RH精炼脱碳与夹杂物控制

D0L:10.13374M.issm1001-053x.2011.s1.031 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 RH精炼脱碳与夹杂物控制 孙群凶林洋李伟东 骸钢股份有限公司炼钢总厂，鞍山114021 ☒通信作者，E-mail:sunqunww@yahoo.com.cn 摘要为了提高RH精炼处理效率及钢水的洁净度，鞍钢股份有限公司炼钢总厂针对H精炼装置脱碳、氧含量和夹杂物 控制等相关工艺进行了研究和改进.通过控制转炉粗钢液中的碳氧含量、快速提高H真空度、增加提升钢液的驱动气体氩气 流量、吹氧强制脱碳、延长真空脱碳时间、增大插入管管径以及改善插入管形状维护等措施，保证了H精炼的脱碳效果.通过 控制钢包及浇注过程增碳，保证了成品碳稳定控制在20×106以下；同时优化了RH精炼升温工艺，并开发硅脱氧、镁脱氧及 中间包改质工艺，显著降低了钢坯的全氧含量，降低了冷轧夹杂比率，从而确定了合理的H治炼超低碳钢工艺参数及RH精 炼搬出后超低碳钢增碳的控制工艺， 关键词炼钢：精炼：脱碳：夹杂物 分类号T℉769 Decarburization treatment and inclusion control during RH refining SUN Qun,LIN Yang,LI Wei-dong General Steelmaking Plant of Angang Steel Co..Ltd.Anshan 114021.China Corresponding author,E-mail:sunqunww@yahoo.com.cn ABSTRACT In order to improve the RH treatment efficiency and the molten steel cleanliness,some investigations on decarburization processes,oxygen concentration in molten steel and inclusion removal during RH refining were carried out.The decarburization effi- ciency can be improved through the measures of appropriately controlling the contents of carbon and oxygen during tapping,rapidly in- creasing the RH vacuum,increasing the lifting gas amount,forcing the decarburization,prolonging the decarburization time,expanding the snorkel diameter and optimizing the snorkel shape.The carbon content of final products is controlled within 20 x10by controlling the increment.The oxygen content in as-east slabs and the off-grade cold-rolled products due to inclusions are decreased greatly by the optimization of RH heating technology and the development of silicon deoxidation,magnesium deoxidation and tundish covering modifi- cation technology.Through the above measures,reasonable ultra-ow carbon steel production and increment controlling techniques have been established. KEY WORDS steelmaking:refining:decarburization:inclusions 鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三工区两座 钢的生产，一方面要强化RH的脱碳能力，并防止 175tRH-TB设备分别建于1998年和2004年，并于 精炼后期及浇注过程增碳：另一方面，超低碳钢由 1999年12月份和2006年9月份热试车投入使用. 于脱碳的需要，处理前后钢水中及渣中含氧较高， 该设备基础设计和主要设备分别从德国MESSO公 如何精确控制钢水中的氧及改质高氧化性顶渣对 司和SMS MEVAC公司引进，采用大罐旋转台快速 钢水的最终质量具有重要影响.因此，在炼钢、精 换罐、真空室双室平移、待机位置真空室快速加热、 炼以及连铸生产工艺过程中，系统研究深脱碳冶 真空室离线喷补和多功能氧枪等技术. 炼控制、残余氧和夹杂物控制以及防止增碳等相 RH精炼投产后，相继开发了F钢、无取向硅 关工艺，对提高RH精炼效率以及提高钢水洁净度 钢和高级别管线钢等高附加值钢种.针对超低碳 具有重要意义. 收稿日期：20110804

