田志國

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101)

超低碳鋼工業(yè)純鐵M6是一種電磁性能好的新型材料，廣泛用于電子電工、電器元件、磁性材料等產(chǎn)品[1]。從純鐵材質(zhì)元素與電阻率關(guān)系圖表看，對(duì)導(dǎo)電性能影響大的元素有C、Si、Mn，常溫下影響材料導(dǎo)電性能的最重要的元素[2]是C。在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，因其化學(xué)成分要求碳含量在100×10-4%以下，因此選擇合適的冶煉工藝降低鋼種的C、Mn等元素含量，是滿足客戶對(duì)鋼材導(dǎo)電率要求的重要環(huán)節(jié)。大量經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)用RH真空精煉法進(jìn)行真空脫碳，是生產(chǎn)工業(yè)純鐵等超低碳鋼的較好選擇，因此研究超低碳鋼M6的RH真空脫碳工藝是有必要的。

1 化學(xué)成分要求

根據(jù)客戶要求，工業(yè)純鐵的導(dǎo)電率≥16%，鋼中的主要元素是鐵，要求鋼中w[C]含量≤100×10-4%，w[Mn]含量≤800×10-4%，并要求其他元素越低越好。結(jié)合現(xiàn)有低碳工藝合理地設(shè)計(jì)鋼種成份，主要化學(xué)成份設(shè)計(jì)見表1。

表1 M6鋼的化學(xué)成份(%)

2 工藝流程和設(shè)備參數(shù)

2.1 工藝流程

從鋼廠的設(shè)備條件及冶煉工藝考慮，擬采用工藝流程如下：鐵水—120 t轉(zhuǎn)爐冶煉—120 tLF精煉—120 tRH真空脫碳—9#連鑄機(jī)(350×430 mm)—開坯軋制(150×150 mm)—高線軋制—成品檢驗(yàn)—入庫。在這個(gè)工藝流程中，RH真空處理是關(guān)鍵工序。

2.2 RH爐主要設(shè)備參數(shù)

真空循環(huán)脫氣RH法，是利用空氣揚(yáng)水泵的原理，利用氣泡將鋼水提升到真空室內(nèi)進(jìn)行脫氣、脫碳、去除夾雜等反應(yīng)，在真空室處理完后的鋼水又回流到鋼包。我鋼廠RH爐主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 RH爐主要設(shè)備參

3 RH精煉的脫碳理論分析

3.1 真空脫碳熱力學(xué)

在RH真空處理脫碳過程中，真空室內(nèi)存在的三個(gè)反應(yīng)位置分別是熔池表面、氬氣泡表面和熔池中。從真空脫碳的熱力學(xué)來分析，從鋼水中去碳、氧，是以壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響為基礎(chǔ)。當(dāng)過程中有氣相參與，且反應(yīng)生成物中的氣體克分子數(shù)大于反應(yīng)物氣體克分子數(shù)時(shí)，才有可能引起反應(yīng)平衡的移動(dòng)。在RH進(jìn)行真空脫碳時(shí)，[C]和[O]反應(yīng)生成CO氣體，降低了真空中的CO分壓，使[C]和[O]的反應(yīng)向生成CO氣體的方向進(jìn)行。

[C]+[O]= { CO}

(1)

(2)

式(2) 中KCO與溫度的關(guān)系為:

(3)

當(dāng)溫度為1600 ℃時(shí)，式(2) 可簡化為:

[C][O]= 0.0024PCO

(4)

式(4) 稱為Vacher-Hamilton 關(guān)系式，表示的是在不同壓力時(shí)，[C]和[O]之間的平衡關(guān)系，圖1 顯示了它們之間的定量關(guān)系。由圖1可看出，隨著氣相中Pco分壓的下降，氧的脫碳能力逐漸增大。從圖2可看出，真空度達(dá)到100 Pa、F[O]為250×10-4%左右，鋼中[C]可以控制在10×10-4%以下。RH真空脫碳是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，改善真空脫碳的動(dòng)力學(xué)條件，可以縮短脫碳時(shí)間，滿足煉鋼工藝時(shí)間的要求。理想的條件是[3]，初始[C]約為300×10- 4%、[O]約為600×10-4%，通過真空狀態(tài)下的自然脫碳[C]+[O]={ CO}，最終[C]小于20×10-4%，而相應(yīng)的F[O]約為300×10-4%。

