鄧 偉 楊新泉 李慕耘 肖邦志 唐樹(shù)平 梁明強(qiáng)

(寶鋼股份武鋼有限煉鋼廠 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，超低碳汽車(chē)板鋼的需求量日益增大，用戶(hù)對(duì)超低碳汽車(chē)板鋼提出了越來(lái)越高的要求。武鋼有限煉鋼廠生產(chǎn)的M系列汽車(chē)板鋼，屬于IF鋼。M系列汽車(chē)板鋼要求極低的碳含量，成品[C]≤0.0020%，部分汽車(chē)外板鋼要求成品[C]≤0.0010%，同時(shí)對(duì)汽車(chē)板鋼純凈度要求極高。在生產(chǎn)中通過(guò)加入合金，IF鋼獲得低的屈服強(qiáng)度、高的伸長(zhǎng)率、高的垂直塑性、高的硬化指數(shù)等[1]。M系列汽車(chē)板其工藝流程為：鐵水脫硫→扒渣→轉(zhuǎn)爐→AR→RH→CC→精整。RH處理的主要任務(wù)是深脫碳、脫氧合金化、脫氣、去夾雜等。

由于在RH處理脫碳的前期，碳氧反應(yīng)激烈，噴濺比較嚴(yán)重。為了防止噴濺堵塞合金溜槽、堵塞真空室頂部造成頂部結(jié)冷鋼，啟動(dòng)真空泵的時(shí)間相對(duì)較晚。當(dāng)真空度達(dá)到3kPa時(shí)，才開(kāi)始啟動(dòng)增壓泵，依次開(kāi)啟三級(jí)泵、二級(jí)泵、一級(jí)泵，每級(jí)增壓泵開(kāi)啟后維持1 min左右，8-10 min內(nèi)才可以到達(dá)極限真空133 Pa以下，極限真空度保持8 min以上，整個(gè)脫碳時(shí)間在18 min以上。這種操作模式耗時(shí)較長(zhǎng)，而且真空脫碳期，鋼水每循環(huán)1 min，降低溫度2 ℃，循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，溫降越大，熱量損失導(dǎo)致溫度不足，必須采用MFB頂槍對(duì)鋼水吹氧，增加鋼水中的游離氧，然后加臺(tái)鋁，使臺(tái)鋁與鋼水中的游離氧反應(yīng)放熱使鋼水升溫。這種模式會(huì)使吹氧量增大，吹氧時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)一步延長(zhǎng)了真空處理時(shí)間。同時(shí)吹氧量增大會(huì)使汽車(chē)板鋁耗增大，增加了成本；鋁和自由氧反應(yīng)生產(chǎn)的產(chǎn)物也會(huì)增加，會(huì)使鋼水中Al2O3夾雜物增多，對(duì)鋼質(zhì)造成不利影響。

針對(duì)上述脫碳模式所造成的一系列不利影響，通過(guò)深入研究真空脫碳原理，對(duì)RH真空脫碳工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

武鋼有限煉鋼廠三煉鋼產(chǎn)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三煉鋼)從1996年投產(chǎn)以來(lái)，工藝技術(shù)不斷改進(jìn)創(chuàng)新，工藝制度不斷完善優(yōu)化，具備較強(qiáng)的品種開(kāi)發(fā)能力，其鐵水脫硫采用鐵水罐噴吹Mg劑和KR脫硫法，主要生產(chǎn)設(shè)備包括：

(1)公稱(chēng)容量250 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐3座；(2)爐后在線(xiàn)鋼包底吹氬站3座；(3)RH真空脫氣處理裝置2套；LF鋼包加熱爐2臺(tái)；(4)雙流弧形板坯連鑄機(jī)1臺(tái)(230×1000～1600)；(5)雙流直弧形板坯連鑄機(jī)2臺(tái)(230×1350～2150)。

三煉鋼2#RH設(shè)備主要工藝參數(shù)如下：

(1)泵的抽氣能力

目前，三煉鋼2#RH通過(guò)設(shè)備改造后采用水循環(huán)泵，代替第五級(jí)輔助泵5EA及5EB，其極限真空度達(dá)到16 kPa，能夠降低蒸汽消耗成本。相關(guān)參數(shù)如下：