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 RH 精炼脱碳与夹杂物控制 孙 群 林 洋 李伟东 鞍钢股份有限公司炼钢总厂，鞍山 114021 通信作者，E-mail: sunqunww@ yahoo． com． cn 摘 要 为了提高 RH 精炼处理效率及钢水的洁净度，鞍钢股份有限公司炼钢总厂针对 RH 精炼装置脱碳、氧含量和夹杂物 控制等相关工艺进行了研究和改进． 通过控制转炉粗钢液中的碳氧含量、快速提高 RH 真空度、增加提升钢液的驱动气体氩气 流量、吹氧强制脱碳、延长真空脱碳时间、增大插入管管径以及改善插入管形状维护等措施，保证了 RH 精炼的脱碳效果． 通过 控制钢包及浇注过程增碳，保证了成品碳稳定控制在 20 × 10 － 6 以下; 同时优化了 RH 精炼升温工艺，并开发硅脱氧、镁脱氧及 中间包改质工艺，显著降低了钢坯的全氧含量，降低了冷轧夹杂比率，从而确定了合理的 RH 冶炼超低碳钢工艺参数及 RH 精 炼搬出后超低碳钢增碳的控制工艺． 关键词 炼钢; 精炼; 脱碳; 夹杂物 分类号 TF769 Decarburization treatment and inclusion control during RH refining SUN Qun ，LIN Yang，LI Wei-dong General Steelmaking Plant of Angang Steel Co． ，Ltd． ，Anshan 114021，China Corresponding author，E-mail: sunqunww@ yahoo． com． cn ABSTRACT In order to improve the RH treatment efficiency and the molten steel cleanliness，some investigations on decarburization processes，oxygen concentration in molten steel and inclusion removal during RH refining were carried out． The decarburization effi￾ciency can be improved through the measures of appropriately controlling the contents of carbon and oxygen during tapping，rapidly in￾creasing the RH vacuum，increasing the lifting gas amount，forcing the decarburization，prolonging the decarburization time，expanding the snorkel diameter and optimizing the snorkel shape． The carbon content of final products is controlled within 20 × 10 － 6 by controlling the increment． The oxygen content in as-cast slabs and the off-grade cold-rolled products due to inclusions are decreased greatly by the optimization of RH heating technology and the development of silicon deoxidation，magnesium deoxidation and tundish covering modifi￾cation technology． Through the above measures，reasonable ultra-low carbon steel production and increment controlling techniques have been established． KEY WORDS steelmaking; refining; decarburization; inclusions 收稿日期: 2011--08--04 鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三工区两座 175 t RH--TB 设备分别建于 1998 年和 2004 年，并于 1999 年 12 月份和 2006 年 9 月份热试车投入使用． 该设备基础设计和主要设备分别从德国 MESSO 公 司和 SMS MEVAC 公司引进，采用大罐旋转台快速 换罐、真空室双室平移、待机位置真空室快速加热、 真空室离线喷补和多功能氧枪等技术． RH 精炼投产后，相继开发了 IF 钢、无取向硅 钢和高级别管线钢等高附加值钢种． 针对超低碳 钢的生产，一方面要强化 RH 的脱碳能力，并防止 精炼后期及浇注过程增碳; 另一方面，超低碳钢由 于脱碳的需要，处理前后钢水中及渣中含氧较高， 如何精确控制钢水中的氧及改质高氧化性顶渣对 钢水的最终质量具有重要影响． 因此，在炼钢、精 炼以及连铸生产工艺过程中，系统研究深脱碳冶 炼控制、残余氧和夹杂物控制以及防止增碳等相 关工艺，对提高 RH 精炼效率以及提高钢水洁净度 具有重要意义． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.031

增刊1 孙群等：RH精炼脱碳与夹杂物控制 ·143· [0],若想加速深脱碳反应，必须补充钢液中的[0] 1 RH深脱碳工艺研究 至(200~400)×10-6，因此该阶段深脱碳措施往往 生产F钢和冷轧硅钢等超低碳钢采用的冶炼 采取顶吹氧强制脱碳方式，深脱碳时间一般在15~ 工艺路线为：复吹转炉→RH-TB→板坯连铸 20min之间. 1.1复吹转炉冶炼 (3)第三阶段.脱[C]后期，钢液中[C]由30× 使用鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三工区 10-左右降至10×10-6以下.该阶段碳氧反应速度 175t顶底复吹转炉冶炼F钢和硅钢时，全程底吹氩 极慢，提高真空度的促进作用不明显.碳氧反应地 气，冶炼前、中、后期底吹供气强度分别为0.06、 点已转移到钢液表面层，因此不仅采取顶吹氧强制 0.04和0.08m3·min-1t-1.后期增大供气强度目 脱碳，同时还采取增加钢液与气相接触面积的措施， 的是促进钢-渣反应以达到进一步降碳.冶炼过程 如向钢液表面吹A、O,等气体以及加入铁矿粉等方 中前、中、后期顶吹氧枪采取高→低→低的枪位变 法.同时在真空条件下精炼时间保持越长，才能做 化，实现冶炼终点[C]含量越低越好的目标.出钢 到进一步降低钢液中的碳含量、 过程采取“留氧”操作.由于精炼前的粗钢液中 虽然如此，但在实际操作中应根据粗钢液中的 [C]、[O]含量及其稳定性对RH-TB精炼过程深脱 [C]、[O]含量进行具体调节，如粗钢液中的[C]偏 碳的操作工艺、精炼时间等有很大的影响.