圖1 不同壓力下[C]、[O]平衡關(guān)系Fig.1 Equilibrium relationship of [C] and [O] under different pressures

圖2 高真空條件下[C]、[O]平衡關(guān)系Fig.2 Equilibrium relationship of [C] and [O] under high vacuum

3.2 真空脫碳動(dòng)力學(xué)

前述3.1脫碳熱力學(xué)討論，提出了理想狀態(tài)反應(yīng)平衡的數(shù)值。在實(shí)際生產(chǎn)中從脫碳的動(dòng)力學(xué)角度分析，主要是研究多長時(shí)間能夠達(dá)到目標(biāo)碳含量。要在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到接近理想的平衡值，首先要控制RH真空精煉環(huán)節(jié)的脫碳反應(yīng)速度。在真空脫碳反應(yīng)時(shí)，脫碳速度可用下式表達(dá):

(5)

脫碳反應(yīng)是溶解在鋼液中的碳和氧通過擴(kuò)散邊界遷移到鋼液和氣相界面。由式(5)可知，真空脫碳反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)影響因素有:(1)反應(yīng)速度常數(shù)KC越大，反應(yīng)越快；(2)A/V 越大，即幾何形狀越有利，反應(yīng)越快；(3) [C]t與[C]e的差值越大，反應(yīng)的推動(dòng)力越大，反應(yīng)越快。因脫碳過程中鋼水含較多的自由氧和較少的碳，限制性環(huán)節(jié)是擴(kuò)散過程。CO氣相不會(huì)在鋼液中自發(fā)形核并長成氣泡從鋼液中排出，必須借助鋼液-氣相界面的氣體，如Ar氣泡或鋼液與耐材縫隙之間的氣泡，才能長大上浮[4]。

4 RH真空脫碳工藝控制要點(diǎn)

4.1 脫碳時(shí)間的控制

進(jìn)入RH爐鋼水的w[O]控制在500×10-6～600×10-6，w[C]≤450×10-6，溫度1600±10 ℃，且其他成分符合內(nèi)控要求。由于在有限的RH 處理時(shí)間內(nèi)，既要完成脫碳，又要完成鋁脫氧及夾雜物的去除，RH真空爐的處理工位先預(yù)抽真空，縮短RH 處理周期。RH真空處理15±2 min后，碳含量可達(dá)到目標(biāo)值，延長脫碳時(shí)間對(duì)達(dá)到脫碳目標(biāo)影響不大。圖3，A為處理時(shí)間15 min,B為處理時(shí)間20 min,各取30組樣進(jìn)行對(duì)比，二者差別不大。處理時(shí)間超過20 min的脫碳效果并不比處理15 min的好，脫碳甚至停滯。此時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)束脫碳，為后續(xù)的夾雜物上浮、凈化鋼液創(chuàng)造條件。

4.2 驅(qū)動(dòng)氣體的控制

氬氣作為驅(qū)動(dòng)氣體是RH 爐鋼水循環(huán)的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)氣體流量的大小直接影響鋼水循環(huán)狀態(tài)和真空脫碳效果。吹氬操作是RH爐真空脫碳處理過程的生命線，操作工要通過觀察鋼水反應(yīng)情況進(jìn)行吹氬流量的調(diào)節(jié)。在RH爐真空脫碳處理過程，碳氧反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生大量CO 氣體，可導(dǎo)致鋼水的噴濺。在RH 鋼水處理的前期，反應(yīng)熱力學(xué)條件較好，采用較小的氬氣氣體流量，既能減少發(fā)生噴濺的概率，又能減少對(duì)耐火材料的浸蝕。經(jīng)過實(shí)踐總結(jié)，我公司RH 爐驅(qū)動(dòng)氣體控制方法是前期調(diào)節(jié)為50±5 m3/h，中期待平穩(wěn)后調(diào)節(jié)到100±10 m3/h。冶煉后期如需加入脫氧劑或者鋼水進(jìn)行升溫操作，則將驅(qū)動(dòng)氣體調(diào)節(jié)為80±10 m3/h。