抽氣能力在66.7 Pa時(shí)為1200 kg/h；

抽氣能力在8 kPa時(shí)為6200 kg/h；

蒸汽壓力≥0.8 MPa(表壓)；

蒸汽溫度：為175-190 ℃；

蒸汽耗量≤44000 kg/h；

冷凝器冷卻水壓力：0.30 MPa；

冷卻水耗量≤2200 m3/h；

真空泵系統(tǒng)的漏氣量≤60 kg/h；

抽氣時(shí)間：在預(yù)抽的條件下，由一個(gè)大氣壓降到67 Pa，時(shí)間≤3.0 min；

在未預(yù)抽的條件下，由一個(gè)大氣壓降到67 Pa，時(shí)間≤3.5 min；

(2)處理鋼水量：250-280 t；

(3)插入管內(nèi)徑：上升管650 mm，下降管700 mm；

(4)極限真空度：27 Pa。

2 真空脫碳模式的優(yōu)化

RH真空工藝處理過(guò)程主要分為：前期深脫碳，脫碳結(jié)束后加脫氧劑臺(tái)鋁進(jìn)行強(qiáng)脫氧，加完臺(tái)鋁循環(huán)3 min使鋼水脫氧完全，合金化依次加入錳鐵、鈦鐵等合金，循環(huán)時(shí)間8-10 min。由于M系列汽車(chē)板對(duì)于鋼水的純凈度要求非常高，脫氧合金化后的循環(huán)時(shí)間是影響鋼水純凈度的最重要參數(shù)，必須嚴(yán)格把控不能縮短。因此，要在保證深脫碳效果、成品[C]成分合格的前提下，縮短RH真空深脫碳時(shí)間。

根據(jù)RH真空脫碳原理[2]及真空脫碳的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件[3-4]，要提高脫碳速度，必須提高鋼液中的碳和氧向氣液相界面擴(kuò)散的速度，同時(shí)也要提高碳氧反應(yīng)生成CO離開(kāi)相界面向氣相擴(kuò)散的速度。

2.1 采用真空泵系統(tǒng)預(yù)抽真空度模式

所謂真空泵系統(tǒng)預(yù)抽真空度模式，是指在真空生產(chǎn)的間隙，鋼水還未進(jìn)站的時(shí)候，開(kāi)啟真空泵系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)抽，使泵系統(tǒng)在等待的時(shí)間提前工作，可以使泵系統(tǒng)保持15 kPa的真空度。相對(duì)于之前的模式，鋼水開(kāi)始處理時(shí)泵系統(tǒng)真空度僅30 kPa的情況，大大節(jié)約了時(shí)間。同時(shí)為了提高預(yù)抽真空度的效率，進(jìn)一步減少預(yù)抽真空度的時(shí)間，采取真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵(拉瓦爾噴射管)的組合泵系統(tǒng)模式，其預(yù)抽時(shí)抽氣能力提高30%。

影響真空預(yù)抽效果的一個(gè)重要因素是蒸汽壓力低，蒸汽壓力要求1.1 MPa以上，才能保證其抽真空的效果。三煉鋼產(chǎn)線(xiàn)2#RH真空采用的是內(nèi)網(wǎng)蒸汽，即從轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)所產(chǎn)生的蒸汽回收供給2#RH真空使用，其蒸汽量、蒸汽壓力能否穩(wěn)定完全取決于轉(zhuǎn)爐吹煉的情況，至少有2座轉(zhuǎn)爐同時(shí)吹煉時(shí)，才能保證蒸汽量、蒸汽壓力穩(wěn)定供給。當(dāng)轉(zhuǎn)爐由于檢修或其他生產(chǎn)原因影響，僅1座轉(zhuǎn)爐或沒(méi)有轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致蒸汽量、蒸汽壓力供給不足。2#RH真空沒(méi)有足夠的蒸汽，就不能用蒸汽泵系統(tǒng)抽真空。采取真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵(拉瓦爾噴射管)的組合泵系統(tǒng)模式，其最大的優(yōu)勢(shì)是，不受蒸汽壓力的影響可快速實(shí)現(xiàn)預(yù)抽功能，達(dá)到預(yù)抽效果，可以完全避免上述等待的時(shí)間，提高了預(yù)抽真空度的效率。