因此，要 高（大于500×10-6），则第一阶段真空深脱碳时就 求复吹转炉供给RH一TB精炼的粗钢液中的[C]≤ 可以采取顶吹氧强制脱碳措施，充分发挥顶吹氧枪 0.05%,[0]为(400~600)×10-6范围. 的作用.如果粗钢液中[C]在200×10-6左右，则可 1.2RH-TB真空吹氧深脱碳精炼过程 以直接过渡到第二阶段开始. 复吹转炉提供的粗钢液中[C]若在400×10-6， 1.3提高RH一TB真空吹氧深脱碳控制措施 [0]在500×10-6，则RH-TB深脱碳可分为三个 (1)快速提高RH真空度.由碳氧反应达到平 阶段. 衡时的碳氧浓度积可知，只有降低RH真空室里CO (1)第一阶段.[C]由400×10-6降至200× 气相分压，才能促使碳氧反应继续进行.真空室里 10-6.在此期间内，[C]、[0]含量较高，反应激烈， C0分压与真空室排气速度、排气时间有下列关 喷溅严重；同时，抽真空时间不长，真空度仅在1~ 系： 2kPa范围，可以减轻钢液喷溅发生.由于钢液中的 InPco =Rt -4.618 (1) [C]、[O]比较高，在钢液中的扩散又不是限制性环 式中：Pco为真空室压力，kPa;R为真空室内排气速 节，因此深脱碳措施往往采取自然脱碳方式.第一 度，Lmin;t为排气时间，min. 阶段深脱碳时间一般在5min左右. 因此，炼钢三工区RH一TB处理过程采用大泵 (2)第二阶段.[C]由200×10-6左右降至 抽真空，并采取手动和自动控制相结合，提高真空室 15×10-6.尽管提高真空度对脱碳有促进作用，但 内的排气速度，快速提高真空度，迅速降低真空室内 该阶段脱碳速度主要受到钢液中的[0]含量影响. 气相中C0分压，促进钢液中的碳氧反应，达到降低 这是因为第一阶段脱碳反应已消耗了钢液中的 钢液碳含量的目的，如表1所示. 表1真空室压力与排气时间关系 Table 1 Relationship between vacuum pressure and exhaust time 抽气时间/min 3 5 7 9 10 11 12~14 1518 19-26 真空室压力/kPa18.04 1.00 0.89 0.27 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.12 从表1数据可知，仅用3.5min时间，真空室内 循环速度关系如下公式)： 真空度就可以达到1kPa以下，钢液中碳由410× Q=11.4G1D [n(P/P)]1 (2) 10-6快速降至160×10-6左右，完成了第一阶段深 式中：Q为钢液循环速度，t"min':G为提升钢液的 脱碳任务.继续抽真空至19min,可以达0.12kPa 氩气流量，L~min;D为RH上升管直径，cm:P,P2 的真空度，为第二阶段深脱碳提供可靠的保证 为氩气压力和标准压力，kPa (2)增加提升钢液的驱动气体氩气流量.提升 可见，增加提升钢液的驱动气体氩气流量，可以 钢液的驱动气体氩气流量与钢液通过RH真空室的 促进钢液通过RH真空室的循环速度.氩气流量增

增刊 1 孙 群等: RH 精炼脱碳与夹杂物控制 1 RH 深脱碳工艺研究 生产 IF 钢和冷轧硅钢等超低碳钢采用的冶炼 工艺路线为: 复吹转炉→RH--TB→板坯连铸． 1. 1 复吹转炉冶炼 使用鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三工区 175 t 顶底复吹转炉冶炼 IF 钢和硅钢时，全程底吹氩 气，冶炼前、中、后期底吹供气强度分别为 0. 06、 0. 04 和 0. 08 m3 ·min － 1 ·t － 1 ． 后期增大供气强度目 的是促进钢 － 渣反应以达到进一步降碳． 冶炼过程 中前、中、后期顶吹氧枪采取高→低→低的枪位变 化，实现冶炼终点［C］含量越低越好的目标． 出钢 过程采取“留氧”操作． 由于精炼前的粗钢液中 ［C］、［O］含量及其稳定性对 RH--TB 精炼过程深脱 碳的操作工艺、精炼时间等有很大的影响． 因此，要 求复吹转炉供给 RH--TB 精炼的粗钢液中的［C］≤ 0. 05%，［O］为( 400 ～ 600) × 10 － 6 范围． 1. 2 RH--TB真空吹氧深脱碳精炼过程 复吹转炉提供的粗钢液中［C］若在 400 × 10 － 6 ， ［O］在 500 × 10 － 6 ，则 RH--TB 深脱碳可分为三个 阶段［1］． ( 1) 第一阶段． ［C］由 400 × 10 － 6 降至 200 × 10 － 6 ． 在此期间内，［C］、［O］含量较高，反应激烈， 喷溅严重; 同时，抽真空时间不长，真空度仅在1 ～ 2 kPa范围，可以减轻钢液喷溅发生． 由于钢液中的 ［C］、［O］比较高，在钢液中的扩散又不是限制性环 节，因此深脱碳措施往往采取自然脱碳方式． 第一 阶段深脱碳时间一般在 5 min 左右． ( 2) 第二阶段． ［C］由 200 × 10 － 6 左右降至 15 × 10 － 6 ． 尽管提高真空度对脱碳有促进作用，但 该阶段脱碳速度主要受到钢液中的［O］含量影响． 这是因为第一阶段脱碳反应已消耗了钢液中的 ［O］，若想加速深脱碳反应，必须补充钢液中的［O］ 至( 200 ～ 400) × 10 － 6 ，因此该阶段深脱碳措施往往 采取顶吹氧强制脱碳方式，深脱碳时间一般在 15 ～ 20 min 之间． ( 3) 第三阶段． 脱［C］后期，钢液中［C］由 30 × 10 － 6 左右降至 10 × 10 － 6 以下． 该阶段碳氧反应速度 极慢，提高真空度的促进作用不明显． 碳氧反应地 点已转移到钢液表面层，因此不仅采取顶吹氧强制 脱碳，同时还采取增加钢液与气相接触面积的措施， 如向钢液表面吹 Ar、O2等气体以及加入铁矿粉等方 法． 同时在真空条件下精炼时间保持越长，才能做 到进一步降低钢液中的碳含量． 虽然如此，但在实际操作中应根据粗钢液中的 ［C］、［O］含量进行具体调节，如粗钢液中的［C］偏 高( 大于 500 × 10 － 6 ) ，则第一阶段真空深脱碳时就 可以采取顶吹氧强制脱碳措施，充分发挥顶吹氧枪 的作用． 