RH碳脱氧工艺的研究及实践

1、本钢集团有限公司本钢集团有限公司BENXI STEEL GROUP CORPORATIONRHRH碳脱氧工艺的研究及实践碳脱氧工艺的研究及实践赵云珠赵云珠 2013年年9月月1目录目录前言前言1本钢炼钢厂装备水平本钢炼钢厂装备水平2RH碳脱氧工艺的理论研究碳脱氧工艺的理论研究 3碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果4本钢（集团）公司本钢（集团）公司结论结论52本钢（集团）公司本钢（集团）公司1 1、前言、前言 随着钢铁行业竞争的激烈，钢材产品的利润空间逐渐变小，如何采用低随着钢铁行业竞争的激烈，钢材产品的利润空间逐渐变小，如何采用低成本生产高质量产品关系到企业的生存空间。挖掘已有设备的功能

2、潜力，成本生产高质量产品关系到企业的生存空间。挖掘已有设备的功能潜力，利用现有设备，通过工艺技术进步，在适应大生产的条件下，降低炼钢过利用现有设备，通过工艺技术进步，在适应大生产的条件下，降低炼钢过程的生产消耗，提高产品质量是炼钢必需面对的问题。程的生产消耗，提高产品质量是炼钢必需面对的问题。 为了充分发挥为了充分发挥RH的脱碳功能，低成本生产此类钢种，本钢从的脱碳功能，低成本生产此类钢种，本钢从2012年开年开始对始对RH轻处理钢进行工艺改进。轻处理钢进行工艺改进。2012年年1月至月至12月，炼钢厂进行了大量的月，炼钢厂进行了大量的工艺试验，通过转炉终点控制碳、氧及温度控制；工艺试验，通过

3、转炉终点控制碳、氧及温度控制；RH的精确脱氧控制、采的精确脱氧控制、采用转炉高碳出钢，炉后不进行脱氧，用转炉高碳出钢，炉后不进行脱氧，RH利用钢中氧进行较深度脱碳，采用利用钢中氧进行较深度脱碳，采用锰合金化进进行碳、锰双命中的工艺方法。通过生产过程中的工艺控制减锰合金化进进行碳、锰双命中的工艺方法。通过生产过程中的工艺控制减少了出钢过程中脱氧剂的加入量，同时少了出钢过程中脱氧剂的加入量，同时RH脱氧后采用高锰替代中锰或金属脱氧后采用高锰替代中锰或金属锰。锰。 3本钢（集团）公司本钢（集团）公司2、本钢炼钢厂装备水平、本钢炼钢厂装备水平装备装备套数套数技术参数技术参数铁水预处理铁水预处理7镁粉石

4、灰粉联合脱硫脱硫深度0.002%顶底复吹转炉顶底复吹转炉180吨转炉7顶底复吹精炼装置精炼装置LF5处理能力685万吨/年RH5处理能力400万吨/年AHF1处理能力175万吨/年连铸设备连铸设备1600mm双流板坯连铸机 2直弧形、连续弯曲、连续矫直、小辊径密排 弧形半径10m，设计能力350万吨/年1750mm单流薄板坯连铸机 2弧形半径5m，设计能力280万吨/年1900mm双流板坯连铸机 1直弧形、连续弯曲、连续矫直、全程辊缝收缩全程动态轻压下 弧形半径9.5m，设计能力260万吨/年2200mm单流板坯连铸机 1直弧形、连续弯曲、连续矫直、全程辊缝收缩全程动态轻压下 弧形半径9.5m

5、，设计能力160万吨/年350470mm四机四流矩形坯连铸机1结晶器电磁搅拌，轻压下功能 弧形半径14m，设计能力80万吨/年4本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究钢种成分要求钢种CSiMnPSAlsONDQ1J0.010.030.030.180.280.0180.010.020.050.00550.0033RH低碳轻处理钢典型钢种DQ1J的成品成份要求 %5本钢（集团）公司本钢（集团）公司3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究 RH低碳钢轻处理碳脱氧的目的是以钢水在转炉冶炼完成后的钢水条件为基础，通过过程精确控制，利用钢水自身的原始条件，以达到节省脱氧剂各采用