2.2 鋼水處理過(guò)程中三種脫碳模式的優(yōu)化

之前的脫碳模式時(shí)間較長(zhǎng)，通常在18 min以上，通過(guò)優(yōu)化真空泵的啟動(dòng)時(shí)機(jī)提高抽真空效率 。真空開(kāi)始處理時(shí)，由于前述已預(yù)抽真空度，開(kāi)啟真空主滑閥時(shí)，真空度下來(lái)的更快，效率更高。分為以下三種情況分別進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 非頂槍吹氧自然脫碳模式

真空到站鋼水溫度及游離氧合格，即到站[C]≤0.040%，到站游離[O]≥600 ppm，到站溫度≥1615 ℃的條件下，不需采用MFB頂槍吹氧，自然循環(huán)脫碳。模式1優(yōu)化前后其真空度對(duì)比如圖1。

圖1 非頂槍吹氧自然脫碳模式操作模式對(duì)比

以前真空開(kāi)始處理，先采取輔助泵抽真空的時(shí)間較長(zhǎng)，平均處理6 min時(shí)才開(kāi)啟增壓泵S3，維持1 min后依次開(kāi)啟增壓泵S2、S1，平均到8 min時(shí)才能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，有些爐次甚至到10 min左右才能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，脫碳效率較低，時(shí)間較長(zhǎng)，平均總脫碳時(shí)間18 min。優(yōu)化后，前面通過(guò)預(yù)抽，及充分利用輔助泵抽真空，在真空處理3 min的時(shí)候啟動(dòng)增壓泵S3，維持1 min后依次開(kāi)啟增壓泵S2、S1，平均到5 min時(shí)能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，并維持極限真空度8 min。在高真空度下能確保脫碳速率更快，平均脫碳時(shí)間可減少至13 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由圖1可以看出，脫碳時(shí)間可以減少5 min，大大縮短了脫碳時(shí)間，提高了脫碳效率。

2.2.2 MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳模式

真空到站鋼水碳高游離氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游離[O]≤600 ppm，需要MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳。模式2優(yōu)化前后其真空度對(duì)比如圖2。

圖2 MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳模式真空度對(duì)比圖

以前真空開(kāi)始處理，先采取輔助泵抽真空的時(shí)間較長(zhǎng)，處理3 min才開(kāi)始采用MFB頂槍向鋼水中吹氧來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制脫碳，MFB頂槍吹氧時(shí)機(jī)偏晚，平均處理8 min時(shí)才開(kāi)啟增壓泵S3，維持1 min后依次開(kāi)啟增壓泵S2、S1，平均到10 min時(shí)才能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，有些爐次甚至到12 min左右才能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，脫碳效率較低，時(shí)間較長(zhǎng)，平均總脫碳時(shí)間18-20 min。

之所以處理3 min才開(kāi)始采用MFB頂槍向鋼水中吹氧來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制脫碳，是因?yàn)橹癕FB頂槍槍位控制偏低，而RH真空脫碳的前期特點(diǎn)是碳氧反應(yīng)激烈，噴濺比較嚴(yán)重，如果MFB頂槍的槍位控制偏低，容易造成噴濺的鋼水將MFB頂槍粘連，甚至燒漏造成漏水，發(fā)生安全事故。

通過(guò)不斷深入研究，摸索出最合適的槍位，將MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳的槍位由12700 mm提升至13500 mm，這樣既確保MFB頂槍不被噴濺的鋼水鋼渣粘連，又可以保證強(qiáng)制吹氧脫碳的效果。

