工程科学学报.第43卷，第8期：1107-1115.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1107-1115,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.10.002;http://cje.ustb.edu.cn RH强制脱碳与自然脱碳工艺生产F钢精炼效果分析 袁保辉，刘建华)区，周海龙2，黄基红2)，张硕山，中志鹏) 1)北京科技大学工程技术研究院，北京1000832)攀钢集团西昌钢钒有限公司，西昌615032 ☒通信作者，E-mail:liujianhua@metall..ustb.edu.cn 摘要西昌钢钒厂由于转炉热量不足而以转炉一LF精炼一RH精炼一连铸工艺生产F钢，为探究RH强制脱碳与自然脱 碳工艺生产F钢精炼效果，采用生产数据统计、氧氮分析、夹杂物自动扫描、扫描电镜和能谱分析等手段，对不同脱碳工艺 对顶渣氧化性以及钢的洁净度影响进行了详细研究.结果表明：(1)与自然脱碳工艺炉次相比，采用强制脱碳工艺的炉次在 转炉结束与RH进站钢中的平均[O]含量更低：(2)两种工艺脱碳结束钢中的[O]含量基本在同一水平：(3)强制脱碳工艺的 炉次在RH结束时渣中平均T.F的质量分数降低了13%.在能满足RH脱碳效果的前提下，尽量提高转炉终点钢液碳含量、 降低钢液氧含量，后续在H精炼时采用强制吹氧脱碳工艺，适当增大吹氧量来弥补钢中氧，可显著降低F钢顶渣氧化性 自然脱碳工艺与强制脱碳工艺控制热轧板T.O含量均比较理想：与自然脱碳工艺相比，强制脱碳工艺可有效降低F钢N)含 量，这与强制脱碳工艺真空室内碳氧反应更剧烈所导致的CO气泡更多和气液反应面积更大有关.脱碳工艺对F钢热轧板 中夹杂物类型、尺寸及数量没有明显影响，夹杂物主要由AlO3夹杂、AlO,-TiO,夹杂与其他类夹杂物组成，以夹杂物的等 效圆直径表示夹杂物尺寸，以上三类夹杂物平均尺寸分别为4.5、4.4和6.5m,且钢中尺寸在8um以下的夹杂物数量占比高 于75%.在RH精炼过程中，尽量降低RH脱碳结束钢中[O]含量，有利于提高钢液洁净度 关键词F钢：RH精炼：顶渣氧化性：洁净度：夹杂物：脱碳工艺 分类号TF769.9 Refining effect of IF steel produced by RH forced and natural decarburization process YUAN Bao-hui),LIU Jian-hua,ZHOU Hai-long?,HUANG Ji-hong?,ZHANG Shuo,SHEN Zhi-peng 1)Institute of Engineering Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xichang Steel&Vanadium Co.LTD of Pangang Group,Xichang 615032,China Corresponding author,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Owing to insufficient converter heat,IF steel is produced via the BOF-LF-RH-CC process in the Xichang Steel Vanadium Co.LTD of Pangang Group,Xichang,China.To explore the refining effect of IF steel produced via the RH forced and natural decarburization process,this work employed standard analysis methods such as production data statistics,total oxygen and nitrogen analysis,automatic scanning electron microscopy,scanning electron microscopy,and energy spectroscopy.The effects of different decarburization processes on the ladle slag oxidability and cleanliness of steel were investigated in detail.Compared with the natural decarburization process heats,results show that the forced decarburization process heats exhibit (1)lower average [O]content in molten steel after BOF and before RH,(2)a similar level of the [O]content in molten steel after decarburization with that of the natural decarburization process,and (3)1.3%lower average T.Fe mass fraction in the ladle slag after RH treatment.To ensure the RH decarburization effect,the final carbon content increased and molten steel oxygen content reduced in the converter to the maximum extent.The forced oxygen blowing decarburization process was then used to compensate for the molten steel oxygen content during RH refining by increasing oxygen blowing properly,which can significantly decrease the ladle slag oxidability of IF steel.Both the natural 收稿日期：2020-10-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874028)
