精炼(LFVD)工艺优化及开发VD炉脱碳工艺的研究

精炼（LF/VD）工艺优化及开发VD炉脱碳工艺的研究随着我国能源和基础设施建设的发展，要求高强度低合金钢板具有较高的屈服强度、良好的焊接性、高的断裂韧性以及低的韧脆转变温度、良好的冷成型性等。而低碳贝氏体钢由于具有高强度、高韧性、焊接性能优良、低成本的特点，故在欧美发达国家广泛应用于油气管线、工程机械、重型汽车、集装箱、造船、桥梁、压力容器等诸多领域。我厂开发出VD真空氧脱碳等新工艺，不仅提高了宽厚板厂的综合技术水平，还确保了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢的成功开发，扩大了高技术含量、高附加值产品的范围，增强了企业在市场上的竞争力和影响力。本文就VD真空氧脱碳工艺进行了分析研究。1真空氧脱碳冶金原理真空氧脱碳原理与真空碳脱氧原理是一致的。换句话说，真空氧脱碳是根据真空碳脱氧原理反推出来的一种新的脱碳工艺，它们的区别只在于冶金侧重点不同而已。它服从以下冶金热力学规律：[C]+[O]=CO↑根据冶金学原理，真空下[O]与[C]的反应能力随真空度的提高而提高，所以真空过程随着CO分压的降低，钢中富氧与C的反应被重新激活，从而达到降C的目的。以脱氧元素0.1%的质量分数为例，当PCO=10132.5Pa时，C/O反应能力超过Si-O反应能力；当PCO=133.32Pa时，[C]与[O]的亲和力又大于[Al]与[O]的结合力。另外，由于转炉熔炼时采取强化供氧方式冶炼，氧化末期钢水中总氧含量通常大于10-3。因此利用宽厚板厂现有的VD真空设备，在钢水未经硅、铝等脱氧还原的情况下，进行真空氧脱碳能够使钢中成品w([C])降到0.05%以下。2真空脱碳工艺2.1转炉冶炼工艺显然，在转炉冶炼过程中，增加钢液中的氧含量，对保证VD炉真空氧脱碳的冶炼效果是有利的。同时，为了提高冶炼速度，扩大生产规模，对转炉冶炼操作提出如下要求：(1)降低炉料的配碳量，生铁配入量以20t为宜，同时，须减少炉料中的易氧化元素，如锰钢、渣钢等不允许加入，返回废钢不宜配入过多；(2)提高钢液温度，以增大钢液中氧的溶解度；(3)加大供氧强度，增加供氧量，保证氧压在10kg以上；(4)出钢大包温度大于1600℃，出钢w([C])0.08%。禁止加入任何脱氧剂及渣料。2.2VD真空氧脱碳工艺根据实践经验，把从开抽到破坏真空时间限定为10～12min，真空度须达到200Pa～250Pa，开抽温度要控制在1590℃～1640℃，真空过程温降为(2.2±0.2)℃/min，氩气流量控制在200Nm3/h左右。经此处理后，钢水w([C])低于0.01%，从而为保证成品w([C])≤0.05%打下了基础。在抽真空操作中，进泵速度要均匀平衡，防止钢水剧烈沸腾引起溢渣，真空度达到26.7kPa左右和4kPa左右时，出现两次真空度上升缓慢或停滞现象，说明此时C-O反应剧烈，产生CO较多。2.3LF2VD后期精炼工艺2.3.1LF精炼要求能否在50～60min内完成所精炼钢种对LF过程所要求的全部冶金任务，对顺利实现连浇起着决定性的作用。而20min内完成变渣，40min内完成脱硫则更是精炼操作的重中之重。因此，为加快生产节奏，我们对精炼工艺作了如下改进：2.3.1.1对原辅材料的要求真空残氧脱碳后，钢液中仍含有大量的氧，需要进行充分的沉淀脱氧和扩散脱氧。但为减少钢液的进碳量，在进行脱氧操作时，应注意选择使用合适的脱氧剂，如：铝线、铝粉等。对于硅铁粉，要求其w(C)必须小于0.15%，且应适当降低其使用量。对于碳含量高的扩散脱氧剂(如：电石)则禁止使用。2.3.1.2钢水的快速脱氧真空后喂入铝线700～850m/炉、Ca-Si块100～150kg/炉。通过强制性强脱氧剂沉淀脱氧，钢水中[O]T含量实际上已降至比较低的水平，基本上不需再补铝线已可保证成品w([Al]T)≥0.030%，并为快速脱硫创造了条件。2.3.1.3合金化根据出钢量，提前计算所需合金的用量，并准备到位。