳时钢液中的氧全部用来脱碳,根据碳氧化反应方程,则1 600℃时最大脱碳量[3]为:
由式(3)可见,只有当钢液初始碳含量较低时才能大幅度降低碳含量。理论计算表明,当初始w(C)<433×10-6时就能脱除钢中所有碳,但由于温度和脱碳速度的限制,实际上并不能将所有碳脱除。由式(3)还可看出,如果初始碳含量较高,为了提高脱碳量,可以通过向钢中供氧来实现。
4 RH处理对钢液磷和硫含量的影响
脱硫需要还原性气氛,这就要求脱氧先于脱硫进行。从工艺上要采取措施降低渣中FeO、MnO,从根本上减少氧源。为此,转炉出钢要严格挡渣,减少下渣量并对钢包渣进行改性处理。如下渣量太大就要换包或扒渣。另外,RH处理脱硫时要不断补充脱氧剂如铝粒。脱硫还需要选择合理渣系,提高炉渣的硫容量Cs。分析可知,从热力学角度而言,脱硫主要集中在高硫容量渣系选择及对渣的处理上。
从动力学观点出发,需要改善动力学条件,促进渣-金反应的平衡。一般认为脱硫的限制性环节为硫在钢中的扩散(硫含量较低时)和硫在渣中的转移(钢中硫含量较高时)[4]。
RH前期为高氧化性,后期脱氧后为还原性气氛,这分别与脱磷和脱硫条件吻合,但后期可能回磷,所以RH对脱硫应该更为有利,图5、6是部分炉次的脱磷和脱硫情况。由图5、6可以看出,在不喷吹粉剂时,虽然钢液中氧质量分数非常低,达到4×10-6以下,但RH对脱磷和脱硫没有明显的作用。所以RH要深脱硫除了脱氧外还必须喷吹脱硫剂。
RH投产以来,马钢一直对RH深脱硫进行研究及工业试验,实践证明,在对转炉炉渣改质良好及选择合适脱硫剂的前提下, RH-KTB处理具有一定的脱硫效果。
为了降低RH处理时顶渣的氧化性,转炉出钢时加强初渣的改性,具体为转炉出钢过程加入RH顶渣改质剂(w(Al)=50%)400kg、萤石100kg,改质后炉渣成分见表2,脱硫剂成分见表3,RH处理后结果见表4。
可以看出炉渣改性后虽然氧化性有一定的降低,但w(FeO)+w(MnO)高达5.16%,对脱硫不利。为了提高脱硫量,可以在喷吹脱硫剂时补加Al粒进一步降低顶渣氧化性[5],以利于深脱硫。比较炉渣改性和不改性的结果,改性后能得到稳定的脱硫效果,而不改性则可能回硫。
5 结 论
(1)为了稳定达到终点w(C)=0.005%,马钢RH处理循环系数需要大于4。
(2)为了稳定达到终点w(C)=0.005%,马钢RH处理时间最少需要13.3min。
(3)初始碳含量较高时,为了提高脱碳量,处理时需要吹氧。
(4)仅靠RH脱氧后的还原性气氛并不能脱硫,为了深脱硫必须喷吹脱硫剂。
(5)转炉渣经改性后,RH喷吹脱硫剂,脱硫率可以达到33.3%,但如果要深脱硫,RH处理过程中需要不断加入脱氧剂,进一步降低顶渣的氧化性,并采用高硫容量的脱硫渣。
(6)RH前期顶渣为氧化性渣,后期脱氧后的顶渣氧化性有所降低,但渣-金反应界面动力学条件差,致使钢中的磷含量基本上没有变化。
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