由于優(yōu)化了MFB頂槍吹氧的槍位，將吹氧時(shí)機(jī)提前，在真空開(kāi)始處理1 min內(nèi)即可以采取MFB頂槍吹氧進(jìn)行強(qiáng)制脫碳。相對(duì)于常規(guī)循環(huán)脫碳，采用MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳時(shí)，其動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)條件更優(yōu)越，更利于快速脫碳。動(dòng)力學(xué)條件優(yōu)越是因?yàn)殇撍恼婵彰撎挤磻?yīng)是一個(gè)氣液兩相反應(yīng)，當(dāng)MFB頂槍向真空室內(nèi)吹入一定強(qiáng)度的氧氣射流，增大了兩相內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，也增大了化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)和平衡常數(shù)，而脫碳速率和這些系數(shù)、常數(shù)成正比，從而顯著提高了脫碳速度。熱力學(xué)條件更優(yōu)越是因?yàn)檎婵彰撎挤磻?yīng)[C]+[O]→CO，生成的CO氣體在遇到MFB頂槍頂吹O2時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：2CO+O2→2CO2,屬于氧化放熱反應(yīng)。CO二次燃燒放出大量的熱量，使真空室中部形成高溫區(qū)，這樣會(huì)對(duì)真空室中部以及鋼水補(bǔ)償大量的熱量，減少真空室溫降，減少鋼水循環(huán)的溫降，進(jìn)一步減少吹氧量，從而減少了吹氧時(shí)間，提高了脫碳效率。

采用MFB頂槍吹氧進(jìn)行強(qiáng)制脫碳，與開(kāi)始吹氧時(shí)機(jī)一樣，其結(jié)束吹氧時(shí)機(jī)同樣重要，決定吹氧結(jié)束時(shí)機(jī)的重要因素有：總吹氧量及吹氧氧氣流速。

總吹氧量的確定：由轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始碳含量和溫度確定，吹氧量一方面滿(mǎn)足脫碳需求，另一方面脫碳終點(diǎn)鋼水有一定的氧含量，以滿(mǎn)足合格的澆注溫度。MFB吹氧量可以通過(guò)公式(1)確定。

F02={([C]始-[C]終)×1.33+[O]脫碳終點(diǎn)-

[O]0-[O]渣}/([O]理)×μ

(1)

式中：F02—吹氧量，Nm3/t·s；

[C]始—轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始碳含量，ppm;

[C]終—RH脫碳終點(diǎn)鋼水的碳含量，ppm;

[O]脫碳終點(diǎn)—RH脫碳終點(diǎn)鋼水的氧含量，ppm;

[O]0—轉(zhuǎn)爐到RH鋼水的起始氧含量，ppm;

[O]渣—RH脫碳過(guò)程中鋼渣及耐火材料向鋼水傳輸氧含量，ppm。

這和鋼包渣層厚度，鋼水氧化性，耐材質(zhì)量有關(guān);

[O]理—向鋼水每吹1 Nm3/t·s氧氣，理論供氧量;

μ—吹氧收得率，和氧槍吹氧高度，噴槍類(lèi)型等相關(guān)。

氧氣流速的確定：同樣和氧槍吹氧高度，噴槍類(lèi)型有關(guān)。在進(jìn)行深入研究后，優(yōu)化了氧槍高度，在保證安全的情況下，提高吹氧氧氣流速由1600 Nm3/h提高到1800 Nm3/h，提高氧氣流速后，單位時(shí)間內(nèi)的吹氧量提高，從而縮短了吹氧時(shí)間，提高了氧的收得率和利用效率。

優(yōu)化后的真空泵啟動(dòng)模式是：在真空開(kāi)始處理1 min內(nèi)采取MFB頂槍吹氧進(jìn)行強(qiáng)制脫碳，在真空處理5 min的時(shí)候啟動(dòng)增壓泵S3，維持1 min后依次開(kāi)啟增壓泵S2、S1，平均到7 min時(shí)能達(dá)到極限真空度0.133 kPa以下，并維持極限真空度8 min。在高真空度下能確保脫碳速率更快，平均脫碳時(shí)間可減少至15 min，而碳的成分能降低到15 ppm以下。由圖3可見(jiàn)，此種脫碳模式下脫碳時(shí)間同樣可以減少5 min，大大縮短了脫碳時(shí)間，提高了脫碳效率。

2.2.3 MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳及吹氧升溫模式

真空到站鋼水溫低氧低，即到站[C]≥0.040%，到站游離[O]≤600 ppm，到站溫度≤1615 ℃的條件下，需要采用MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳+吹氧加鋁升溫。模式3優(yōu)化前后其真空度對(duì)比如圖3。