RH 强制脱碳与自然脱碳工艺生产 IF 钢精炼效果分析 袁保辉1)，刘建华1) 苣，周海龙2)，黄基红2)，张 硕1)，申志鹏1) 1) 北京科技大学工程技术研究院，北京 100083 2) 攀钢集团西昌钢钒有限公司，西昌 615032 苣通信作者，E-mail：liujianhua@metall.ustb.edu.cn 摘 要 西昌钢钒厂由于转炉热量不足而以转炉—LF 精炼—RH 精炼—连铸工艺生产 IF 钢，为探究 RH 强制脱碳与自然脱 碳工艺生产 IF 钢精炼效果，采用生产数据统计、氧氮分析、夹杂物自动扫描、扫描电镜和能谱分析等手段，对不同脱碳工艺 对顶渣氧化性以及钢的洁净度影响进行了详细研究. 结果表明：（1）与自然脱碳工艺炉次相比，采用强制脱碳工艺的炉次在 转炉结束与 RH 进站钢中的平均 [O] 含量更低；（2）两种工艺脱碳结束钢中的 [O] 含量基本在同一水平；（3）强制脱碳工艺的 炉次在 RH 结束时渣中平均 T.Fe 的质量分数降低了 1.3%. 在能满足 RH 脱碳效果的前提下，尽量提高转炉终点钢液碳含量、 降低钢液氧含量，后续在 RH 精炼时采用强制吹氧脱碳工艺，适当增大吹氧量来弥补钢中氧，可显著降低 IF 钢顶渣氧化性. 自然脱碳工艺与强制脱碳工艺控制热轧板 T.O 含量均比较理想；与自然脱碳工艺相比，强制脱碳工艺可有效降低 IF 钢 [N] 含 量，这与强制脱碳工艺真空室内碳氧反应更剧烈所导致的 CO 气泡更多和气液反应面积更大有关. 脱碳工艺对 IF 钢热轧板 中夹杂物类型、尺寸及数量没有明显影响，夹杂物主要由 Al2O3 夹杂、Al2O3–TiOx 夹杂与其他类夹杂物组成，以夹杂物的等 效圆直径表示夹杂物尺寸，以上三类夹杂物平均尺寸分别为 4.5、4.4 和 6.5 μm，且钢中尺寸在 8 μm 以下的夹杂物数量占比高 于 75%. 在 RH 精炼过程中，尽量降低 RH 脱碳结束钢中 [O] 含量，有利于提高钢液洁净度. 关键词 IF 钢；RH 精炼；顶渣氧化性；洁净度；夹杂物；脱碳工艺 分类号 TF769.9 Refining effect of IF steel produced by RH forced and natural decarburization process YUAN Bao-hui1) ，LIU Jian-hua1) 苣 ，ZHOU Hai-long2) ，HUANG Ji-hong2) ，ZHANG Shuo1) ，SHEN Zhi-peng1) 1) Institute of Engineering Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Xichang Steel & Vanadium Co. LTD of Pangang Group, Xichang 615032, China 苣 Corresponding author, E-mail: liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Owing to insufficient converter heat, IF steel is produced via the BOF—LF—RH—CC process in the Xichang Steel & Vanadium Co.LTD of Pangang Group, Xichang, China. To explore the refining effect of IF steel produced via the RH forced and natural decarburization process, this work employed standard analysis methods such as production data statistics, total oxygen and nitrogen analysis, automatic scanning electron microscopy, scanning electron microscopy, and energy spectroscopy. The effects of different decarburization processes on the ladle slag oxidability and cleanliness of steel were investigated in detail. Compared with the natural decarburization process heats, results show that the forced decarburization process heats exhibit (1) lower average [O] content in molten steel after BOF and before RH, (2) a similar level of the [O] content in molten steel after decarburization with that of the natural decarburization process, and (3) 1.3% lower average T.Fe mass fraction in the ladle slag after RH treatment. To ensure the RH decarburization effect, the final carbon content increased and molten steel oxygen content reduced in the converter to the maximum extent. The forced oxygen blowing decarburization process was then used to compensate for the molten steel oxygen content during RH refining by increasing oxygen blowing properly, which can significantly decrease the ladle slag oxidability of IF steel. Both the natural 收稿日期: 2020−10−10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51874028） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1107−1115，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1107−1115, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.10.002; http://cje.ustb.edu.cn