如果粗钢液中［C］在 200 × 10 － 6 左右，则可 以直接过渡到第二阶段开始． 1. 3 提高 RH--TB 真空吹氧深脱碳控制措施 ( 1) 快速提高 RH 真空度． 由碳氧反应达到平 衡时的碳氧浓度积可知，只有降低 RH 真空室里 CO 气相分压，才能促使碳氧反应继续进行． 真空室里 CO 分压与真空室排气速度、排气时间有下列关 系［2］: lnPCO = Rt － 4. 618 ( 1) 式中: PCO为真空室压力，kPa; R 为真空室内排气速 度，L·min － 1 ; t 为排气时间，min． 因此，炼钢三工区 RH--TB 处理过程采用大泵 抽真空，并采取手动和自动控制相结合，提高真空室 内的排气速度，快速提高真空度，迅速降低真空室内 气相中 CO 分压，促进钢液中的碳氧反应，达到降低 钢液碳含量的目的，如表 1 所示． 表 1 真空室压力与排气时间关系 Table 1 Relationship between vacuum pressure and exhaust time 抽气时间/min 1 3 5 7 9 10 11 12 ～ 14 15 ～ 18 19 ～ 26 真空室压力/kPa 18. 04 1. 00 0. 89 0. 27 0. 18 0. 17 0. 16 0. 15 0. 14 0. 12 从表 1 数据可知，仅用 3. 5 min 时间，真空室内 真空度就可以达到 1 kPa 以下，钢液中碳由 410 × 10 － 6 快速降至 160 × 10 － 6 左右，完成了第一阶段深 脱碳任务． 继续抽真空至 19 min，可以达 0. 12 kPa 的真空度，为第二阶段深脱碳提供可靠的保证． ( 2) 增加提升钢液的驱动气体氩气流量． 提升 钢液的驱动气体氩气流量与钢液通过 RH 真空室的 循环速度关系如下公式［3］: Q = 11. 4G1 /3 D4 /3 ［ln( P1 /P2) ］1 /3 ( 2) 式中: Q 为钢液循环速度，t·min － 1 ; G 为提升钢液的 氩气流量，L·min － 1 ; D 为 RH 上升管直径，cm; P1，P2 为氩气压力和标准压力，kPa． 可见，增加提升钢液的驱动气体氩气流量，可以 促进钢液通过 RH 真空室的循环速度． 氩气流量增 ·143·

144 北京科技大学学报 第33卷 加，会增大钢液与氩气泡的两相流接触面积，同时氩 规则；内表面通常也会出现不均匀的侵蚀，这些不规 气泡本身就是[C]与[0]的反应地点，又是反应产 则的几何形状对钢液的循环造成了不良影响.为 物的排除地点，因此有利于碳氧反应的快速进行 此，对插入管内部的喷补做出明确要求，主要是提高 鉴于上述原因，炼钢三工区将驱动气体氩气流量由 喷补的均匀性，减少钢液循环的阻力.插入管外部 原来的90m3·h-提高到140m3h-1,钢液循环速度 粘附的钢渣过多会导致插入管和钢包包壁间隙缩 由90t"min-提高到120tmin- 小，导致插入深度不够，从而也影响了钢液的循环， (3)向真空室内钢液表面吹氧.如前面所述，在 为此，笔者加强了对于插入管的刮渣操作，保证了良 真空深脱碳进入第二、三阶段期间，采用顶吹氧，保 好的外观状态，从而达到了稳定的脱碳效果. 持钢液中[0]在(200~400)×10-6，才能达到强制 2防止RH精炼钢液增碳的措施 脱碳目的.炼钢三工区RH真空吹氧强制脱碳时， 供氧流量为2000m3·h-,保持钢液中的[0]约在 2.1防止钢包衬砖增碳 260×10-6以上. 真空吹氧深脱碳处理结束时F钢钢液中碳为 (4)延长真空脱碳时间.脱碳效果与真空处理 10×10-6程度，但是经过10min真空脱氧、合金化 时间关系如下公式： 后，钢液中的碳含量就增加了10×10-6左右.此增 [C][C]oexp (-Kt) (3) 碳量主要是由于碳质量分数为12%的钢包衬砖引 式中：[C]。为钢液初期碳的质量分数[C]为处理到 起的.目前，炼钢三工区采用微碳的铝镁尖品石钢 时刻钢包内钢液碳的质量分数：K为表观脱碳速度 包衬砖来盛装F钢液，钢包的增碳量可降至1× 常数，min';t为处理时间，min. 10-6左右，从而保证RH精炼搬出时碳含量在13× 可见，真空处理时间越长，钢液碳含量就越低 106以下. 当真空脱碳处理时间约22min时，钢液中的碳含量 2.2防止浇注过程增碳 由160×10-6左右降至12×10-6左右. 在工业试验中，精炼处理结束时钢液、中间罐内 (5)增大插入管管径.根据式(1))，提高插入 钢液和铸坯中碳含量变化如表2所示.从钢液凝固 管的管径可以明显提高RH循环量的效果.炼钢三 成铸坯过程中，与含碳的钢包衬砖、长水口、中间罐 工区RH插入管的内径是560mm,但在经过一些炉 涂料和覆盖剂、结品器的浸入水口和保护渣等接触， 次处理钢水之后，插入管的内径将会发生明显的变 不可避免地导致各种耐火材料和炉渣中的碳溶解到 化，通常是上升管的管径扩孔较快，下降管的管径扩 钢液中.尤其是中间罐低液面开浇、结晶器液面波 孔较慢甚至变小.因为这种现象，造成了钢液循环 动等原因造成卷渣，使得钢液或者浇铸头坯中的碳 效果变差，为了减少这种趋势对循环效果的影响，对 含量增加6，其含量远远超出F钢规格.现在，鞍 插入管下降管的内径扩大了50mm,促进了钢液循 钢股份有限公司炼钢总厂不仅优化连铸操作工艺， 环速度，改善了脱碳效果，在同样的脱碳时间下，碳 而且全部采用无碳或者微碳的耐火材料和各种渣 质量分数平均可以多降低1.1×10-6 剂.目前，浇注F钢过程，钢液从RH处理完毕移至 (6)改善插入管形状维护).H插入管在经 中间罐内，其增碳量控制在(1.5~2.7)×10-6；从 过一些炉次的处理之后，其内外部的几何尺寸会发 中间罐至结晶器内钢液增碳量控制在1×10~6左 生很大的变化，插入管通常外表面会变粗，且形状不 右.连铸F钢全过程增碳量控制在3×10-6左右. 表2F钢在中间罐和铸坯中的碳含量变化 Table 2 Carbon content variation of slab and tundish for IF steel ×10-6 真空精炼 钢包开浇20t 钢包开浇90： 钢包开浇150t 浇注 铸坯 正常坯 尾坯 结束[c] 中间罐钢液中[C】 中间罐钢液中[C] 中间罐钢液中[C] 结束 头坯 10 80 20 10 30 74 16 22 2.3清除真空室壁上残留物 进入钢液，使其增碳.因此鞍钢股份有限公司炼钢 在加大RH驱动气体氩气流量以及顶吹氧强制 总厂及时采用顶枪吹氧熔化清除真空室壁上的残 脱碳反应过程中，不可避免造成钢液喷溅并在真空 钢.由于采取优化的深脱碳操作工艺和防止增碳措 室内壁形成残钢，在下一炉钢液精炼时，被熔化下来 施，目前，大批量生产F钢坯中碳可稳定控制在