除Ti等易氧化元素外，其它合金在真空后于精炼位一次性加入。精炼样渣变白，即以上元素被充分还原后，再微调至内控中限，以减少LF控制成分所需时间。2.3.1.4造渣、变渣自然氧脱碳后，炉渣中(FeO)、(MnO)等含量很高，变渣十分困难，渣碱度和流动性不易控制。从生产组织需要出发，须在15～20min内将炉渣变白。因此我们按以下方法造渣：石灰加入量1200～1500kg/炉，m(CaO)∶m(CaF2)=10∶3，用强扩散脱氧剂变渣。扩散脱氧剂有：金属铝粉200kg/炉、Fe2Si粉50～100kg/炉、Ca/Si块100kg，并加强吹氩搅拌，加快扩散传质，保证了15～20min内造出理想白渣，这既为脱硫创造了条件，又使得渣中MnO等被还原，便于精确控制钢水成分。2.3.1.5快速脱硫在完成脱氧、变渣操作之后，为脱硫创造了极好的条件，再根据样结果报回后，微调Mn、Ni、Mo、Nb等进入内控中下限。强吹氩搅拌(约150Nm3/h)5min，即总精炼约40min，钢中w([S])≤0.010%，精炼结束之前强吹氩3min，使钢中w([S])≤0.007%。2.3.1.6精炼过程碳含量的控制真空氧脱碳后，钢中的w([C])≤0.01%，为保证精炼过程尽可能不增碳，也必须采取一些措施。(1)送电前在电极处加入一些渣料，因此时钢液面上渣子比较少，电极容易与钢水接触；(2)使用合理的配电制度，电功率的大小影响电弧的长短，影响电极与钢液的接触；(3)随时观察钢液面上有无电极头，在冶炼前尽可能避免电极带头精炼。2.3.2对VD二次真空处理要求第1次真空处理完成真空氧脱碳，保证钢中碳质量分数较低(≤0.01%)。精炼完成后对钢液进行第2次真空处理，保证钢中的N、H、夹杂物等进一步降低，以提高钢水的纯净度。真空工艺要求：真空度67Pa保持时间大于15min。在真空处理前喂入Ca-Si线300～400m，以球化夹杂物。3真空氧脱碳工艺应用近年来陆续开发了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢，共计500余炉，成品钢中平均w(C)为0.04%、平均w(S)为0.003%、w(H)在2×10-6左右、w(O)≤20×10-6、w(N)≤100×10-6。成品钢中w(C)≤0.05%的炉次达到86.67%，个别炉次w(C)超过0.06%，主要是因出钢温度低导致精炼时间长造成电极进碳，以及少数原、辅材料碳高，由此说明真空氧脱碳工艺已可以适应冶炼高技术含量、高附加值产品的需要。4存在的问题虽然目前已经解决了低碳高强度贝氏体钢的冶炼问题，但是其双真空生产工艺影响了生产组织及生产效率。采用真空氧脱碳工艺冶炼的钢种连浇率很低，只能连浇3炉(VOD投产后，这一矛盾即可得到解决，连浇炉数可以提高到6～8炉)，限制了电炉的产量。原因是冶炼时间比较长，每炉钢从电炉出钢到上连铸基本都在3h左右。所以要加强真空氧脱碳工艺研究，如：初炼炉的钢中C和O控制在什么水平，既能使氧脱碳后钢中C和O能够最低，又能后期精炼可快速脱氧，减少精炼时间。对于钢中增碳的问题，需合理控制出钢温度，减少因出钢温度低导致精炼时间长造成电极进碳；加强原辅材料管理，减少原、辅材料进碳，提高[C]合格率。5结论(1)研究开发了真空氧脱碳工艺，丰富了炼钢手段；(2)真空氧脱碳工艺可以满足冶炼w([C])≤0.05%、w([S])≤0.005%的高强度、高技术含量、高附加值钢种的需要；(3)需要进一步加强真空氧脱碳工艺研究，减少精炼时间，提高连铸连浇炉数。0前言宽厚板厂现有120t转炉两台，120tLF精炼炉三台，VD炉一台，RH炉一台，形成了转炉冶炼→LF精炼→VD处理→CC这一具有国际先进水平的生产线。VD炉主要起净化钢液和脱C的冶金效果，在提高最终产品———钢板的冶金质量，冶炼低C钢方面发挥着重要的作用。1VD处理对提高钢板冶金质量的作用1.1基本原理根据西维茨定律，一定温度下，气体在钢液内的溶解度与液相面上的气压的平方根成正比。