·1108 工程科学学报，第43卷，第8期 decarburization and forced decarburization processes are ideal for controlling the T.O content of a hot-rolled sheet.Compared with the natural decarburization process,the forced decarburization process can effectively reduce the [N]content of IF steel,which is related to a more violent carbon-oxygen reaction in a vacuum chamber,resulting in a high volume of CO bubbles and a large gas-liquid reaction area.The decarburization process has no obvious influence on the type,size,and number of inclusions in the hot-rolled sheet of IF steel that mainly consist of Al2O3,Al2O;TiO,and other inclusions.The average sizes of the above three 4.5,4.4,and 6.5 um,respectively, according to the equivalent circle diameter of inclusions.In addition,more than 75%of inclusions are within 8 um.During the RH refining process,reducing the [O]content in molten steel after RH decarburization to the maximum extent is beneficial to improve the cleanliness of molten steel. KEY WORDS IF steel;RH refining;ladle slag oxidability:cleanliness;inclusions;decarburization process F钢因其良好的深冲性能被广泛应用于汽 艺、强制脱碳工艺生产F钢，在RH精炼结束取炉 车、家电、电子等行业.随着用户对冷轧板的表面 渣试样，并采用X射线荧光光谱仪分析炉渣中 质量要求日益提高，对钢中洁净度要求也越来越 T.Fe的质量分数；本文以两种脱碳工艺的RH结束 高，超低碳F钢生产工艺面临着新的挑战山 顶渣TFe的质量分数检测数据为依据，统计分析 目前，转炉一RH精炼一连铸(BOF一RH一CC) 脱碳工艺对顶渣氧化性的影响.两种脱碳工艺均 冶炼工艺流程生产F钢应用较为广泛，许多学者 采用“LF+RH”两步改质，分别在LF结束、RH结 在改善该流程生产F钢的洁净度方面作出研究， 束时进行顶渣改质处理 包括脱碳速率优化P-)、脱氧工艺优化、顶渣改 对采用自然脱碳工艺（炉号1~3）、强制脱碳 质工艺优化刀、纯循环时间优化8-习、镇静工艺优 工艺（炉号4~6）生产的共6炉次F钢热轧板取 化0山等.西昌钢钒厂使用脱钒钢水炼钢，转炉热 样，研究RH脱碳工艺对IF钢洁净度的影响，试验 量不足，故以转炉一LF精炼一RH精炼一连铸 炉次RH过程的相关工艺参数如表1所示，取样方 (BOF一LF一RH一CC)工艺生产IF钢，其冶炼流 法如图1所示，分析方法如下： 程较长，钢液与炉渣反应时间长，钢液中碳氧对顶 表1试验炉次RH过程工艺参数 渣氧化性和钢的洁净度的影响与常规BOF一RH一CC Table 1 Process parameters of experimental heats during the RH 短流程炼钢存在差别 treatment 为实现钢液快速降碳，西昌钢钒厂在RH精炼 Decarburization Oxygen [C]content in [O]content in Heats blowing/ steel after steel after 过程采用顶吹氧进行强制脱碳、自然脱碳两种工 process m3 decarburization/decarburization/ 艺生产F钢.目前有关以上两种脱碳工艺对RH精 10 106 炼最终的脱碳效果的影响研究较多2-岣，而关于 0 任 277 Natural 2 0 11 284 两种脱碳工艺对顶渣氧化性和钢的洁净度控制影 decarburization 0 15 290 响报道较少.基于此，在西昌钢钒厂进行了RH过 15 285 程采用强制脱碳和自然脱碳两种脱碳工艺生产 6 Forced 5 10 10 262 F钢实验研究，分析不同脱碳工艺对顶渣氧化性 decarburization 6 60 306 以及钢的洁净度影响规律，为进一步优化F钢生 产工艺和提高钢液洁净度提供理论指导 (1)T.O和N)含量分析.按照图1试样加工 1实验及研究方法 方法，在热轧板中部、1/4处、边部三个位置分别 取Φ3mm×50mm的棒状试样.试样经精磨、切 西昌钢钒厂采用“BOF一LF一RH一CC”工艺 割、清洗后，利用TCH600氧氨氢分析仪分析其 流程生产超低碳F钢，钢包到达H工位时，用超 T.O和N)含量 低碳钢取样器取钢水试样测量的碳含量，以及定 (2)夹杂物分析.按照图1试样加工方法，在 氧探头测量的氧含量作为钢水初始碳、氧含量 热轧板中部、1/4处、边部三个位置分别取大小为 当钢水初始氧含量超出完成脱碳任务所需消耗钢 15mm×15mm×4mm的块状试样.试样经磨抛 水总氧量(150×10)时，采用自然脱碳工艺，反之 后采用ASPEX扫描电镜对钢中非金属夹杂物类型、 采用强制吹氧脱碳工艺弥补钢中氧 尺寸及数量进行分析，每一试样扫描面积为17mm2, 西昌钢钒厂在RH精炼过程采用自然脱碳工 设置检测夹杂物最小尺寸为1m,并定义夹杂物