圖3 不同真空處理時(shí)間的對(duì)比Fig.3 Comparison of different vacuum treatment time

4.3 真空度的控制

真空度(壓降速率)是對(duì)真空脫碳速度影響極大的因素。因?yàn)檎婵帐覊毫焖俚慕档停档土薈O的分壓PCO，同時(shí)真空室的排氣速率加快，也降低了CO的分壓Pco，都能加快真空條件下的脫碳反應(yīng)速度。通過觀察，真空壓力為67 Pa保持的時(shí)間在15±2 min，得到的碳含量滿足要求，而真空壓力為133 Pa保持同樣的時(shí)間，碳含量偏高。這說明保持67 Pa的極限真空時(shí)間有利于脫碳至極低水平。這要?dú)w結(jié)為高真空度下PCO低，鋼液的循環(huán)加快，真空室中的攪拌能增加了，碳氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)得到改善，可以顯著提高RH脫碳的速度。

4.4 補(bǔ)氧強(qiáng)制脫碳的控制

進(jìn)入RH爐工位操作的鋼水碳高氧低時(shí)或者溫度較低時(shí)，需對(duì)鋼水進(jìn)行補(bǔ)氧強(qiáng)制脫碳或升溫處理。采用強(qiáng)制脫碳爐次因前期的鋼水中碳含量相對(duì)較高，補(bǔ)氧或升溫操作不宜在5 min 前進(jìn)行。供氧強(qiáng)度是補(bǔ)氧操作的重要工藝參數(shù)，若供氧強(qiáng)度低，氧氣射流攪拌力小，會(huì)導(dǎo)致吹氧耗時(shí)長、脫碳速度小，降低了氧氣的利用效率。補(bǔ)氧強(qiáng)制脫碳的供氧強(qiáng)調(diào)為0.18～0.20 m3·t-1·min-1，補(bǔ)氧量由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來進(jìn)行設(shè)定。

5 RH爐脫碳效果

5.1 成品w[C]檢測(cè)

在20爐工業(yè)純鐵M6的成品線材上隨機(jī)截取試樣，去除表面氧化鐵皮后進(jìn)行鉆屑取粉末樣，按GB/T20123法檢測(cè)碳硫，實(shí)測(cè)鋼中的w[C]含量見圖4。經(jīng)過測(cè)量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]為39×10-4%。

圖4 工業(yè)純鐵M6的w[C]含量Fig.4 w[C] content of industrial pure iron M6

5.2 成品電導(dǎo)率檢測(cè)

電阻越大，電導(dǎo)率越低，電導(dǎo)率的計(jì)算公式如(6)：

σ=0.017241÷R÷D1÷D2÷0.785÷Kt×100%

(6)

式中σ為電導(dǎo)率，單位%；R為實(shí)測(cè)1米線材電阻值，單位為Ω；D1、D2是所測(cè)量的線材不同位置直徑，單位為mm；Kt是溫度校正系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量溫度20 ℃，選定對(duì)應(yīng)Kt為1.000。

在不同爐號(hào)的Φ6.5 mm規(guī)格盤條取樣進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過測(cè)量，結(jié)果見圖5，電導(dǎo)率最高16.49%，最低16.12%，平均電導(dǎo)率為16.29%，滿足用戶的需求。

圖5 工業(yè)純鐵M6的電導(dǎo)率(%)Fig.5 Conductivity of industrial pure iron M6 (%)

6 結(jié)論

(1)煉鋼采用轉(zhuǎn)爐-LF-RH-連鑄的工藝流程，RH真空脫碳的操作控制是重要環(huán)節(jié)。應(yīng)用RH真空精煉法進(jìn)行真空脫碳，成功生產(chǎn)出合格的超低碳鋼工業(yè)純鐵M6。

(2)RH真空脫碳工藝的真空壓力為67 Pa時(shí)真空處理時(shí)間為15±2 min，驅(qū)動(dòng)氣體前期調(diào)節(jié)為50±5 m3/h，中期待平穩(wěn)后調(diào)節(jié)到100±10 m3/h、補(bǔ)氧強(qiáng)制脫碳的供氧強(qiáng)調(diào)為0.18～0.20 m3·t-1·min-1。

(3)采用此RH真空脫碳工藝的效果好，實(shí)測(cè)鋼中的w[C]含量，最高49×10-4%，最低31×10-4%，平均w[C]為39×10-4%；測(cè)量電導(dǎo)率，最高16.49%，最低16.12%，平均電導(dǎo)率為16.29%，產(chǎn)品性能滿足客戶的需求。