一定真空度下，氢、氧、氮在钢液中的溶解度都有不同程度的降低；通过底吹Ar的强烈搅拌作用和Ar气泡的真空室作用，促使气体从钢液中溢出、夹杂物上浮进入渣中、脱氧、脱硫反应继续进行、钢液成份、温度达到均匀化。1.2脱气钢中气体对钢板质量危害极大，是造成钢板探伤不合的主要原因，特别是氢，当造成“白点”缺陷时必须报废，降低钢中气体含量是提高钢板冶金质量和探伤合格率的必要途径。实际生产中，控制适当的Ar气流量，真空度最低到30Pa，时间达到20～25min，气体含量基本稳定在2×10-6左右、全[O]20×10-6、[N]100×10-6。脱氢率可以达到40%左右，脱氮率可以达到10%～15%，继续延长真空时间，气体含量虽可以继续降低，但脱除速度明显减慢，综合考虑各种因素，抽真空时间不宜过长。表1是真空处理前后钢液[H]含量情况，图1、图2分别是真空处理钢板[O]、[N]含量情况。1.3去夹杂真空处理具有明显的去夹杂作用，根据LF精炼过程脱氧程度，喂入AL线和Ca-Si线，调整钢液面上渣子成份，真空处理后钢中的夹杂含量较少，夹杂物形态也得到了控制，图3为真空处理后，钢中夹杂物评级情况，(共26炉，在钢板上取样，按照GB10561-89进行检验、评级)。由图3可以看出，夹杂物评级绝大部分在1级以下，A、B类夹杂较少，C、D类夹杂多在0.5～1.0级。图3夹杂物评级示意图1.4脱硫真空脱硫原理如下[2]：[S]+[C]+CaO[S]=CaS[S]+CO[S]+[Si]=SiS[g]真空处理前，控制合适的渣况，真空过程具有很强的脱S作用，脱S率可以达到50%以上。真空处理后，可以确保钢中[S]不大于0.010%，最低可以达到0.003%。图4为真空处理后钢中[S]分布情况。图4[S]含量分布示意图1.5真空处理与钢板探伤合格率钢板探伤合格率受钢种、真空处理、成材方式、压缩比等多方面因素影响，VD炉投用前，通过扩氢退火处理来保证钢板探伤质量，从舞钢几年来的生产实践看，用真空处理代替扩氢处理，钢板探伤合格率可以提高约15%。1.6真空处理与钢板机械性能经真空处理钢板的机械性能普遍优于未经真空处理的钢板，韧性、塑性指标大幅提高，从舞钢几年来的生产实践看，相同轧制条件下，真空处理延伸率平均提高5%，-20℃低温冲击平均提高近50J。D级、E级钢真空处理后，性能合格率大幅提高。2真空自然氧脱碳2.1基本原理真空自然氧脱碳是根据真空碳脱氧原理反推出来的一种新的脱碳工艺，它服从以下热力学规律：[C]+[O]=CO真空下[O]与[C]的反应能力随真空度的提高而升高，从理论上分析，当真空度达到1Torr以下时，[C]与[O]的亲和力大于[Al]与[O]的亲和力[3]。电炉冶炼氧化期强化供氧，出钢后钢中总[O]含量在1000×10-6以上，加上吹Ar的作用，真空条件下，实现氧脱碳是完全可能的。同时真空氧脱碳产物是CO气体，不会污染钢液，且具有一定的去处气体和粘附夹杂的作用。2.2真空自然氧脱碳操作2.2.1电炉冶炼显然，氧化期强化吹氧，增加钢中氧含量，对保证真空自然氧脱碳的冶炼效果是有利的，同时，为了提高冶炼速度，初炼炉操作做了如下调整：1)降低炉料配碳量，减少生铁配入量，同时，减少炉料中的易氧化元素。2)氧化期加大供氧量，保证氧压不小于1.0MPa。3)[C]0.08%允许出钢；提高出钢温度，保证出钢后大包测温在1600℃以上，用以增大氧在钢液中的溶解度；出钢不加任何脱氧剂与渣料。2.3VD操作2.4LF精炼操作真空后钢中仍含有很高的氧含量，要适应钢种质量及现场生产节奏要求，对精炼操作来说，快速变渣、快速脱氧、快速脱硫至关重要，对精炼工艺进行了如下调整后，基本上实现了在60min内完成精炼任务的目标。2.4.1对原、辅材料严格要求VD处理后，钢中[C]降到了较低的水平，但[O]含量仍然很高，脱氧剂用量较大，避免精炼过程因各种原、辅材料及合金令钢液大量增碳很重要，实际操作时，通过挑选使用碳含量低的原、辅材料，确保了熔炼分析[C]≤0.06%。2.4.