decarburization and forced decarburization processes are ideal for controlling the T.O content of a hot–rolled sheet. Compared with the natural decarburization process, the forced decarburization process can effectively reduce the [N] content of IF steel, which is related to a more violent carbon–oxygen reaction in a vacuum chamber, resulting in a high volume of CO bubbles and a large gas–liquid reaction area. The decarburization process has no obvious influence on the type, size, and number of inclusions in the hot–rolled sheet of IF steel that mainly consist of Al2O3 , Al2O3–TiOx , and other inclusions. The average sizes of the above three 4.5, 4.4, and 6.5 μm, respectively, according to the equivalent circle diameter of inclusions. In addition, more than 75% of inclusions are within 8 μm. During the RH refining process, reducing the [O] content in molten steel after RH decarburization to the maximum extent is beneficial to improve the cleanliness of molten steel. KEY WORDS IF steel；RH refining；ladle slag oxidability；cleanliness；inclusions；decarburization process IF 钢因其良好的深冲性能被广泛应用于汽 车、家电、电子等行业. 随着用户对冷轧板的表面 质量要求日益提高，对钢中洁净度要求也越来越 高，超低碳 IF 钢生产工艺面临着新的挑战[1] . 目前，转炉—RH 精炼—连铸（BOF—RH—CC） 冶炼工艺流程生产 IF 钢应用较为广泛，许多学者 在改善该流程生产 IF 钢的洁净度方面作出研究， 包括脱碳速率优化[2−3]、脱氧工艺优化[4]、顶渣改 质工艺优化[5−7]、纯循环时间优化[8−9]、镇静工艺优 化[10−11] 等. 西昌钢钒厂使用脱钒钢水炼钢，转炉热 量不足 ，故以转炉—LF 精炼—RH 精炼—连铸 （BOF—LF—RH—CC）工艺生产 IF 钢，其冶炼流 程较长，钢液与炉渣反应时间长，钢液中碳氧对顶 渣氧化性和钢的洁净度的影响与常规BOF—RH—CC 短流程炼钢存在差别. 为实现钢液快速降碳，西昌钢钒厂在 RH 精炼 过程采用顶吹氧进行强制脱碳、自然脱碳两种工 艺生产 IF 钢. 目前有关以上两种脱碳工艺对 RH 精 炼最终的脱碳效果的影响研究较多 [12−16] ，而关于 两种脱碳工艺对顶渣氧化性和钢的洁净度控制影 响报道较少. 基于此，在西昌钢钒厂进行了 RH 过 程采用强制脱碳和自然脱碳两种脱碳工艺生产 IF 钢实验研究，分析不同脱碳工艺对顶渣氧化性 以及钢的洁净度影响规律，为进一步优化 IF 钢生 产工艺和提高钢液洁净度提供理论指导. 1 实验及研究方法 西昌钢钒厂采用“BOF—LF—RH—CC”工艺 流程生产超低碳 IF 钢，钢包到达 RH 工位时，用超 低碳钢取样器取钢水试样测量的碳含量，以及定 氧探头测量的氧含量作为钢水初始碳、氧含量. 当钢水初始氧含量超出完成脱碳任务所需消耗钢 水总氧量（150×10−6）时，采用自然脱碳工艺，反之 采用强制吹氧脱碳工艺弥补钢中氧. 西昌钢钒厂在 RH 精炼过程采用自然脱碳工 艺、强制脱碳工艺生产 IF 钢，在 RH 精炼结束取炉 渣试样 ，并采用 X 射线荧光光谱仪分析炉渣中 T.Fe 的质量分数；本文以两种脱碳工艺的 RH 结束 顶渣 T.Fe 的质量分数检测数据为依据，统计分析 脱碳工艺对顶渣氧化性的影响. 两种脱碳工艺均 采用“LF+RH”两步改质，分别在 LF 结束、RH 结 束时进行顶渣改质处理. 对采用自然脱碳工艺（炉号 1～3）、强制脱碳 工艺（炉号 4～6）生产的共 6 炉次 IF 钢热轧板取 样，研究 RH 脱碳工艺对 IF 钢洁净度的影响，试验 炉次 RH 过程的相关工艺参数如表 1 所示，取样方 法如图 1 所示，分析方法如下： 表 1 试验炉次 RH 过程工艺参数 Table 1 Process parameters of experimental heats during the RH treatment Decarburization process Heats Oxygen blowing/ m 3 [C] content in steel after decarburization/ 10−6 [O] content in steel after decarburization/ 10−6 Natural decarburization 1 0 18 277 2 0 11 284 3 0 15 290 Forced decarburization 4 15 13 285 5 10 10 262 6 60 10 306 （1）T.O 和 [N] 含量分析. 按照图 1 试样加工 方法，在热轧板中部、1/4 处、边部三个位置分别 取Ф3 mm×50 mm 的棒状试样. 试样经精磨、切 割、清洗后，利用 TCH600 氧氮氢分析仪分析其 T.O 和 [N] 含量. （2）夹杂物分析. 按照图 1 试样加工方法，在 热轧板中部、1/4 处、边部三个位置分别取大小为 15 mm × 15 mm × 4 mm 的块状试样. 试样经磨抛 后采用 ASPEX 扫描电镜对钢中非金属夹杂物类型、 尺寸及数量进行分析，每一试样扫描面积为 17 mm2 ， 设置检测夹杂物最小尺寸为 1 μm，并定义夹杂物 · 1108 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期
