鄭福生，何 新

(唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北 唐山 063306)

氫是鋼中有害元素之一，會(huì)引起“氫脆”、白點(diǎn)和點(diǎn)狀偏析等缺陷，對(duì)鋼材實(shí)際性能產(chǎn)生很大影響，特別是中高碳合金鋼鍛造用鋼，白點(diǎn)裂紋敏感，對(duì)鋼中氫含量要求苛刻，減少和控制鋼中的氫含量，對(duì)提高鍛造用鋼的質(zhì)量至關(guān)重要[1-4]。我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代，下游產(chǎn)業(yè)客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高要求，在一般鍛鋼氫含量要求小于2.0×10-6的基礎(chǔ)上，部分白點(diǎn)和裂紋敏感性極高的鋼種氫含量要求小于1.0×10-6。某公司有單工位40 t VD爐一座，主要作用之一是鋼水脫氫處理，經(jīng)真空的鍛造用鋼比例接近100%，能夠滿足氫小于2.0×10-6的控制要求。為解決鋼中氫小于1.0×10-6穩(wěn)定生產(chǎn)問(wèn)題，以脫氫熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工況經(jīng)工藝優(yōu)化，有效滿足了高潔凈鍛鋼低氫含量控制的要求。

1 高潔凈鍛鋼生產(chǎn)工藝

1.1 工藝路線

唐鋼重機(jī)公司主要產(chǎn)品之一為高潔凈鍛造用鋼，生產(chǎn)工藝路線：廢鋼—電弧爐(EBT)—精煉(LF)—真空脫氣(VD)—下注式模鑄(IC)。

1.2 裝備及工藝參數(shù)

高潔凈鍛鋼生產(chǎn)設(shè)備主要有：40 t偏心爐底電爐、40 t LF精煉爐、40 t VD真空脫氣裝置。VD真空系統(tǒng)之前為蒸汽噴射泵，現(xiàn)改造為機(jī)械真空泵，采用電能作為能源介質(zhì)，較之蒸汽噴射泵而言，設(shè)備耐用性、能耗、抽氣時(shí)間等得到了明顯優(yōu)化(見(jiàn)表1)。

表1 VD爐工藝參數(shù)

2 脫氫理論分析

2.1 熱力學(xué)分析

氣體氫在鋼中溶解時(shí)，氫分子先被吸附在氣相-鋼液界面上，分解成兩個(gè)氫原子，氫原子被鋼液吸收。其溶解過(guò)程為

(1)

在小于105Pa的壓力范圍內(nèi)，氫在鋼液中的溶解符合平方根定律：

(2)

式中：a1為氫在鋼液中的活度；f1為氫的活度系數(shù)；w(H)為氫在鋼液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；K1為氫在鋼液中的平衡常數(shù)；P1為氣相中氫的分壓力，Pa。

氫的平衡常數(shù)為溫度的函數(shù)，其關(guān)系式為

(3)

依照熱力學(xué)平衡移動(dòng)原理，隨著P1的不斷降低，脫氣反應(yīng)不斷進(jìn)行，降低體系的氣相壓力P1是實(shí)現(xiàn)脫氫的原動(dòng)力[1]。劉建[2]等人計(jì)算研究了鋼液中氫含量隨真空度的變化關(guān)系和氫在不同分壓下鋼中的飽和溶解度。當(dāng)真空度為67 Pa時(shí)，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.69×10-6。隨真空度的降低，鋼中溶解氫含量逐漸降低。

經(jīng)李德軍[3]計(jì)算判定，鋼液中含氫量不是大氣中氫的分壓所致，而是主要取決于爐氣中的水蒸氣[3]，與空氣中的水蒸氣分壓以及煉鋼原材料的干燥程度有關(guān)。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

氫在鋼液中的溶解量很小，不能依靠本身形成的氣泡排出，而是通過(guò)鋼包底部吹進(jìn)的氬氣泡表面吸附，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子后在向氣相中排出。鋼液中的氫向氣泡內(nèi)傳輸為

2[H]=H2

(4)

對(duì)鋼液進(jìn)行真空脫氫，脫氫過(guò)程由三個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)組成[4]：鋼液中溶解的氣體原子向鋼氣界面擴(kuò)散；氣體原子在鋼氣界面上吸附，結(jié)合成氣體分子，再?gòu)慕缑婷摳剑幻摳降臍怏w分子在真空作用下向氣相擴(kuò)散。

一般認(rèn)為鋼液中溶解的氣體分子向鋼氣界面擴(kuò)散為限制性環(huán)節(jié)[ 5]，其速率關(guān)系式可表達(dá)為

(5)

式中：w(H)0為鋼液中氫的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(H)1為鋼液中氫的處理后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；β為鐵液內(nèi)元素的相互作用系數(shù)；A為氣泡表面反應(yīng)面積，m2；Vm為鋼液體積，m3；t為脫氫時(shí)間，s。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鋼包工況條件固定，真空脫氫效果主要在于脫氫時(shí)間、反應(yīng)面積、真空度等可變因素。