6、低价格的高碳锰合金替代高价格的中碳锰合金的目的。为了保证保证RH低碳钢轻处理碳脱氧工艺的实施，从以下方面进行研究。首先需从热力学角度对钢水原始条件进行分析以确定该方案是否可行；第二在动力学条件上，为过程反应提供有利条件，以保证反应速度，使其尽可能达到平衡状态，为过程精确控制提供保证条件；第三从理论上提供保证大生产过程的各节点控制参数，为大生产过程的生产稳定，操作人员的控制目标提供参考标准；最后通过试验确定实际生产过程中的优化参数，并在推广使用过程中对其固化以保证碳脱氧工艺在实际大生产过程中的稳定实施。 6本钢（集团）公司本钢（集团）公司3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究3.1碳氧反应的热力学

7、分析碳氧反应的热力学分析 常压下的碳氧反应的热力学分析常压下的碳氧反应的热力学分析钢中碳、氧反应为热力学分析钢中碳、氧反应为热力学分析C(石墨石墨)+1/2O2=CO G 11620483.62T1C(石墨石墨)=C G 2131841.8T21/2O2=O G 1170402.88T2 C+O=CO(g) G 2048238.94T取取PCO1 atm时时从上式可看出，在常压下，当从上式可看出，在常压下，当PCO为为1个大气压时，钢液中的个大气压时，钢液中的碳氧积只与钢液温度关联，不同温度下，钢中的碳氧积不同。碳氧积只与钢液温度关联，不同温度下，钢中的碳氧积不同。 7本钢（集团）公司本钢（集

8、团）公司3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究 从对钢中碳氧反应的热力学及动力学分析可看出，在转炉出钢及运输过程、RH轻处理过程都具体碳氧反应的条件。要做到即保证RH脱碳终点钢中碳含量满足RH轻处理钢种的规程要求，又可做到利用脱碳的氧耗量使脱碳终点的钢中氧尽可能低，必须首先对各生产环节的工序节点的碳、氧控制目标进行设定，给出所需的控制原则。 3.2.1碳脱氧工艺对各工序节点的碳、氧控制原则碳脱氧工艺对各工序节点的碳、氧控制原则 从表是典型的RH轻处理钢种的成份要求可看出，该类钢种的成品碳含量要求为0.01-0.03%，除含有少量锰及铝的合金要求外没有其它合金要求。RH脱碳终点必须用铝脱氧，因为可

9、以不考虑铝的合金要求的影响，只需考虑锰的合金化对钢水成份影响。 目前我厂锰合金化采用锰铁，根据锰铁的碳含量从高至低的不同分为高碳锰铁、中碳锰铁和低碳低磷锰铁三大类。而锰铁的价格随着碳含量的降低而大幅增加，因此在工艺允许的情况下使用碳含量高的锰铁会使相同锰成份的钢的合金成本降低。 对于RH轻处理钢种是否能使用高碳锰铁合金应由两方面决定，一是RH轻处理后所能达到的碳含量值，二是采用高碳锰铁合金化时的进碳量。 8本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究3.2.2RH轻处理前的碳氧含量确定轻处理前的碳氧含量确定 当脱碳终点的碳、氧值确定后，需对RH处理前的碳氧值进行确定，

10、因此需要得到RH脱碳过程的耗氧量，但在实际生产中，由于与钢水接触基本没有碳质材料，因此没有进碳源。但与钢水接触的钢渣及空气等都含有大量的氧，会在反应过程中不断向钢中进氧，因此实际上RH脱碳耗氧量并未达到理论水平，目前实际生产中RH脱0.01%时的平均耗氧量为80ppm。因此当RH前碳为0.05%时，RH前氧需保证550ppm，就可保证脱碳效果及脱碳终点的氧值。 9本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究3.2.3转炉终点的碳氧含量确定转炉终点的碳氧含量确定 为了得到为了得到RH前的碳氧值，保证前的碳氧值，保证RH前碳为前碳为0.05%，RH前氧为前氧为500ppm