袁保辉等：RH强制脱碳与自然脱碳工艺生产F钢精炼效果分析 1109· 1600mm on Rolling direct Analyses of inclusions 4 mm Analyses of T.O and [N] Middle 1/4 Side 图1试样加工示意图 Fig.1 Sampling scheme for the hot-rolled sheet 数量密度为单位面积内的夹杂物数量(mm2):采 艺脱碳效果的比较结果.由表2可知，相比自然脱 用扫描电镜分析热轧板中夹杂物形貌和成分 碳工艺炉次，RH强制脱碳工艺炉次的转炉终点、 2实验结果与讨论 RH进站钢液碳含量更高，脱碳结束钢中平均碳含 量均在12×106以下：同时，为了匹配后续连铸工 2.1脱碳工艺对顶渣氧化性的影响 序生产节奏，将两种脱碳工艺的脱碳时间、处理时 本文共统计了西昌钢钒厂在H精炼过程中采 间分别控制在20min和32min.可见，RH强制脱 用387炉次自然脱碳工艺、213炉次强制脱碳工艺 碳与自然脱碳工艺脱碳效果基本相当，下文将主要 的F钢生产数据，表2为自然脱碳与强制脱碳工 研究脱碳工艺对顶渣氧化性和钢液洁净度的影响 表2自然脱碳与强制脱碳工艺脱碳效果比较 Table 2 Comparison of the decarburization effects between the natural and forced decarburization processes RH decarburization RH treatment Decarburization process [C]ve content in steel [C]content in steel [Clve content in steel after BOF/10 before RH/10 after decarburization/10 time/min time/min Natural decarburization 420 305 11.1 20 32 Forced decarburization 490 344 11.8 21 Note:The subscript ave represents the average content in this work. 为研究脱碳工艺对顶渣氧化性的影响规律，本文 西昌钢钒厂采用“BOF一LF一RH一CC”工 采用统计学中常用的箱型图来真实直观地反应数据 艺流程生产F钢，转炉出钢采用滑板挡渣并控制 的分布情况7-网，结果如图2所示.由图2可知，与 渣厚在80mm以下，经吹氩站到达LF工序添加 自然脱碳工艺炉次相比，强制脱碳工艺炉次转炉结束 活性石灰和刚玉渣进行埋弧加热，在LF结束进 与RH进站钢中平均[O]含量更低，脱碳结束钢中 行初步钢包顶渣改质.值得注意的是，与常规 [O]含量与自然脱碳工艺脱碳结束钢中O]含量基本 LF工序采用还原性“白渣”不同2四，该厂LF工 在同一水平，RH结束时渣中平均T.Fe的质量分数降 序主要承担钢液升温任务，这使得炉渣虽在RH 低了13%，这与该厂F钢生产工艺特点相关 结束有进一步改质处理，但顶渣氧化性仍然较强 1000 由于RH过程渣中T.Fe含量与钢中[O]含量联系 der rh 密切，该厂F钢生产流程长，钢液与炉渣接触 850 95% 时间更长，自然脱碳工艺炉次转炉终点和H过 程的钢中[O]偏高，钢中[O]向渣中扩散趋势更为 5700 75% 15 显著，使得自然脱碳工艺炉次RH结束渣中T.Fe 含量更高 10 图3为强制脱碳工艺不同吹氧量时各工序钢 400 中[O]和RH结束渣中T.Fe的变化.由图3可知， 控制RH脱碳结束钢中[O]含量基本稳定前提下， 250 Natural decarburization Forced decarburization 在转炉结束、RH进站钢中[O]含量降低时，增加 Decarburization process 强制吹氧脱碳工艺的吹氧量，RH结束渣中T.Fe含 图2不同RH脱碳工艺钢中[O)]含量和RH结束渣中T.Fe含量分布 量呈降低趋势.研究指出，在RH强制吹氧脱碳期 Fig.2 Distribution of [O]content in molten steel and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment in different RH decarburization 间短时间内钢液氧势会超过炉渣氧势，钢液开始 processes 向顶渣传氧，但随着吹氧结束后钢中氧含量逐渐
数量密度为单位面积内的夹杂物数量（mm−2）；采 用扫描电镜分析热轧板中夹杂物形貌和成分. 2 实验结果与讨论 2.1 脱碳工艺对顶渣氧化性的影响 本文共统计了西昌钢钒厂在 RH 精炼过程中采 用 387 炉次自然脱碳工艺、213 炉次强制脱碳工艺 的 IF 钢生产数据. 表 2 为自然脱碳与强制脱碳工 艺脱碳效果的比较结果. 由表 2 可知，相比自然脱 碳工艺炉次，RH 强制脱碳工艺炉次的转炉终点、 RH 进站钢液碳含量更高，脱碳结束钢中平均碳含 量均在 12×10−6 以下；同时，为了匹配后续连铸工 序生产节奏，将两种脱碳工艺的脱碳时间、处理时 间分别控制在 20 min 和 32 min. 可见，RH 强制脱 碳与自然脱碳工艺脱碳效果基本相当，下文将主要 研究脱碳工艺对顶渣氧化性和钢液洁净度的影响. 表 2 自然脱碳与强制脱碳工艺脱碳效果比较 Table 2 Comparison of the decarburization effects between the natural and forced decarburization processes Decarburization process [C]ave content in steel after BOF/10−6 [C]ave content in steel before RH/10−6 [C]ave content in steel after decarburization/10−6 RH decarburization time/min RH treatment time/min Natural decarburization 420 305 11.1 20 32 Forced decarburization 490 344 11.8 21 33 Note: The subscript ave represents the average content in this work. 为研究脱碳工艺对顶渣氧化性的影响规律，本文 采用统计学中常用的箱型图来真实直观地反应数据 的分布情况 [17−19] ，结果如图 2 所示. 