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 加，会增大钢液与氩气泡的两相流接触面积，同时氩 气泡本身就是［C］与［O］的反应地点，又是反应产 物的排除地点，因此有利于碳氧反应的快速进行． 鉴于上述原因，炼钢三工区将驱动气体氩气流量由 原来的 90 m3 ·h － 1 提高到 140 m3 ·h － 1 ，钢液循环速度 由 90 t·min － 1 提高到 120 t·min － 1 ． ( 3) 向真空室内钢液表面吹氧． 如前面所述，在 真空深脱碳进入第二、三阶段期间，采用顶吹氧，保 持钢液中［O］在( 200 ～ 400) × 10 － 6 ，才能达到强制 脱碳目的． 炼钢三工区 RH 真空吹氧强制脱碳时， 供氧流量为 2 000 m3 ·h － 1 ，保持钢液中的［O］约在 260 × 10 － 6 以上． ( 4) 延长真空脱碳时间． 脱碳效果与真空处理 时间关系如下公式［4］: ［C］=［C］0 exp ( － K·t) ( 3) 式中: ［C］0为钢液初期碳的质量分数; ［C］为处理到 t 时刻钢包内钢液碳的质量分数; K 为表观脱碳速度 常数，min － 1 ; t 为处理时间，min． 可见，真空处理时间越长，钢液碳含量就越低． 当真空脱碳处理时间约 22 min 时，钢液中的碳含量 由 160 × 10 － 6 左右降至 12 × 10 － 6 左右． ( 5) 增大插入管管径． 根据式( 1) ［3］，提高插入 管的管径可以明显提高 RH 循环量的效果． 炼钢三 工区 RH 插入管的内径是 560 mm，但在经过一些炉 次处理钢水之后，插入管的内径将会发生明显的变 化，通常是上升管的管径扩孔较快，下降管的管径扩 孔较慢甚至变小． 因为这种现象，造成了钢液循环 效果变差，为了减少这种趋势对循环效果的影响，对 插入管下降管的内径扩大了 50 mm，促进了钢液循 环速度，改善了脱碳效果，在同样的脱碳时间下，碳 质量分数平均可以多降低 1. 1 × 10 － 6 ． ( 6) 改善插入管形状维护［5］． RH 插入管在经 过一些炉次的处理之后，其内外部的几何尺寸会发 生很大的变化，插入管通常外表面会变粗，且形状不 规则; 内表面通常也会出现不均匀的侵蚀，这些不规 则的几何形状对钢液的循环造成了不良影响． 为 此，对插入管内部的喷补做出明确要求，主要是提高 喷补的均匀性，减少钢液循环的阻力． 插入管外部 粘附的钢渣过多会导致插入管和钢包包壁间隙缩 小，导致插入深度不够，从而也影响了钢液的循环， 为此，笔者加强了对于插入管的刮渣操作，保证了良 好的外观状态，从而达到了稳定的脱碳效果． 2 防止 RH 精炼钢液增碳的措施 2. 1 防止钢包衬砖增碳 真空吹氧深脱碳处理结束时 IF 钢钢液中碳为 10 × 10 － 6 程度，但是经过 10 min 真空脱氧、合金化 后，钢液中的碳含量就增加了 10 × 10 － 6 左右． 此增 碳量主要是由于碳质量分数为 12% 的钢包衬砖引 起的． 目前，炼钢三工区采用微碳的铝镁尖晶石钢 包衬砖来盛装 IF 钢液，钢包的增碳量可降至 1 × 10 － 6 左右，从而保证 RH 精炼搬出时碳含量在 13 × 10 － 6 以下． 2. 2 防止浇注过程增碳 在工业试验中，精炼处理结束时钢液、中间罐内 钢液和铸坯中碳含量变化如表 2 所示． 从钢液凝固 成铸坯过程中，与含碳的钢包衬砖、长水口、中间罐 涂料和覆盖剂、结晶器的浸入水口和保护渣等接触， 不可避免地导致各种耐火材料和炉渣中的碳溶解到 钢液中． 尤其是中间罐低液面开浇、结晶器液面波 动等原因造成卷渣，使得钢液或者浇铸头坯中的碳 含量增加［6］，其含量远远超出 IF 钢规格． 现在，鞍 钢股份有限公司炼钢总厂不仅优化连铸操作工艺， 而且全部采用无碳或者微碳的耐火材料和各种渣 剂． 目前，浇注 IF 钢过程，钢液从 RH 处理完毕移至 中间罐内，其增碳量控制在( 1. 5 ～ 2. 7) × 10 － 6 ; 从 中间罐至结晶器内钢液增碳量控制在 1 × 10 － 6 左 右． 连铸 IF 钢全过程增碳量控制在 3 × 10 － 6 左右． 表 2 IF 钢在中间罐和铸坯中的碳含量变化 Table 2 Carbon content variation of slab and tundish for IF steel × 10 － 6 真空精炼 结束［C］ 钢包开浇 20 t 中间罐钢液中［C］ 钢包开浇 90 t 中间罐钢液中［C］ 钢包开浇 150 t 中间罐钢液中［C］ 浇注 结束 铸坯 头坯 正常坯 尾坯 10 80 20 10 30 74 16 22 2. 3 清除真空室壁上残留物 在加大 RH 驱动气体氩气流量以及顶吹氧强制 脱碳反应过程中，不可避免造成钢液喷溅并在真空 室内壁形成残钢，在下一炉钢液精炼时，被熔化下来 进入钢液，使其增碳． 因此鞍钢股份有限公司炼钢 总厂及时采用顶枪吹氧熔化清除真空室壁上的残 钢． 由于采取优化的深脱碳操作工艺和防止增碳措 施，目前，大批量生产 IF 钢坯中碳可稳定控制在 ·144·