11、，必须确定在出钢过程不脱氧的条件下，钢水在出钢及运，必须确定在出钢过程不脱氧的条件下，钢水在出钢及运输过程的碳氧值变化。输过程的碳氧值变化。 通过实际生产，当出钢碳大于通过实际生产，当出钢碳大于0.06%时，终点至时，终点至RH前在钢中氧没有前在钢中氧没有明显降低的情况下，钢中碳一般可降低明显降低的情况下，钢中碳一般可降低0.01-0.03%。因此转炉终点氧按。因此转炉终点氧按500ppm控制，保证终点氧不大于控制，保证终点氧不大于700ppm；终点碳近；终点碳近0.08%控制，保控制，保证终点碳不小于证终点碳不小于0.06%。10本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧

12、工艺研究3. 3转炉冶炼工艺的控制原则转炉冶炼工艺的控制原则 碳脱氧工艺与半脱氧工艺相比，由于半脱氧工艺可在出钢过程采用碳脱氧工艺与半脱氧工艺相比，由于半脱氧工艺可在出钢过程采用铝质材料对对钢中碳氧进行干预，其铝质材料对对钢中碳氧进行干预，其RH前碳氧含量的控制可相对稳定。前碳氧含量的控制可相对稳定。碳脱氧工艺可以稳定实施，必须下在不采取脱氧剂的干预下保证碳脱氧工艺可以稳定实施，必须下在不采取脱氧剂的干预下保证RH前前碳氧含量稳定。因此与半脱氧工艺相比，碳脱氧工艺在实际控制做如下碳氧含量稳定。因此与半脱氧工艺相比，碳脱氧工艺在实际控制做如下工艺调整。工艺调整。 提高转炉终点碳含量，但必须保证终

13、点碳含量的窄范围控制，以保证提高转炉终点碳含量，但必须保证终点碳含量的窄范围控制，以保证RH前碳氧含量的相对稳定前碳氧含量的相对稳定。 在前节论述中可知，在出钢及运输过程中，空气及钢渣进氧是不可避在前节论述中可知，在出钢及运输过程中，空气及钢渣进氧是不可避免的，关键是通过对出钢进氧及钢渣出氧的稳定控制，保证空气及钢渣免的，关键是通过对出钢进氧及钢渣出氧的稳定控制，保证空气及钢渣进氧稳定。进氧稳定。 出钢及运输过程中，空气及钢渣的稳定进氧，增加钢水中的碳氧积。出钢及运输过程中，空气及钢渣的稳定进氧，增加钢水中的碳氧积。利用出钢及吹氩的钢水搅拌，促进此过程的钢水脱碳反应，避免较高的利用出钢及吹氩的

14、钢水搅拌，促进此过程的钢水脱碳反应，避免较高的RH前碳含量造成前碳含量造成RH脱碳时间长，处理困难的问题。脱碳时间长，处理困难的问题。 11本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究3.4 RH轻处理的精炼工艺研究轻处理的精炼工艺研究 RH轻处理是指轻处理是指RH真空室保持在较低的真空度，一般轻处理的真空真空室保持在较低的真空度，一般轻处理的真空度可达到度可达到6kpa。在此真空度条件下，由于一氧化碳的分压降低，钢水中。在此真空度条件下，由于一氧化碳的分压降低，钢水中的平衡碳氧积变低，在常压下达到平衡的碳氧反应继续进行，从而达到的平衡碳氧积变低，在常压下达到平衡的碳

15、氧反应继续进行，从而达到脱碳目的。脱碳目的。其关键控制环节主要包括以下四个方面。其关键控制环节主要包括以下四个方面。在处理过程中需保证脱碳终点钢中合适的氧量以达到控碳目的。在处理过程中需保证脱碳终点钢中合适的氧量以达到控碳目的。强化脱碳反应的动力学条件，保证在规定的处理时间内达到处理要求。强化脱碳反应的动力学条件，保证在规定的处理时间内达到处理要求。减少能够对脱碳反应造成影响的外界干扰。减少能够对脱碳反应造成影响的外界干扰。合理的脱氧合金化工艺。合理的脱氧合金化工艺。12本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究3.4.1 RH脱碳终点控制脱碳终点控制 RH轻处理脱