3 氫含量影響因素分析

3.1 自然氣候環(huán)境影響

趙喜偉等研究認(rèn)為鋼中原始?xì)浜康?，處理后的鋼水中的氫含量也越低；鋼中原始?xì)浜扛撸幚砗蟮匿撍袣浜恳苍礁遊6]。公司所在區(qū)域?yàn)楹I淤積平原，屬暖溫帶大陸性氣候，年均相對(duì)濕度66%。對(duì)一年內(nèi)LF出站時(shí)鋼中氫含量測(cè)定統(tǒng)計(jì)月度平均值，觀察氫含量的變化規(guī)律，見(jiàn)圖1。

圖1 全年生產(chǎn)LF出站鋼包內(nèi)氫含量變化情況

對(duì)VD前原始?xì)浜窟M(jìn)行測(cè)定分析，鋼中氫含量平均值7.23×10-6。從圖1中可以看出，1—5月份降雨偏少，空氣相對(duì)干燥，脫氣前鋼包內(nèi)氫含量水平較低，平均值為6.36×10-6，7—9月份雨季和1—12月份所處沿海區(qū)域霧天增多，空氣潮濕使得大氣中水分壓較高，鋼液極易從大氣中吸氫，造成氫含量增加。生產(chǎn)低氫高潔凈鋼，生產(chǎn)時(shí)間盡可能避開7—9月份雨季。

煉鋼過(guò)程環(huán)境對(duì)鋼液增氫的影響，主要是煉鋼使用的石灰、合金等吸收空氣中的水分，造成鋼液增氫。為了考察石灰、合金吸水對(duì)鋼液氫含量的影響，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)?？疾焓也鸢胖么猛７艜r(shí)間與鋼液LF出站氫含量見(jiàn)的關(guān)系情況，見(jiàn)圖2。將合金烘烤300 ℃以上與不烘烤的情況進(jìn)行對(duì)比，鋼液氫含量情況如表2所示。

圖2 石灰拆包待用時(shí)間與鋼液氫含量關(guān)系

從圖2中可以看出，石灰待用存放時(shí)間對(duì)鋼液原始?xì)浜坑休^大影響，隨時(shí)間的延長(zhǎng)石灰吸收空氣中水汽增加，造成鋼液吸氫量增加，將石灰拆包待用存放時(shí)間降低至1 h以內(nèi)，鋼液增氫量可有效降低0.5×10-6左右。從表2中可以看出，合金烘烤能夠降低鋼液氫含量0.4×10-6左右。對(duì)合金進(jìn)行烘烤、石灰控制入廠及拆包時(shí)間，能夠有效降低煉鋼過(guò)程鋼液增氫量，得到原始?xì)浜枯^低的鋼液，利于后期真空脫氫處理。

表2 合金烘烤情況對(duì)鋼液增氫影響

3.2 VD真空過(guò)程控制

生產(chǎn)低氫鍛鋼，氫含量能否達(dá)到客戶技術(shù)要求，更為關(guān)鍵的是VD真空處理脫氫過(guò)程，對(duì)VD真空過(guò)程的可變參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，以確定工藝優(yōu)化參數(shù)。

3.2.1 真空度的影響

降低體系的氣相氫分壓，是實(shí)現(xiàn)脫氫的原動(dòng)力，隨著氣相壓力的不斷降低，脫氫反應(yīng)不斷進(jìn)行。固定現(xiàn)有其他工藝參數(shù)，分析了真空度與脫氫率之間的關(guān)系，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，提高罐體內(nèi)真空度，能夠顯著提高脫氫率，隨真空度的提高，脫氫率顯著提升，結(jié)合工序設(shè)備條件，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際真空度控制在20 Pa以下，即可實(shí)現(xiàn)接近85%的脫氫率。

圖3 保壓真空度與脫氫率之間的關(guān)系圖

3.2.2 吹氬強(qiáng)度的影響

VD爐真空脫氫效果受鋼液作用于氬氣泡表面靜壓力影響，鋼液脫氫主要集中在鋼液面近表面反應(yīng)區(qū)域，氬氣泡上升進(jìn)而頂破鋼渣面形成的渣眼面積約等于氬氣泡的接近鋼液面區(qū)域的近表面反應(yīng)面積[7]。因不同鋼種、鋼包凈空高度、渣層厚度等條件的影響，吹氬強(qiáng)度效果有所差異。通過(guò)VD爐觀察孔間接測(cè)量渣眼直徑可以計(jì)算出近表面反應(yīng)面積，以此代替吹氬強(qiáng)度。通過(guò)增大吹氬強(qiáng)度，渣眼面積逐漸增大，固定其他工藝參數(shù)，考察不同渣眼面積情況下脫氫效果，見(jiàn)圖4。

