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RH脱碳影响因素及应对措施
首钢2016年职业技能竞赛炉外精炼工工种决赛论文
题目：
RH脱碳影响因素及应对措施
准考证号：
姓名：
工作单位：
首钢股份公司
工种：
炉外精炼工
日期：
2016.10
摘要：
本文简要介绍RH精炼脱碳的热力学原理、动力学条件，深入分析了RH熔池内碳氧反应机理，发现RH处理时脱碳反应发生的四个地点,真空室内钢液自由表面、氩气泡表面、真空槽钢液内部与飞溅液滴表面，同时发现真空处理4-10min内为主要脱碳时期。
本文通过分析生产实践中影响脱碳的因素，摸索出一套生产深脱碳及快速脱碳的方法。
关键字：
RH真空精炼脱碳碳含量
前言--------------------------------------------------3
一RH脱碳原理-----------------------------------------4
二RH脱碳过程研究-------------------------------------5
三缩短超低碳钢脱碳时间和真空处理时间的影响因素分析---5
结束语-----------------------------------------------13
正文
前言：
RH是最重要的炉外精炼设备之一，它具有脱碳、脱气（脱氮、脱氢）、合金微调、均匀钢液成分和温度等主要功能。
碳作为钢中的间隙原子，在超深冲薄板，尤其是汽车板和电工钢中为主要控制对象，要求尽可能低。
为了获得碳含量小于0.003%，甚至更低的超低碳钢，关键是RH真空脱碳的水平及精炼后期控制钢水增碳的能力。
RH脱碳反应一般考虑发生在４个地点：
真空室内钢液自由表面、氩气表面、真空槽内钢液内部和飞溅液滴表面。
一、RH脱碳原理
RH真空脱碳是利用气泡泵原理使钢液在真空室和钢包之间产生循环流动，主要靠钢水中的氧在真空室中进行脱碳，真空处理是以冶金反应热力学和动力学为基础。
可理解为,热力学表示化学反应最终状态的稳定含量和可控制的精度；动力学表示完成化学反应过程并形成最终产物所要求的时间。
从脱碳的热力学角度分析,钢水去碳、氧,真空条件下是以压力对化学反应的影响为基础，气体压力降低促进化学反应的进行其脱碳反应的方程式为
[C]+[O]=CO（ｇ）
（1）
反应平衡常数为：
K=
（2）
可见CO气体分压的降低可以促进脱碳、脱氧反应的进行。
从动力学的角度考虑，RH的某些参数，例如钢液循环速率、氩气流量，真空室与钢包的尺寸及真空系统能力等，对反应速率与最终精炼效果有及其主要的作用。
因此从脱碳的动力学角度分析,主要是研究多长时间能够达到平衡值,即所要求的目标碳含量。
二、RH脱碳过程研究
目前，国内外RH基于反应地点建立的脱碳模型居多，但是其对脱碳量不大的地点采取忽略处理，这对研究超低碳钢会产生较大的误差，在实际生产过程当中正是这些脱碳量不大的地点决定脱碳水平。
本论文考虑４个反应地点，分析各地点对脱碳速率以及脱碳量的贡献，从而分析工艺因素对脱碳速率的影响，对现场生产具有指导意义。
针对RH处理时脱碳反应发生的四个地点,即真空室内钢液自由表面、氩气泡表面、真空槽钢液内部与飞溅液滴表面,如图1所示：
图1RH脱碳地点示意图
各地点脱碳量随时间的变化（如图2示）：
图2四种脱碳机制脱碳量的比较
图3四种脱碳机制脱碳速率的比较
表1脱碳量数据汇总
在模型中设定初始条件，由此计算出的脱碳速率随时间的变化如表1所示。
由表1可以看出：
总体脱碳速率的变化趋势基本可以分为３个阶段0～4min，4～10min，10～16min。
在这３个阶段之间脱碳速率分别出现了３个峰值；对照表1可以发现，第２个、第３个峰值的出现时间和开始吹氧时间以及达到极限真空的时间是基本重合的。
在真空处理前期，钢液内部的脱碳速率在４个脱碳地点中占据主导地位，并且在10min左右其脱碳速率基本为零。
之后，液滴脱碳速率开始占据优势。
在表1所分的4个脱碳阶段中，钢液内部脱碳在0～10min的时间段内所占的比例最大；在脱碳末期13min以后，钢液内部脱碳量为零时，表面脱碳和液滴脱碳开始占据主导地位，其总脱碳量比例达到了85%；氩气泡脱碳量在３个脱碳阶段都占有一定的比例，但是其脱碳量是最低的，仅能达到总脱碳量的11%左右。
三、缩短超低碳钢脱碳时间和真空处理时间的影响因素分析
冶炼超低碳钢脱碳时间的稳定控制对生产节奏的安排,精炼过程指标的控制,铸机浇注的稳定均提供了基础。
为进一步加快生产节奏,脱碳效率成为影响超低碳钢生产节奏的瓶颈,因此加快节奏成为必须进行的攻关工作。