圖3 MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳及吹氧升溫模式真空度對(duì)比圖

在同樣的到站溫度條件下，改進(jìn)的方面除了和前述模式2相同(提前采用MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳)外，通過(guò)深入研究，收集分析數(shù)據(jù)，精確計(jì)算強(qiáng)制脫碳及升溫所需的總氧量，將吹氧強(qiáng)制脫碳和吹氧加鋁升溫兩個(gè)步驟一次完成，杜絕了二次吹氧，節(jié)省了頂槍吹氧時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)吹氧量動(dòng)態(tài)調(diào)整升溫所需的加鋁量，在脫碳期間小批量加入臺(tái)鋁。

臺(tái)鋁加入量的確定原則，既要保證鋼水中的游離氧含量滿(mǎn)足深脫碳的要求(≥300 ppm)，即不能加入過(guò)量導(dǎo)致鋼水過(guò)脫氧，又要滿(mǎn)足加鋁升溫效率，即不能加入過(guò)少。而且加鋁時(shí)機(jī)應(yīng)在真空處理前期盡早加入，使鋁氧反應(yīng)產(chǎn)生的Al2O3夾雜通過(guò)真空鋼水循環(huán)盡早上浮，提高汽車(chē)板鋼水的純凈度。加鋁量按下面計(jì)算式計(jì)算：

WAl=1.125×(初始氧含量%-目標(biāo)氧含量%)*W鋼* 1000/R*ηAl*W鋼

(2)

式中：R─表示Al的收得率，%；W鋼─表示鋼水量，噸；ηAl─表示所加Al的鋁純度，%；

目標(biāo)氧含量的控制范圍為300 ppm-450 ppm。而初始氧含量的確認(rèn)是一個(gè)難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，動(dòng)態(tài)加鋁升溫，那么初始氧含量也是動(dòng)態(tài)變化的。初始氧含量跟鋼水到站游離氧值、到站碳含量、加鋁時(shí)刻的吹氧量、氧氣流速等等密切相關(guān)，需要進(jìn)行科學(xué)研究。

MFB吹氧時(shí)鋼水增氧量的確定：

采用MFB頂槍向鋼水中吹1 Nm3的O2氣,以鋼水量270噸為例，如果氧全部進(jìn)入鋼水，能使鋼水中增加的氧含量：

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

理論上可使鋼水增加5.3 ppm的游離氧。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，并沒(méi)有理論值那么高，原因是頂槍吹氧過(guò)程，氧氣會(huì)被真空泵系統(tǒng)抽走一部分，會(huì)與產(chǎn)生的廢氣CO反應(yīng)，CO二次燃燒會(huì)消耗一部分的氧氣，MFB頂槍槍位的不同，氧氣流速的不同，所增加的氧量也會(huì)不同。在經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)分析總結(jié)后，計(jì)算出氧收得率為56.6%。即采用MFB頂槍向鋼水中吹1 Nm3的氧氣實(shí)際增氧量為3 ppm。

2.3 真空脫碳模式優(yōu)化后取得的效果

真空脫碳模式優(yōu)化后，三煉鋼產(chǎn)線(xiàn)2#RH生產(chǎn)M系列汽車(chē)板鋼，真空平均脫碳時(shí)間由優(yōu)化前的18.45 min降至13.53 min，平均脫碳時(shí)間縮短4.92 min(如圖4)。優(yōu)化前后鋼水中碳含量的中位數(shù)均為0.0012%，碳含量水平基本相當(dāng)。

圖4 脫碳模式優(yōu)化前后脫碳時(shí)間的對(duì)比

3 結(jié)論

(1)采用真空水循環(huán)泵+真空蒸汽噴射泵的組合泵系統(tǒng)模式預(yù)抽真空度，相比原脫碳模式，不受內(nèi)網(wǎng)蒸汽壓力的影響，其預(yù)抽時(shí)抽氣能力提高30%。

(2)建立三種脫碳模式，即非頂槍吹氧自然脫碳模式、MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳模式，MFB頂槍吹氧強(qiáng)制脫碳及吹氧升溫模式，優(yōu)化工藝，可縮短超低碳鋼真空脫碳時(shí)間4 min以上。

(3)真空脫碳模式優(yōu)化前后對(duì)比，在縮短脫碳時(shí)間的情況下，鋼水中碳含量水平基本相當(dāng)。