圖4 脫氫率與渣眼直徑大小關(guān)系

從圖4中可以看出，隨著渣眼直徑的逐漸增大，脫氫效果越好，當(dāng)渣眼直徑達(dá)到300 mm左右時(shí)脫氫率最高，此時(shí)吹氬壓力為0.25 MPa左右，當(dāng)渣眼直徑超過(guò)350 mm時(shí)脫氫效果下降。當(dāng)渣眼直徑超過(guò)350 mm時(shí)，增大渣眼面積，需要更大的吹氬壓力，但其他工況條件固定時(shí)，不斷增大吹氬壓力，氬氣泡上升速度必然更快，反而降低了鋼液脫氫效果，也容易造成鋼渣外溢。

3.2.3 VD保壓時(shí)間的影響

鋼液脫氫需要一定的時(shí)間，時(shí)間是實(shí)現(xiàn)脫氫效果的重要參數(shù)之一，固定其他工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了保壓時(shí)間對(duì)重點(diǎn)氫含量的影響，見(jiàn)圖5。

圖5 氫含量與真空保壓時(shí)間的關(guān)系圖

從圖5中可以看出，總體趨勢(shì)是隨保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，終點(diǎn)氫含量逐漸降低，尤其是10 min以內(nèi)，趨勢(shì)明顯，保壓時(shí)間超過(guò)15 min趨勢(shì)減緩。在初始?xì)浜糠€(wěn)定的條件下，保壓時(shí)間20 min左右可達(dá)到設(shè)備脫氫的極限條件。實(shí)際生產(chǎn)中，保壓時(shí)間控制在18 min，即可將鋼液中的氫控制在1.0×10-6以下。

3.3 澆注過(guò)程氫含量控制

為查看澆注過(guò)程鋼液增氫情況，在澆鑄的鋼錠中，選取連續(xù)10爐低氫鋼種，在澆鑄液位至冒口下方時(shí)于鋼錠上方進(jìn)行取樣定氫，與VD脫氣后的氫含量進(jìn)行比較，如圖6所示。

從圖6中可以看出，澆注過(guò)程是鋼液增氫的過(guò)程，增氫可能的氫氣來(lái)源主要是與澆注過(guò)程與鋼液接觸的滑板水口、湯道磚、鋼錠模、保護(hù)渣等含水物質(zhì)和氣體環(huán)境。考慮到以上可能的氫氣來(lái)源，在真空脫氣結(jié)束后，鋼液需要得到良好的保護(hù)，盡可能不受到外界氫原的影響。一方面是做好氬氣保護(hù)澆注，隔絕空氣中的水汽；另一方面是對(duì)水口滑板、湯道磚、保護(hù)渣等做好預(yù)熱去氫處理，使用前做好烘烤，去除水分影響。通過(guò)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)澆注過(guò)程增氫可控，增量小于0.2×10-6。

圖6 鋼液澆注過(guò)程增氫情況

4 工藝優(yōu)化措施及效果

基于高潔凈鍛鋼產(chǎn)品全流程綜合工藝控制理念，對(duì)脫氫工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)生產(chǎn)低氫含量鍛造鍛鋼品種，生產(chǎn)時(shí)間需避開空氣濕度大的陰雨天氣月份。

(2)熔煉過(guò)程使用石灰輔料盡可能地降低現(xiàn)場(chǎng)存放時(shí)間，以不影響生產(chǎn)順行為準(zhǔn)降至最低。對(duì)加入合金料進(jìn)行烘烤處理，烘烤溫度300 ℃以上。

(3)VD脫氫工藝中真空保壓時(shí)間控制在18 min以上，保壓真空度小于20 Pa，渣眼直徑大小控制在300～350 mm。

(4)澆注過(guò)程實(shí)行鋼液氬氣保護(hù)澆注，與鋼水接觸的材料做好預(yù)熱去氫處理。

通過(guò)相應(yīng)的工藝優(yōu)化，組織進(jìn)行了多爐低氫含量潔凈鍛鋼的冶煉生產(chǎn)，鋼中氫含量較低冶金質(zhì)量良好，小于1.0×10-6的良品率近95%，見(jiàn)圖7。

圖7 工藝優(yōu)化后潔凈鍛鋼脫氫效果

5 結(jié) 論

(1)VD真空前的工序是增氫過(guò)程，采取合金烘烤、石灰使用時(shí)間管控等措施能夠有效降低鋼液原始?xì)浜?，生產(chǎn)中VD處理原始?xì)浜糠€(wěn)定在5.0×10-6以下。

(2)VD脫氫過(guò)程合理控制真空度、保壓時(shí)間、氬氣流量及壓力，可以獲得脫氫率高于85%的效果。

(3)澆注過(guò)程做好保護(hù)澆注和與鋼液接觸材料的預(yù)熱去氫處理，鋼液增氫小于0.2×10-6。

(4)采用低氫操作工藝，生產(chǎn)高潔凈鍛鋼氫含量能夠穩(wěn)定控制在1.0×10-6以下，良品率達(dá)到95%的水平，滿足市場(chǎng)客戶要求。