由图 2 可知，与 自然脱碳工艺炉次相比，强制脱碳工艺炉次转炉结束 与 RH 进站钢中平均 [O] 含量更低，脱碳结束钢中 [O] 含量与自然脱碳工艺脱碳结束钢中 [O] 含量基本 在同一水平，RH 结束时渣中平均 T.Fe 的质量分数降 低了 1.3%，这与该厂 IF 钢生产工艺特点相关. 1000 850 700 550 400 25 20 15 10 5 250 Natural decarburization Decarburization process Forced decarburization [O] content in molten steel/10−6 T.Fe content in slag after RH treatment/ [O] in steel after BOF % [O] in steel before RH [O] in steel after decarburization T.Fe content slag after RH 95% 75% 25% 14.1 12.8 5% Mean Median 图 2 不同 RH 脱碳工艺钢中 [O] 含量和 RH 结束渣中 T.Fe 含量分布 Fig.2 Distribution of [O] content in molten steel and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment in different RH decarburization processes 西昌钢钒厂采用“BOF—LF—RH—CC”工 艺流程生产 IF 钢，转炉出钢采用滑板挡渣并控制 渣厚在 80 mm 以下，经吹氩站到达 LF 工序添加 活性石灰和刚玉渣进行埋弧加热，在 LF 结束进 行初步钢包顶渣改质. 值得注意的是，与常规 LF 工序采用还原性“白渣”不同[20−22] ，该厂 LF 工 序主要承担钢液升温任务，这使得炉渣虽在 RH 结束有进一步改质处理，但顶渣氧化性仍然较强. 由于 RH 过程渣中 T.Fe 含量与钢中 [O] 含量联系 密切[13] ，该厂 IF 钢生产流程长，钢液与炉渣接触 时间更长，自然脱碳工艺炉次转炉终点和 RH 过 程的钢中 [O] 偏高，钢中 [O] 向渣中扩散趋势更为 显著，使得自然脱碳工艺炉次 RH 结束渣中 T.Fe 含量更高. 图 3 为强制脱碳工艺不同吹氧量时各工序钢 中 [O] 和 RH 结束渣中 T.Fe 的变化. 由图 3 可知， 控制 RH 脱碳结束钢中 [O] 含量基本稳定前提下， 在转炉结束、RH 进站钢中 [O] 含量降低时，增加 强制吹氧脱碳工艺的吹氧量，RH 结束渣中 T.Fe 含 量呈降低趋势. 研究指出，在 RH 强制吹氧脱碳期 间短时间内钢液氧势会超过炉渣氧势，钢液开始 向顶渣传氧，但随着吹氧结束后钢中氧含量逐渐 1600 mm Middle 1/4 Side Analyses of T.O and [N] Analyses of inclusions 4 mm Rolling direction 图 1 试样加工示意图 Fig.1 Sampling scheme for the hot–rolled sheet 袁保辉等： RH 强制脱碳与自然脱碳工艺生产 IF 钢精炼效果分析 · 1109 ·
·1110 工程科学学报，第43卷，第8期 下降，钢中氧向炉渣传递趋势会逐渐减弱，在整个 30 (a) (b) .o RH脱碳过程中，顶渣T.Fe含量略微增加)，但由 25 23 于西昌钢钒厂整个F钢冶炼流程长，钢液与炉渣 21.0 207 接触时间长且RH过程炉渣氧势本身较高以及合 20 19.8 196 17.0 适的吹氧制度，转炉结束至H进站钢液氧含量对 15 133 13.9 顶渣氧化性影响要大于强制吹氧脱碳期间钢液氧 11.2 11.0 10 含量增加引起的炉渣氧化性变化。因此，在低转炉 终点和RH进站钢液氧活度下，在RH过程采用强 制吹氧脱碳工艺适当增加吹氧量，可达到控制顶 0 渣氧化性的目的 6 The number of heats in different decarburization processes 650 lOL content in stecl after BOF 图4。不同脱碳工艺炉次钢中T.O和N含量变化.()自然脱碳： O]content in steel before RH 18 O]content in steel after decarburization (6)强制脱碳 T.Fe content in slag after RH 三 Fig.4 Total oxygen and nitrogen changes in different decarburization process heats:(a)natural decarburization process;(b)forced 575 decarburization process 14日 50 钢液脱氨反应式如下所示： 2 525 2N]=N2(g) (1) 500 △G8=-7200+47.78T (2) 290 88.1 8 lg[N]=- T +0.5gP,-∑W1-1.264 (3) 15<Oxygen blowing≤25 Oxygen blowing≤l5 25<Oxygen blowing40 Oxygen blowing>40 j=2 Oxygen blowing/m3 其中，T为钢液温度，K;N为钢中氮的质量分 图3不同吹氧量时各工序钢中[O]和RH结束渣中T.Fe变化 数，%；P2为钢液表面氮分压，Pa;[门为钢中其他 Fig.3 Changes of [O]content in molten steel of the different processes 溶质的质量分数，%：以为钢中其他溶质与氨的相 and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment for different 互作用系数；N2(g)表示氮气；△G为标准吉布斯自 oxygen blowing conditions 由能变化，kJmo 综上可知，在能满足RH脱碳效果的前提下， 由式(2)、(3)可知，钢液温度、氨分压、钢液 尽量提高转炉终点钢液碳含量、降低钢液氧含量， 成分为影响钢液脱氨的因素.H精炼过程采用 后续在RH精炼时采用强制吹氧脱碳工艺，适当增 强制吹氧脱碳工艺期间，真空室内碳氧反应相较 大吹氧量来弥补钢中氧的欠缺，可显著降低F钢 于自然脱碳更加剧烈，钢液中快速生成大量 顶渣氧化性 CO气泡，CO气泡对于氮来说相当于真空，越多 2.2脱碳工艺对热轧板中T.0和N]含量的影响 的CO气泡越有利于脱氨速率的提高：同时，强制 不同脱碳工艺热轧板中T.O和N)含量变化 吹氧脱碳期间更剧烈的熔池搅拌能有效增大气 如图4所示，每炉T.O和N)含量为热轧板中部、 液反应界面积，提高脱氨速率24-2因此，强制脱 1/4处、边部三个位置所测均值.