增刊1 孙群等：RH精炼脱碳与夹杂物控制 ·145· 20×10-6以下，平均为14×10-6 效果差或由于终点温度偏低问题会导致个别罐次出 现钢水过氧化出钢，钢的氧值超过800×10-6.因此 3RH精炼钢中氧含量和夹杂物控制 需在氩站通过喂铝线的方法调整钢水中氧值，保证 除了对碳含量有严格要求之外，F钢和冷轧硅 到氩站氧值范围在(500~700)×10-6，进RH氧值 钢对A山03夹杂物要求也比较严格.以前生产时为 范围在(400~600)×10-6 了加强RH的脱碳效果，脱碳结束后的氧值控制比 (2)调整升温吹氧时间.改变传统的脱碳 较高，在(500~600)×10-6左右.脱碳结束后的氧 18min后才能进行铝氧升温的工艺，允许在脱碳 值越高，脱氧铝的加入量越大，产生的A山，03夹杂物 10min后就可以进行铝氧升温，这样不仅可以调整 也多，夹杂存留在钢水中的几率大 钢水中的氧值，且可促进升温产生的A山，03夹杂有 3.1影响RH精炼钢水中氧含量和夹杂物的主要 更长的上浮时间；同时建立了l0min吹氧升温和加 因素 铝升温的计算模型，对吹氧操作进行有效的控制：在 经系统分析，影响钢中氧含量和夹杂物的主要 处理到10min时定氧，如果此时不需升温，氧值大 因素包括以下几个方面. 于420×10-6时，加铝进行预脱氧，加铝量以控制脱 (1)转炉碳含量.由于搬入样化验结果滞后， 碳结束的残余氧在200×10-6为目标 操作以转炉炉后样化验值为依据，因此以炉后钢水 (3)调整转炉出钢模型.2010年后，开始进行 碳含量作为H搬入时钢水碳含量引起氧含量偏差 提高转炉出钢碳，降低转炉氧的试验工作.转炉出 增大.为了减少影响，我们要求转炉[C]的含量控 钢的碳由原来的[C]≤0.05%程度，[0]在(400~ 制在0.03%左右，并且出钢后延长氩站的吹氩时 600)×10-6范围，调整到出钢碳在0.06%，[0]在 间，吹氩时间由1min提高到3min,使碳氧反应尽可 (300~500)×10-6范围.通过这种调整，可以降低 能接近平衡，从而降低氧含量在精炼和转炉之间的 转炉出钢钢水过氧化程度，并降低渣中(FO)含量. 偏差. 同时调整RH工艺，使用强制脱碳的处理方式，在 (2)RH搬入时氧含量.钢水罐运输的过程中， RH补偿氧值进行脱碳.采用这种方式，RH处理后 碳氧反应继续进行，所以转炉出钢的氧含量到精炼 的碳含量比原工艺降低(3~5)×10-6，钢渣中的 后有一定的降低.沸腾钢出钢时的转炉氧值控制在 F0降低3%~5%，减少渣对钢水的继续污染，纯 600×10-6左右，如果氧值过低，则钢种要求的脱碳净了钢水， 效果就达不到，精炼处理过程中必然进行补氧操作 (4)硅（预脱氧使用.在硅钢脱氧中完全使用 如果转炉出钢的氧值过高，由于氧在钢渣之间平衡， 硅脱氧的方式，脱氧产物生成SiO2替代部分A山203， 渣中的氧化性也高，钢水在精炼处理过程中，钢渣中 减少A山03生产数量.由于Si02的直径大于A山203， 的氧会不断的进行转移，也会造成氧偏差量大 钢水中更易上浮：在不含硅的汽车板钢脱氧过程中 (3)顶渣增氧.大量生产数据表明，顶渣的氧 也同样使用少量的硅铁进行预脱氧，一般针对S≤ 化性高低对顶渣向钢水中传递氧量有很大的影响. 0.03%的钢种，每吨钢中硅铁(Ws知：78%)加入量 渣氧化性越高，则其向钢水的传氧能力越强.为此， 控制在0.1~0.5kg. 在转炉出钢后或在精炼处理前，需加入一定量的改 (5)镁脱氧方式的试验.开展RH含镁的MgA1 质剂，降低钢水顶渣的氧化性.在使用改质剂后，精 合金脱氧试验，由于该合金脱氧生成的脱氧产物比 炼结束后的钢水及渣的氧化性明显降低，从轧制工 较细小，在钢中分散分布，又因为Mg比A!脱氧能 序的质量反馈信息也发现夹杂量有所降低.渣的氧 力强得多（见图1），当钢液中[Mg]为10×10-6时， 化性低，其向钢水中传递的氧就少，中间包的全氧含 与之平衡的[0]为1×10-6.镁脱氧后与铝的脱氧 量会有所降低 产物形成Mg0·A山2O3复合夹杂物，这种夹杂物与钢 3.2降低RH残余氧和夹杂物的工艺措施 水的界面能要比A山，O,与钢水的界面能小，所以 为了降低冷轧F钢和冷轧硅钢夹杂物的含量， Mg0·AL,03夹杂物不容易聚集长大，以高度分散的 炼钢三工区从2006年7月开始实施精炼预脱氧工 形式存在于钢中，碱少聚集氧化铝对超低碳钢表面 艺以降低脱碳结束后残余氧值.为了对RH残余氧 质量影响.脱氧后钢水中以MgO·AL,O,夹杂物为 值进行有效控制，在炼钢、精炼分别采取如下工艺. 主，随机分布在钢中，这种3~4m的尖晶石夹杂物 (1)控制氧值.控制转炉出钢后的钢水中的氧 的边缘几乎都是圆滑的，在轧制过程中不能引发空 和钢渣中的氧值，在转炉出钢后由于炉役后期底吹 穴和形成应力源，对钢的疲劳等性能有害程度很小

增刊 1 孙 群等: RH 精炼脱碳与夹杂物控制 20 × 10 － 6 以下，平均为 14 × 10 － 6 ． 3 RH 精炼钢中氧含量和夹杂物控制 除了对碳含量有严格要求之外，IF 钢和冷轧硅 钢对 Al2O3夹杂物要求也比较严格． 以前生产时为 了加强 RH 的脱碳效果，脱碳结束后的氧值控制比 较高，在( 500 ～ 600) × 10 － 6 左右． 脱碳结束后的氧 值越高，脱氧铝的加入量越大，产生的 Al2O3夹杂物 也多，夹杂存留在钢水中的几率大． 3. 1 影响 RH 精炼钢水中氧含量和夹杂物的主要 因素 经系统分析，影响钢中氧含量和夹杂物的主要 因素包括以下几个方面． ( 1) 转炉碳含量． 由于搬入样化验结果滞后， 操作以转炉炉后样化验值为依据，因此以炉后钢水 碳含量作为 RH 搬入时钢水碳含量引起氧含量偏差 增大． 为了减少影响，我们要求转炉［C］的含量控 制在 0. 03% 左右，并且出钢后延长氩站的吹氩时 间，吹氩时间由 1 min 提高到 3 min，使碳氧反应尽可 能接近平衡，从而降低氧含量在精炼和转炉之间的 偏差． ( 2) RH 搬入时氧含量． 钢水罐运输的过程中， 碳氧反应继续进行，所以转炉出钢的氧含量到精炼 后有一定的降低． 沸腾钢出钢时的转炉氧值控制在 600 × 10 － 6 左右，如果氧值过低，则钢种要求的脱碳 效果就达不到，精炼处理过程中必然进行补氧操作． 如果转炉出钢的氧值过高，由于氧在钢渣之间平衡， 渣中的氧化性也高，钢水在精炼处理过程中，钢渣中 的氧会不断的进行转移，也会造成氧偏差量大． ( 3) 顶渣增氧． 大量生产数据表明，顶渣的氧 化性高低对顶渣向钢水中传递氧量有很大的影响． 渣氧化性越高，则其向钢水的传氧能力越强． 为此， 在转炉出钢后或在精炼处理前，需加入一定量的改 质剂，降低钢水顶渣的氧化性． 在使用改质剂后，精 炼结束后的钢水及渣的氧化性明显降低，从轧制工 序的质量反馈信息也发现夹杂量有所降低． 渣的氧 化性低，其向钢水中传递的氧就少，中间包的全氧含 量会有所降低． 3. 2 降低 RH 残余氧和夹杂物的工艺措施 为了降低冷轧 IF 钢和冷轧硅钢夹杂物的含量， 炼钢三工区从 2006 年 7 月开始实施精炼预脱氧工 艺以降低脱碳结束后残余氧值． 