在稳定的基础上进一步缩短超低碳钢脱碳时间和真空时间,使整个工序快节奏生产有了最基本保证,不仅对于最终产品质量起到了很大的提高效果,还有效降低了整工序的温度需求。
通过第二部分对脱碳过程的研究发现，随着真空处理时间的延长，不同阶段的主要脱碳地点不同，以下从六个方面探讨针对不同的反应地点提高钢液脱碳速率。
（1）钢水中的初始碳、氧含量的影响
钢水中的初始碳、氧含量对RH处理结果影响很大,为了在RH脱碳后达到良好的效果,钢水成分等初始条件必须加以控制,并且要提高操作水平,稳定操作工艺,增大初始碳氧含量的集中度,防止不同炉次间碳氧含量波动的范围过大。
对于目标碳含量≤30×10-6的超低碳钢,RH自然脱碳最佳碳、氧含量是进站[C]≤350×10-6、[O]含量为480-550×10-6。
虽然过剩的氧含量对于脱碳更有利，但会造成加铝前氧过高导致脱氧铝增加，影响钢水质量且增加吨钢成本，生产过程中不提倡此种做法。
（2）循环气体流量的影响
在RH精炼初期由于真空室中真空度较低，在真空室钢液自由表面和液滴脱碳发生的脱碳过程较弱，钢液内部的脱碳占主要地位;从下图实验方案可以看出1）、真空开始处理2-6min期间循环气为2600Nl/min炉次的脱碳速率大于2800Nl/min炉次的脱碳速率；2）、8min后循环气流量为2800Nl/min炉次的脱碳速率加快。
随着精炼过程的进行，真空度逐渐提高,在钢液内部CO气泡表面发生的脱碳和脱气过程逐渐增强；在脱碳后期,表面脱碳和液滴脱碳过程相对来说又显得重要。
当提升气体流量较大时，循环流量会趋于一个极大值，再增大提升气体流量，循环流量则不会再增加。
但是增加的提升气体流量却会增大脱碳反应的容积传质系数，促进脱碳反应的进行，因此在其它操作条件不变时,增大提升气体的流量，即使循环流量不再增加，也会促进脱碳过程的进行；在相同的处理时间内，使钢液中碳元素的含量达到更低的值。
结合试验结果分析，脱碳前期、中期自由[C][O]反应为主要反应方式，循环气流量大小对脱碳速率影响不大。
当脱碳反应到中后期时，借助氩气泡与熔池表面发生[C][O]反应为脱碳的主要方式时，越大的流量，进入真空室内的氩气泡越多，[C][O]反应的形核点越多，因此后期循环气流量越大越好。
因此以转深抽为分界点，在真空控制阶段循环气流量使用较低的循环气流量，转深抽后提升循环气流量应使用最大流量循环气。
表2循环气流量试验方案
类型
抽真空至下枪前循环气流量/Nl/min
强制脱碳结束至15min循环气流量/Nl/min
方案1
1400
2600
方案2
1600
2800
方案3
1800
3000
图4不同循环气流量对脱碳的影响
（3）压降制度控制
任何一套真空设备在抽真空操作时均有自身的压降曲线,且呈现出不同程度的压降平台,在脱碳阶段最快速度的达到深真空能够加快前期脱碳速度以及脱碳量,得到较低的脱碳结束碳含量。
因此为得到较好的脱碳效果,减少压降平台是控制结束[C]含量以及脱碳效果的一个必要措施。
通过预抽真空操作、对蒸汽阀的改造、真空泵系统性能的摸索、系统密封性的保证,进一步提高了抽真空速度,降低了压降平台，提高脱碳效率。
（4）加废钢对脱碳效果的影响
为调查加入废钢量对钢液中碳含量的影响,在调铝后根据当炉温度情况加入一定量的废钢,试验炉次信息如表3所示,平均每吨废钢增碳量如图5所示,试验炉次每吨废钢增碳量平均为4.9ppm,因此在生产的过程中是影响结束碳含量的一个重要的因素。
根据实际生产数据分析看,加废钢时机对脱碳效果存在较大的影响,故在调废钢过程中,同样的废钢加入量选择不同的时机所取得的结果明显不同。
由表1看出，脱碳10min以后钢液内部的脱碳速率基本为0，表面脱碳和液滴脱碳开始占据主导地位，其总脱碳量比例达到了85%；如果在10min以后仍然进行调废钢操作，会使真空室内部钢水温度降低，钢水循环速度变慢，严重影响了钢液的环流，阻碍钢包内钢液进入真空环境的正常秩序，碳氧反应界面减小，脱碳反应受阻。
从而造成在规定周期内完成不了脱碳任务，因在处理过程中对进站温度及氧活度严格控制,同时废钢在脱碳前期越早加入越有利于获得较低的结束[C]成分。
表3废钢增碳量实验方案
序号
品种
废钢加入量/t
15min[C]含量/ppm
调铝后碳含量/ppm
结束[C]含量/ppm
增碳量/ppm
吨废钢增碳量/ppm
1
M3A30
0.74
0.001
0.0009
0.0016
0.0007
9.46
2
M3A30
0.941
0.0017
0.0012
0.0016
0.0004
4.25
3
M3A30
1.7
0.0011
0.0012
0.0021
0.0009
5.29
4
M3A30
0.419
0.0025
0.0013
0.0015
0.0002
4.77
5
M3A30