16、碳过程钢中氧的控制轻处理脱碳过程钢中氧的控制 RH轻处理过程中，由于脱碳时间很短，在正常生产过程中无法通过对钢水中的轻处理过程中，由于脱碳时间很短，在正常生产过程中无法通过对钢水中的碳进行检验分析，仅能通过对钢水进行定氧测得钢中氧含量。因此必须过程过程氧碳进行检验分析，仅能通过对钢水进行定氧测得钢中氧含量。因此必须过程过程氧的控制以保证脱碳终点碳氧含量达到要求。采取以下控制措施的控制以保证脱碳终点碳氧含量达到要求。采取以下控制措施,保证保证RH前的钢水温前的钢水温度及稳定的碳氧含量。度及稳定的碳氧含量。针对针对RH前钢中碳氧值在前期确定处理过程是否进行补氧。前钢中碳氧值在前期确定处理过程是否进

17、行补氧。如需补氧必须在处理前期进行，以保证如需补氧必须在处理前期进行，以保证RH脱碳时间。脱碳时间。稳定的稳定的RH处理过程进氧量控制，以保证处理过程进氧量控制，以保证RH脱碳的耗氧量。脱碳的耗氧量。保证保证RH及钢包清洁，避免处理过程因真空罐壁或包壁冷钢掉入造成钢中碳含变化。及钢包清洁，避免处理过程因真空罐壁或包壁冷钢掉入造成钢中碳含变化。保证保证RH轻处理真空度稳定，避免因真空度波动对终点碳氧积造成影响。轻处理真空度稳定，避免因真空度波动对终点碳氧积造成影响。针对不同的针对不同的RH碳含量及处理方式（升温、补氧量），确定碳含量及处理方式（升温、补氧量），确定RH的脱碳时间。的脱碳时间。 通

18、过这些措施的实施，可效的控制了终点碳氧的实际波动。为了节约生产成本，通过这些措施的实施，可效的控制了终点碳氧的实际波动。为了节约生产成本，在实际生产过程中不对在实际生产过程中不对RH脱碳终点碳氧进行测定，而是通过脱氧加铝量来反应终点脱碳终点碳氧进行测定，而是通过脱氧加铝量来反应终点氧的含量，通过加入锰铁后的成品成份碳含量来反应脱碳终点的碳含量。氧的含量，通过加入锰铁后的成品成份碳含量来反应脱碳终点的碳含量。 13本钢（集团）公司本钢（集团）公司 3 RH碳脱氧工艺研究碳脱氧工艺研究RH轻处理低碳钢碳脱氧工艺合金化过程的碳控制轻处理低碳钢碳脱氧工艺合金化过程的碳控制 RH轻处理低碳钢碳脱氧工艺为

19、保证采用高锰替代中锰，必须保证轻处理低碳钢碳脱氧工艺为保证采用高锰替代中锰，必须保证RH脱氧前碳含量保持较低的水平，为高锰合金化创造条件。脱氧前碳含量保持较低的水平，为高锰合金化创造条件。 锰的合金化调整，必须在脱氧后锰的合金化调整，必须在脱氧后2min进行，以保证在合金化调整时进行，以保证在合金化调整时钢水脱氧完全。同时根据钢水脱氧完全。同时根据RH前的转炉钢水残锰量及钢种的实际锰要求进前的转炉钢水残锰量及钢种的实际锰要求进行锰的合金调整。行锰的合金调整。 从实际生产过程看，通过对从实际生产过程看，通过对RH脱碳终点的碳的控制调整，脱碳终点的碳的控制调整，RH轻处理轻处理低碳钢碳脱氧工艺可以

20、满足此类钢种的成份要求，与半脱氧工艺相比，低碳钢碳脱氧工艺可以满足此类钢种的成份要求，与半脱氧工艺相比，成品碳含量波动小。同时生产过程控制稳定。成品碳含量波动小。同时生产过程控制稳定。 14本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果4.1 2012年碳脱氧工艺的实际实施情况年碳脱氧工艺的实际实施情况 图11 2012年的RH轻处理钢及碳脱氧产量情况 15本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果4.2碳脱氧工艺提高了转炉终点碳及过程脱碳脱氧工艺提高了转炉终点碳及过程脱碳量 2012年采用碳脱氧工艺与2011年采用半脱氧工艺