为了对 RH 残余氧 值进行有效控制，在炼钢、精炼分别采取如下工艺． ( 1) 控制氧值． 控制转炉出钢后的钢水中的氧 和钢渣中的氧值，在转炉出钢后由于炉役后期底吹 效果差或由于终点温度偏低问题会导致个别罐次出 现钢水过氧化出钢，钢的氧值超过 800 × 10 － 6 ． 因此 需在氩站通过喂铝线的方法调整钢水中氧值，保证 到氩站氧值范围在( 500 ～ 700) × 10 － 6 ，进 RH 氧值 范围在( 400 ～ 600) × 10 － 6 ． ( 2) 调整升温吹氧时间． 改变传统的脱碳 18 min后才能进行铝氧升温的工艺，允许在脱碳 10 min后就可以进行铝氧升温，这样不仅可以调整 钢水中的氧值，且可促进升温产生的 Al2 O3 夹杂有 更长的上浮时间; 同时建立了 10 min 吹氧升温和加 铝升温的计算模型，对吹氧操作进行有效的控制; 在 处理到 10 min 时定氧，如果此时不需升温，氧值大 于 420 × 10 － 6 时，加铝进行预脱氧，加铝量以控制脱 碳结束的残余氧在 200 × 10 － 6 为目标． ( 3) 调整转炉出钢模型． 2010 年后，开始进行 提高转炉出钢碳，降低转炉氧的试验工作． 转炉出 钢的碳由原来的［C］≤ 0. 05% 程度，［O］在( 400 ～ 600) × 10 － 6 范围，调整到出钢碳在 0. 06%，［O］在 ( 300 ～ 500) × 10 － 6 范围． 通过这种调整，可以降低 转炉出钢钢水过氧化程度，并降低渣中( FeO) 含量． 同时调整 RH 工艺，使用强制脱碳的处理方式，在 RH 补偿氧值进行脱碳． 采用这种方式，RH 处理后 的碳含量比原工艺降低( 3 ～ 5) × 10 － 6 ，钢渣中的 FeO 降低 3% ～ 5% ，减少渣对钢水的继续污染，纯 净了钢水． ( 4) 硅( 预) 脱氧使用． 在硅钢脱氧中完全使用 硅脱氧的方式，脱氧产物生成 SiO2替代部分 Al2O3， 减少 Al2O3生产数量． 由于 SiO2的直径大于 Al2O3， 钢水中更易上浮; 在不含硅的汽车板钢脱氧过程中 也同样使用少量的硅铁进行预脱氧，一般针对 Si≤ 0. 03% 的钢种，每吨钢中硅铁( W( Si) : 78% ) 加入量 控制在 0. 1 ～ 0. 5 kg． ( 5) 镁脱氧方式的试验． 开展 RH 含镁的 MgAl 合金脱氧试验，由于该合金脱氧生成的脱氧产物比 较细小，在钢中分散分布，又因为 Mg 比 Al 脱氧能 力强得多( 见图 1) ，当钢液中［Mg］为 10 × 10 － 6 时， 与之平衡的［O］为 1 × 10 － 6 ． 镁脱氧后与铝的脱氧 产物形成 MgO·Al2O3复合夹杂物，这种夹杂物与钢 水的界面能要比 Al2 O3 与钢水的界面能小，所以 MgO·Al2O3夹杂物不容易聚集长大，以高度分散的 形式存在于钢中，减少聚集氧化铝对超低碳钢表面 质量影响． 脱氧后钢水中以 MgO·Al2 O3 夹杂物为 主，随机分布在钢中，这种 3 ～ 4 μm 的尖晶石夹杂物 的边缘几乎都是圆滑的，在轧制过程中不能引发空 穴和形成应力源，对钢的疲劳等性能有害程度很小． ·145·

146 北京科技大学学报 第33卷 在100炉的试验中，钢的轧制废品率降低30% 制工艺：真空吹氧深脱碳时，钢液中[C]≤500× 80 10-6,[0]为(400~600)×10-6：提升钢液驱动气体 70- 一A马0的反应 氩气流量为140m3·h-1,钢液循环速度为120t· 60 一-10的反应 min':强制脱碳顶吹氧流量为2000m3h-',根据实 50f 际钢水初始情况可选择在前期或中期进行；深脱碳 40 第一阶段真空度控制在1kPa左右，处理时间4min 30 左右；第二、三阶段真空度控制在0.12~0.15kPa, 20 处理时间20min左右.与转炉出钢后的钢液相接触 10- 的耐火材料和各种渣剂，均采用无碳或者微碳含量， 0 可有效防止增碳. 10 20 30 40 50 脱氧元索的质量分数10 (2)通过控制转炉钢水的碳氧含量、优化RH 图11600℃下A和Mg脱氧能力比较 精炼升温工艺、并开发硅脱氧、镁脱氧及中间包改质 Fig.1 Comparison of Al and Mg deoxidizing ability at 1600 C 工艺，显著降低了钢坯的全氧含量，提高了钢水的洁 净度 (6)中间包改质技术应用.浇注过程中间包的 (3)目前，鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三 钢渣组成是不断变化的，影响因素主要是耐材的不 工区已经大批量稳定生产碳<20×10-6的F钢坯， 断熔解、钢中夹杂的不断上浮，还有就是钢包引流砂 平均在14×10-6左右：采用该工艺生产的硅钢钢坯 的不断加入，造成渣中Ca0含量下降，A山203、Si02 在轧制时，夹杂比率可降低0.05%，目前控制在 含量上升，中间包渣的吸附夹杂能力下降.因此开 0.10%以下. 发了新型的中间包覆盖剂，同时针对浇注非稳态过 程补加少量的铝质改质剂，保证在浇注中期、后期不 参考文献 断调整中包渣的组成，提高中间包渣吸附夹杂的 [1]Li Z H.Secondary Refining.Beijing:Metallurgical Industry 能力. Press,2002 在采取措施之前，RH精炼脱碳结束的残余[O] (李宏译.炉外精炼.北京：冶金工业出版社，2002) 的波动范围很大.通过炼钢及精炼分别采取措施 [2]Kato T.Stirring in the steelmaking processes.Transactions IS/J, 1986,26:851 后，H残余[O]与采取措施前相比有了明显的改 [31 Yin H.Shibata H,Emiand T,et al.Characteristics on molten 善。炼钢采取的措施避免了特殊高氧值情况的发 steel of agglomeration surface of various inclusion particles./S/ 生，氧值分布集中在500×10-6以下，而精炼采取的 ,1997,37(10):946 措施使残余[0]≤(200~350)×10-6的比例达到了 [4]Xu Z Q.Secondary Refining.Beijing:Metallurgy Industry Press, 100%.