1.442
0.0015
0.0012
0.0017
0.0005
3.47
6
M3A30
1.541
0.0022
0.001
0.0022
0.0012
7.79
7
M3A30
0.422
0.0014
0.0009
0.0015
0.0006
14.22
8
M3A30
0.228
0.0024
0.0013
0.0015
0.0002
8.77
9
M3A30
0.504
0.0015
0.0021
0.0016
-0.0005
-9.92
10
M3A30
0.426
0.0012
0.001
0.001
0
0.00
11
M3A30
0.414
0.0026
0.001
0.0012
0.0002
4.83
12
M3A30
1.472
0.0017
0.0014
0.002
0.0006
4.08
13
M3A30
1.4
0.0031
0.0008
0.0015
0.0007
5.00
14
M3A30
1.475
0.0014
0.001
0.0016
0.0006
4.07
15
M3A30
2.415
0.0022
0.0014
0.0023
0.0009
3.73
16
M3A30
0.614
0.0016
0.0012
0.0015
0.0003
4.89
17
SDC04-W
0.929
0.0024
0.0016
0.0019
0.0003
3.23
18
SDC04-W
0.952
0
0.0013
0.0013
0
0.00
19
M3A30
0.847
0.0017
0.0011
0.0012
0.0001
1.18
20
M3A30
1.892
0.0021
0.0016
0.0024
0.0008
4.23
图5吨钢增碳量单值控制图
（5）强制脱碳对脱碳效果的影响
顶抢吹氧使钢液中氧明显增加,从而明显加速初期脱碳。
转炉较高碳含量出钢钢水进入RH进行真空处理,初期[O]相对[C]较低而阻碍了脱碳反应。
使用顶枪向熔池供氧,使钢液中[O]明显增多,反应生成CO条件好,CO量大而搅拌强烈,脱碳速率大。
所以如果在RH处理中进行强制脱碳操作不仅可以加速脱碳,缩短处理时间,而且可以将初始碳含量提高。
（6）顶渣改质对脱碳效果的影响
顶渣改质能够有效减少顶渣对钢液的二次氧化，并且低氧的顶渣在一定的成分下具有良好的吸附氧化铝夹杂物的能力，保持一定时间的循环可以有效促使夹杂物上浮，大大降低钢水中氧化铝夹杂物的含量。
但顶渣改制质的钢水由于渣中氧含量低，钢液中氧含量会不断的向渣中传氧，造成脱碳速率降低，影响脱碳效果。
实际生产中，若改质效果不好，高钙铝渣球有可能成陀状聚集在钢水表面，造成到站定氧值不具代表性，影响脱碳方式或强制脱碳氧量设定值，给RH脱碳带来难度，因此转炉出钢过程中需保证高钙铝渣球的融化效果，同时对于渣改质的炉次，强制脱碳吹氧量需与未渣改质炉次的吹氧量进行区别，保证RH强制脱碳效果。
四、经济效益
1、硬性收益
IF钢RH生产平均周期为32min，通过实施提高脱碳效率的措施，IF钢生产平均周期缩短至28min，平均减少4min，按RH精炼过程温降速率1℃/min考虑，则RH过程总温降降低4℃，对应转炉出钢温度降低4℃。
按照吨钢出钢温度降低1℃可降低0.5元，则1炉钢降低成本420元。
2016年迁钢一炼钢月均生产IF钢200炉，则月均降低成本8.4万元，全年共降低101万元。
2、软性收益
（1）、提高脱碳效率，稳定过程操作，为一炼钢整体高效化排产奠定条件，总体缩短IF钢生产总周期；
（2）、增加浸渍管维护时间，延长浸渍管使用寿命，降低吨钢耐材成本；
（3）、减少吹氧升温率，降低加铝前氧活度，减少生成夹杂物数量，提高钢水洁净度。
结束语：
稳定控制进站氧活度、碳含量情况,保证进站[C]≤350ppm、[O]含量为480-550×10-6；脱碳过程杜绝大批量加废钢、吹氧操作,若需调整废钢或合金，尽量在脱碳前期进行,避开快速脱碳阶段；尽快达到深真空；将压降曲线与提升气体曲线的合理配合,优化顶渣改质方式及渣改质炉次的吹氧量，可以达到深脱碳的目的，提高品种炼成率。
参考文献：
[1]《转炉钢水的炉外精炼技术》------著作人：
俞海明2011年08月第1版第1次印刷
[2]《RH冶炼超低碳钢内部脱碳机理及控制工艺》-----著作人：
李崇巍2011年03月
[3]《首钢京唐300快速深脱碳工艺技术》-----著作人：
陈俊锋，田志红《炼钢》2015年8月
[4]《RH真空精炼过程的动态模拟》-----著作人：
黄宗泽,朱苗勇 《材料与冶金学报》2002年9月
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