由图4可知，自然 碳工艺相较于自然脱碳工艺可有效降低F钢N 脱碳工艺炉次与强制脱碳工艺炉次的T.O含量最 含量 大值仅相差1.3×106，其T.0平均质量分数分别为 2.3脱碳工艺对热轧板中夹杂物影响 13.3×106和13.9×106，说明两种脱碳工艺控制热 为了更好体现脱碳工艺对最终产品质量的影 轧板T.O含量均比较理想；自然脱碳工艺炉次 响，本文以不同脱碳工艺生产的超低碳F钢热轧 [N含量最小值为19.8×106、最大值达到23.5×106， 板为研究对象，对热轧板进行取样分析钢中夹杂 强制脱碳工艺炉次N)含量最小值为17.0×106、 物.在采用自然脱碳工艺与强制脱碳工艺生产的 最大值仅为20.7×10，自然脱碳工艺炉次N)平均 两个炉次中选择典型夹杂物，其成分及形貌如图5、 质量分数较强制脱碳工艺高2.4×106，说明强制脱 6所示.根据夹杂物的形貌和成分不同，两种脱碳 碳工艺可有效降低F钢N含量，这与不同脱碳 工艺热轧板中夹杂物均可分为以下三类：(1)A1O3 工艺钢液脱氨条件不同有关 夹杂物；(2)Al2O3-TiO,复合夹杂物；(3)其他类夹
下降，钢中氧向炉渣传递趋势会逐渐减弱，在整个 RH 脱碳过程中，顶渣 T.Fe 含量略微增加[13] ，但由 于西昌钢钒厂整个 IF 钢冶炼流程长，钢液与炉渣 接触时间长且 RH 过程炉渣氧势本身较高以及合 适的吹氧制度，转炉结束至 RH 进站钢液氧含量对 顶渣氧化性影响要大于强制吹氧脱碳期间钢液氧 含量增加引起的炉渣氧化性变化. 因此，在低转炉 终点和 RH 进站钢液氧活度下，在 RH 过程采用强 制吹氧脱碳工艺适当增加吹氧量，可达到控制顶 渣氧化性的目的. 650 625 600 575 550 525 500 Average [O] content in molten steel/10 290 −6 Average T.Fe content in slag after RH/ % 18 16 14 12 10 8 Oxygen blowing≤15 15<Oxygen blowing≤25 25<Oxygen blowing≤40 Oxygen blowing>40 Oxygen blowing/m3 [O]ave content in steel after BOF [O]ave content in steel before RH [O]ave content in steel after decarburization T.Feave content in slag after RH 图 3 不同吹氧量时各工序钢中 [O] 和 RH 结束渣中 T.Fe 变化 Fig.3 Changes of [O] content in molten steel of the different processes and T.Fe content in the ladle slag after the RH treatment for different oxygen blowing conditions 综上可知，在能满足 RH 脱碳效果的前提下， 尽量提高转炉终点钢液碳含量、降低钢液氧含量， 后续在 RH 精炼时采用强制吹氧脱碳工艺，适当增 大吹氧量来弥补钢中氧的欠缺，可显著降低 IF 钢 顶渣氧化性. 2.2 脱碳工艺对热轧板中 T.O 和 [N] 含量的影响 不同脱碳工艺热轧板中 T.O 和 [N] 含量变化 如图 4 所示，每炉 T.O 和 [N] 含量为热轧板中部、 1/4 处、边部三个位置所测均值. 由图 4 可知，自然 脱碳工艺炉次与强制脱碳工艺炉次的 T.O 含量最 大值仅相差 1.3×10−6 ，其 T.O 平均质量分数分别为 13.3×10−6 和 13.9×10−6，说明两种脱碳工艺控制热 轧 板 T.O 含量均比较理想 ；自然脱碳工艺炉 次 [N] 含量最小值为 19.8×10−6、最大值达到 23.5×10−6 ， 强制脱碳工艺炉次 [N] 含量最小值为 17.0×10−6、 最大值仅为 20.7×10−6，自然脱碳工艺炉次 [N] 平均 质量分数较强制脱碳工艺高 2.4×10−6，说明强制脱 碳工艺可有效降低 IF 钢 [N] 含量，这与不同脱碳 工艺钢液脱氮条件不同有关. 1 2 3 The number of heats in different decarburization processes 4 5 6 Mass fraction/10−6 30 25 15.5 (a) (b) T.O [N] 19.8 21.0 23.5 20.7 19.6 17.0 20 15 10 5 0 13.9 11.0 16.8 11.2 13.3 图 4 不同脱碳工艺炉次钢中 T.O 和 [N] 含量变化. （a）自然脱碳； （b）强制脱碳 Fig.4 Total oxygen and nitrogen changes in different decarburization process heats: (a) natural decarburization process; (b) forced decarburization process 钢液脱氮反应式[23] 如下所示： 2[N] = N2(g) （1） ∆G ⊖ = −7200+47.78T （2） lg[N] = − 188.1 T +0.5lgPN2 − ∑m j=2 e j N [j]−1.264 （3） T [N] PN2 [j] e j N N2(g) ∆G ⊖ 其中 ， 为钢液温度 ， K； 为钢中氮的质量分 数，%； 为钢液表面氮分压，Pa； 为钢中其他 溶质的质量分数，%； 为钢中其他溶质与氮的相 互作用系数； 表示氮气； 为标准吉布斯自 由能变化，kJ·mol–1 . 由式（2）、（3）可知，钢液温度、氮分压、钢液 成分为影响钢液脱氮的因素. RH 精炼过程采用 强制吹氧脱碳工艺期间，真空室内碳氧反应相较 于自然脱碳更加剧烈 ，钢液中快速生成大 量 CO 气泡，CO 气泡对于氮来说相当于真空，越多 的 CO 气泡越有利于脱氮速率的提高；同时，强制 吹氧脱碳期间更剧烈的熔池搅拌能有效增大气 液反应界面积，提高脱氮速率[24−26] . 因此，强制脱 碳工艺相较于自然脱碳工艺可有效降低 IF 钢 [N] 含量. 2.3 脱碳工艺对热轧板中夹杂物影响 为了更好体现脱碳工艺对最终产品质量的影 响，本文以不同脱碳工艺生产的超低碳 IF 钢热轧 板为研究对象，对热轧板进行取样分析钢中夹杂 物. 在采用自然脱碳工艺与强制脱碳工艺生产的 两个炉次中选择典型夹杂物，其成分及形貌如图 5、 6 所示. 根据夹杂物的形貌和成分不同，两种脱碳 工艺热轧板中夹杂物均可分为以下三类：（1）Al2O3 夹杂物；（2）Al2O3−TiOx复合夹杂物；（3）其他类夹 · 1110 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期