对采取该措施前后硅钢夹杂情况进行了统 1994 (徐曾启.炉外精炼.北京：治金工业出版社，1994) 计，2006年6月一8月份的夹杂比例平均为 [5]Jiang G C.Cleanness Steel and Secondary Refining.Shanghai: 0.17%,2006年9月一2007年5月份的夹杂比例平 Shanghai Science and Technology Press,1996 均为0.12%，夹杂比例下降了0.05%，2010年的夹 (蒋国昌.纯净钢及二次精炼.上海：上海科学技术出版社， 杂比例已经降低到0.10%以下，并实现了稳定 1996) 控制. [6] Lin G W.Guo P M.Reason and mathematical analysis of the pick-up in the ultra-ow carbon steel due to flux.J fron Steel Res. 4结论 2001,13(6):15 (林功文，郭培民.保护渣向超低碳钢液增碳的原因及数学分 (1)在RH-TB处理超低碳钢时，采用如下控 析.钢铁研究学报，2001,13(6)：15)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 在 100 炉的试验中，钢的轧制废品率降低 30% ． 图 1 1 600 ℃下 Al 和 Mg 脱氧能力比较 Fig． 1 Comparison of Al and Mg deoxidizing ability at 1 600 ℃ ( 6) 中间包改质技术应用． 浇注过程中间包的 钢渣组成是不断变化的，影响因素主要是耐材的不 断熔解、钢中夹杂的不断上浮，还有就是钢包引流砂 的不断加入，造成渣中 CaO 含量下降，Al2 O3、SiO2 含量上升，中间包渣的吸附夹杂能力下降． 因此开 发了新型的中间包覆盖剂，同时针对浇注非稳态过 程补加少量的铝质改质剂，保证在浇注中期、后期不 断调整中包渣的组成，提高中间包渣吸附夹杂的 能力． 在采取措施之前，RH 精炼脱碳结束的残余［O］ 的波动范围很大． 通过炼钢及精炼分别采取措施 后，RH 残余［O］与采取措施前相比有了明显的改 善． 炼钢采取的措施避免了特殊高氧值情况的发 生，氧值分布集中在 500 × 10 － 6 以下，而精炼采取的 措施使残余［O］≤( 200 ～ 350) × 10 － 6 的比例达到了 100% ． 对采取该措施前后硅钢夹杂情况进行了统 计，2006 年 6 月—8 月 份 的 夹 杂 比 例 平 均 为 0. 17% ，2006 年 9 月—2007 年 5 月份的夹杂比例平 均为 0. 12% ，夹杂比例下降了 0. 05% ，2010 年的夹 杂比例已经降低到 0. 10% 以 下，并 实 现 了 稳 定 控制． 4 结论 ( 1) 在 RH--TB 处理超低碳钢时，采用如下控 制工艺: 真空吹氧深脱碳时，钢液中［C］≤500 × 10 － 6 ，［O］为( 400 ～ 600) × 10 － 6 ; 提升钢液驱动气体 氩气流量为 140 m3 ·h － 1 ，钢液循环速度为 120 t· min － 1 ; 强制脱碳顶吹氧流量为 2 000 m3 ·h － 1 ，根据实 际钢水初始情况可选择在前期或中期进行; 深脱碳 第一阶段真空度控制在 1 kPa 左右，处理时间 4 min 左右; 第二、三阶段真空度控制在 0. 12 ～ 0. 15 kPa， 处理时间 20 min 左右． 与转炉出钢后的钢液相接触 的耐火材料和各种渣剂，均采用无碳或者微碳含量， 可有效防止增碳． ( 2) 通过控制转炉钢水的碳氧含量、优化 RH 精炼升温工艺、并开发硅脱氧、镁脱氧及中间包改质 工艺，显著降低了钢坯的全氧含量，提高了钢水的洁 净度． ( 3) 目前，鞍钢股份有限公司炼钢总厂炼钢三 工区已经大批量稳定生产碳 ＜ 20 × 10 － 6 的 IF 钢坯， 平均在 14 × 10 － 6 左右; 采用该工艺生产的硅钢钢坯 在轧制时，夹杂比率可降低 0. 05% ，目前控制在 0. 10% 以下． 参 考 文 献 ［1］ Li Z H． Secondary Refining． Beijing: Metallurgical Industry Press，2002 ( 李宏译． 炉外精炼． 北京: 冶金工业出版社，2002) ［2］ Kato T． Stirring in the steelmaking processes． Transactions ISIJ， 1986，26: 851 ［3］ Yin H，Shibata H，Emiand T，et al． Characteristics on molten steel of agglomeration surface of various inclusion particles． ISIJ Int，1997，37( 10) : 946 ［4］ Xu Z Q． Secondary Refining． Beijing: Metallurgy Industry Press， 1994 ( 徐曾启． 炉外精炼． 北京: 冶金工业出版社，1994) ［5］ Jiang G C． Cleanness Steel and Secondary Refining． Shanghai: Shanghai Science and Technology Press，1996 ( 蒋国昌． 纯净钢及二次精炼． 上海: 上海科学技术出版社， 1996) ［6］ Lin G W，Guo P M． Reason and mathematical analysis of the pick-up in the ultra-low carbon steel due to flux． J Iron Steel Res， 2001，13( 6) : 15 ( 林功文，郭培民． 保护渣向超低碳钢液增碳的原因及数学分 析． 钢铁研究学报，2001，13( 6) : 15) ·146·