21、相比，平均每炉在出钢过程中省去对钢中氧干预，因此每炉少加铝铁152kg。生产过程实际统计数据取平均值进行对比见图12、图13。图12 碳脱氧与半脱氧转炉终点与RH前碳含量的变化 图13 碳脱氧与半脱氧转炉终点与RH前氧含量的变化 16本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果4.3碳脱氧工艺降低了碳脱氧工艺降低了RH脱碳终点氧含量脱碳终点氧含量 从图从图14可看出，碳脱氧工艺脱氧及合金化平均耗铝量与原工艺相比可看出，碳脱氧工艺脱氧及合金化平均耗铝量与原工艺相比平均降低了平均降低了37kg。按炉产。按炉产170吨计，合金化用铝量相同，可折算出采用吨计，合金化用

22、铝量相同，可折算出采用与原工艺相比碳脱氧工艺脱碳终点氧降低了与原工艺相比碳脱氧工艺脱碳终点氧降低了145ppm。这主要因为两种。这主要因为两种工艺工艺RH前碳氧基本一相同，但碳脱氧工艺为保证高碳合金的使用终点碳前碳氧基本一相同，但碳脱氧工艺为保证高碳合金的使用终点碳控制低，脱碳消耗的氧多。因此脱碳终点氧得到降低。控制低，脱碳消耗的氧多。因此脱碳终点氧得到降低。图14 碳脱氧工艺与半脱氧工艺的实际脱氧合金化耗铝量 17本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果4.4脱碳终点碳含量降低保证了高锰合金化的使用脱碳终点碳含量降低保证了高锰合金化的使用 从图从图15可

23、见，与半脱氧工艺相比，碳脱氧工艺的实际成品碳含量平均高可见，与半脱氧工艺相比，碳脱氧工艺的实际成品碳含量平均高0.002%。半脱氧采用中锰合金化，目前使用中锰的平均锰含量为。半脱氧采用中锰合金化，目前使用中锰的平均锰含量为78.11；平均；平均碳含量为碳含量为1.90%，碳脱氧采用高锰合金化，目前使用中锰的平均锰含量为，碳脱氧采用高锰合金化，目前使用中锰的平均锰含量为68.64；平均碳含量为平均碳含量为6.55%。按平均钢水调锰量为。按平均钢水调锰量为0.18%计，则碳脱氧工艺计，则碳脱氧工艺RH脱氧前脱氧前的平均碳的平均碳C碳脱氧为：碳脱氧为： C碳脱氧碳脱氧=0.027-0.18%68.6

24、4%6.55%=0.0098% 而半脱氧工艺而半脱氧工艺RH脱氧前的平均碳脱氧前的平均碳C半脱氧为：半脱氧为： C半脱氧半脱氧=0.025-0.18%78.11%1.90%=0.0216% 采用半脱氧工艺生产采用半脱氧工艺生产RH轻处理钢，平均每炉使用轻处理钢，平均每炉使用396kg中锰。中锰。RH轻处理钢轻处理钢碳脱氧工艺实施以来，由于终点碳的降低，全部采用高锰替代中锰进行合金化，碳脱氧工艺实施以来，由于终点碳的降低，全部采用高锰替代中锰进行合金化，平均每炉高锰的使用量为平均每炉高锰的使用量为451kg。 18本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果图15 碳脱氧工艺与半脱氧工艺的实际的成品平均碳含量对比19本钢（集团）公司本钢（集团）公司 4 碳脱氧工艺的实施效果碳脱氧工艺的实施效果 对于RH轻处理钢，为保证供连铸钢水为镇静钢，因此必须采用铝质材料进行脱氧，其脱氧产物三氧化二铝为高熔点物质，在钢液中呈固态。虽然大部分脱氧产物会上浮，但会有部分脱氧产物残留在钢中则形成