袁保辉等：RH强制脱碳与自然脱碳工艺生产F钢精炼效果分析 1111 杂物，主要含有Ca、Mg、Al等元素，部分夹杂物还 夹杂物、Mg0-Al2O3-TiO,夹杂物和CaO-Al2O3-TiOx 含有少量Ti元素.图7为Al2O3夹杂物、Al2O3-TiOx 夹杂物的能谱面扫描图. (a) 2 um 5 um 5um (b) 5 um 5 um 5μm (c) 2 um 5 um 2 um 图5自然脱碳工艺炉次1钢中夹杂物的典型形貌.(a)AlO3夹杂物；(b)Al20,-TiO,夹杂物；(c)Ca0-Al20,-Ti0、MgO-Al2O3、 Mg0-Al20,-TiO.夹杂物 Fig.5 Typical morphologies of inclusions in the natural decarburization process of Heat 1:(a)Al2O3 inclusions;(b)Al2O-TiO,inclusions; (c)Cao-Al2O,-TiO MgO-Al2O,-TiO,and MgO-Al2O3 inclusions 结合图5~图7可知，热轧板中A12O3夹杂形 顶渣氧化性仍然较强，炉渣对钢液的二次氧化作 状不规则，分别呈球状、三角形状和多边形状，部 用也会生成AlO,-TiO,复合夹杂5刀，具体反应如 分夹杂存在破碎情况，这是由轧制过程AlO3夹杂 式(4)、(5)所示.其他类夹杂物边缘比较粗糙且含 发生变形导致.实验所取热轧板样表面质量较好， 有Ca、Mg、Al等元素，应为炉渣卷入钢液引起的. 未发现簇群状A12O3夹杂物.这是由于该钢厂生 3Ti]+5A2O3=3Al2O3·Ti02+4[A1] (4) 产F钢时，在加入海绵T合金化后纯循环时间为 (x+3)[O]+2[Al]+[Ti]=Al2O3TiOx (5) 8~10min,镇静时间也在30min左右，依据生产经 图8为不同脱碳工艺三类夹杂物尺寸分布箱 验⑧-山，该钢厂夹杂物上浮时间比较充分，有利于 型图，图中的夹杂物尺寸分布为该夹杂物在各脱 钢中大颗粒Al2O3夹杂物上浮去除27，钢中是否存 碳工艺的热轧板中部、1/4处、边部三个位置总的 在簇群状A12O3夹杂物与脱碳结束钢中氧活度密 尺寸分布，以夹杂物的等效圆直径表示夹杂物尺 切相关28-0，也有研究指出RH真空结束很难发现 寸.统计夹杂物尺寸分布时，将所有夹杂物尺寸按 簇群状夹杂物B,对于Al2O3-TiO,夹杂物，形状多 从小到大排列成有序序列，图中的百分数就是指 为球形，Ti元素含量较少且多分布在Al2O3夹杂外 在图中对应的夹杂物尺寸值以下的夹杂物数量占 层，该类夹杂物的形成主要是因为在钢液中加入 夹杂物总数量的百分比.由图8可知，三类夹杂物 Ti后，Al2O3将会由外向内逐渐被T还原最终形 的尺寸分布中间值更靠近较小尺寸夹杂物，说明 成Ti-A1-O类夹杂物四：同时，由于该厂RH结束 钢中大多数为小尺寸夹杂物，且钢中8um以下的
杂物，主要含有 Ca、Mg、Al 等元素，部分夹杂物还 含有少量 Ti 元素. 图 7 为 Al2O3 夹杂物、Al2O3−TiOx 夹杂物、MgO−Al2O3−TiOx 夹杂物和CaO−Al2O3−TiOx 夹杂物的能谱面扫描图. 2 μm 5 μm 5 μm 5 μm 5 μm 5 μm 2 μm 5 μm 2 μm (a) (b) (c) 图 5 自 然 脱 碳 工 艺 炉 次 1 钢 中 夹 杂 物 的 典 型 形 貌 . （ a） Al2O3 夹 杂 物 ； （ b） Al2O3−TiOx 夹 杂 物 ； （ c） CaO−Al2O3−TiOx、 MgO−Al2O3、 MgO−Al2O3−TiOx 夹杂物 Fig.5 Typical morphologies of inclusions in the natural decarburization process of Heat 1： (a) Al2O3 inclusions; (b) Al2O3–TiOx inclusions; (c) CaO–Al2O3–TiOx , MgO–Al2O3–TiOx , and MgO–Al2O3 inclusions 结合图 5～图 7 可知，热轧板中 Al2O3 夹杂形 状不规则，分别呈球状、三角形状和多边形状，部 分夹杂存在破碎情况，这是由轧制过程 Al2O3 夹杂 发生变形导致. 实验所取热轧板样表面质量较好， 未发现簇群状 Al2O3 夹杂物. 这是由于该钢厂生 产 IF 钢时，在加入海绵 Ti 合金化后纯循环时间为 8～10 min，镇静时间也在 30 min 左右，依据生产经 验[8−11] ，该钢厂夹杂物上浮时间比较充分，有利于 钢中大颗粒 Al2O3 夹杂物上浮去除[27] ；钢中是否存 在簇群状 Al2O3 夹杂物与脱碳结束钢中氧活度密 切相关[28−30] ，也有研究指出 RH 真空结束很难发现 簇群状夹杂物[31] . 对于 Al2O3−TiOx 夹杂物，形状多 为球形，Ti 元素含量较少且多分布在 Al2O3 夹杂外 层，该类夹杂物的形成主要是因为在钢液中加入 Ti 后 ，Al2O3 将会由外向内逐渐被 Ti 还原最终形 成 Ti−Al−O 类夹杂物[32] ；同时，由于该厂 RH 结束 顶渣氧化性仍然较强，炉渣对钢液的二次氧化作 用也会生成 Al2O3−TiOx 复合夹杂[5−7] ，具体反应如 式（4）、（5）所示. 其他类夹杂物边缘比较粗糙且含 有 Ca、Mg、Al 等元素，应为炉渣卷入钢液引起的. 3[Ti]+5Al2O3= 3Al2O3 ·TiO2+4[Al] （4） (x+3)[O]+2[Al]+[Ti]= Al2O3 ·TiOx （5） 图 8 为不同脱碳工艺三类夹杂物尺寸分布箱 型图，图中的夹杂物尺寸分布为该夹杂物在各脱 碳工艺的热轧板中部、1/4 处、边部三个位置总的 尺寸分布，以夹杂物的等效圆直径表示夹杂物尺 寸. 统计夹杂物尺寸分布时，将所有夹杂物尺寸按 从小到大排列成有序序列，图中的百分数就是指 在图中对应的夹杂物尺寸值以下的夹杂物数量占 夹杂物总数量的百分比. 由图 8 可知，三类夹杂物 的尺寸分布中间值更靠近较小尺寸夹杂物，说明 钢中大多数为小尺寸夹杂物，且钢中 8 μm 以下的 袁保辉等： RH 强制脱碳与自然脱碳工艺生产 IF 钢精炼效果分析 · 1111 ·