RH-MFB生产过程对夹杂物的影响浅析

周剑丰 

(湖南华菱涟源钢铁公司涟钢技术中心，湖南 娄底，417009)

摘 要：对210转炉厂RH-MFB冶炼超低碳IF钢生产实际进行研究，分析转炉出钢[C]、[O]和温度、真空循环时间、冶炼渣成分等因素对钢液中夹杂物数量、粒径分布的影响。对RH精炼过程中工艺参数进行了优化。

关键词：超低碳钢，RH-MFB，夹杂物

RH作为目前生产超纯净钢和超低碳钢等高附加值钢材的主要精炼手段，其工艺参数的设定对钢材中非金属夹杂物数量、尺寸及形貌分布有着重大的影响。通过控制转炉终点钢水碳氧含量、温度、RH脱碳结束后氧含量、合金化后循环时间及RH渣系氧化性等对提高成品质量性能有着具有重要的现实意义。本文将以210转炉厂刚投产生产超低碳钢为例，分析RH-MFB生产过程中工艺参数的控制对钢水中夹杂物的影响。

1．成分设计及工艺路线：

1.1 成分设计及冶炼路线

超低碳钢(典型钢种成分见表1)，又称深冲压级冷轧钢板。它具有成形性好，无时效，无屈服平台等特点，对钢液要求碳和气体含量低，夹杂物含量少，成分均匀稳定，主要用于轿车车门和车顶面板。

表1  IF钢的目标成分/%

Table 1 The goal composition of IF steel

C	Si	Mn	P	S	Als（ppm）
≤0.0030	≤0.015	0.06-0.18	≤0.012	≤0.010	300-450

该厂在冶炼该钢生产工艺流程为：KR-BOF-RH-CC。高炉铁水先经过铁水预处理进行KR脱硫处理，使其硫含量达到转炉要求。然后经转炉吹炼，使钢液具备合适的终点碳、氧含量以及低磷、低硫含量和RH真空处理所需要的温度，转炉出钢过程中加适量渣料。然后在RH进行脱碳、去夹杂及调整钢水成分、温度等。合格的钢水进行常规板坯连铸。

1.2 RH-MFB工艺设备

该厂RH-MFB真空处理装置于2009年11月投入试生产，至今已处理钢水十万余吨，其主要技术参数见表2。

表2  RH-MFB真空处理主要参数

Table 2 The main parameters of vacuum processing in RH-MFB

项目	参数
公称容量/t	210
布置型式	单工位
日平均处理炉数/炉	24
真空泵抽气能力/(kg•h-1)	≥1000
真空泵工作真空度/Pa	67
真空室内径/mm	2300
插入管内径/mm	680
氩气流量/(Nm3•h-1)	Max270
循环流量/(t•min-1)	208
氧气流量/(Nm3•h-1)	2400

该厂在RH-MFB处理过程中，主要的技术操作有RH处理前的辅助作业(钢包车开至处理工位、处理前测温取样、加顶渣改质剂等)、纯处理时间(抽真空、吹氧脱碳、测温取样、定氧、终脱氧、合金化、温度调整、成分均匀、真空室复压等)、RH处理后的辅助作业(最终测温取样、加保温剂等)。

2  试样检测分析

在RH-MFB精炼处理IF钢的过程中，分别在转炉出钢、氩站、RH精炼过程和中间包内取样。其中，在RH精炼过程中分别取进RH站、循环3～5min、脱碳结束后、加Al合金化后0～15min和出RH站样，并且记录相关生产数据，进行全程跟踪。

2.1  显微夹杂物形貌及类型

通过对试样进行金相制样，利用扫描电镜及能谱分析仪进行分析，发现其显微夹杂绝大部分为Al2O3，其中，在精炼0~3min时发现有少量的钙铝酸盐类夹杂物和Al2O3+MnO的复合夹杂，详见表3。

表3  显微夹杂组成在不同处理阶段的变化

Table 3 The microscopic inclusions changes in different stage of processing

处理阶段	显微夹杂组成
精炼0~3min	基体为Al2O3的夹杂物，包括簇状、球状，占95%以上；钙铝酸盐和Al2O3+MnO的复合夹杂，较少，约占5%
精炼10~15min	绝大部分为Al2O3类夹杂物
精炼20~25min	几乎全为块状Al2O3，以四边形为主
出RH	基体为Al2O3的夹杂物，以块状、球状为主
中间包	夹杂物的总体数量较少，以Al2O3夹杂为主

 

 

结合表3及图1可知，Al2O3夹杂贯穿于整个工艺过程，是钢液中夹杂物的主体部分，这些夹杂或呈簇状，或呈球状，以球状存在的Al2O3夹杂以弥散相存在于钢中。此外，还发现有少量的铝酸钙及硅铝酸钙的夹杂物，所占比率不到统计数量的5%。在进站样中发现含Al2O3较多的夹杂物主要是由于在RH处理前往渣面上加入Al渣球对顶渣进行改质，之后随浸渍管的插入，顶渣被带入钢液所致。在中间包中，钢中夹杂仍以Al2O3为主，但总体数量较少，表明随着工艺过程的深入进行，钢中的显微夹杂物能够有效地被去除[1-3]。

2.2 显微夹杂物变化情况

对RH精炼过程中钢液中显微夹杂物的粒径分布进行检测分析，检测结果如下图2。

从图2可以看出，随着RH精炼过程的深入进行，钢中夹杂物数量基本呈现先增后降的趋势。进站时，钢中夹杂物数量波动较大，平均为11.6个/mm2。从合金化与精炼结束时钢中夹杂物的结果对比来看，规律不一，有的降低，有的则不降反升，这主要与RH的净循环时间、顶渣氧化性有较大的关系，夹杂物数量平均为15.94个/mm2。精炼结束至浇铸过程中，夹杂物借助自身的浮力开始不断的上浮至渣层中，因此，中包钢液内的夹杂物数量是呈下降趋势。

2.3  炉渣情况

对所取渣样进行成分检测，检测结果如表4所示。另外对部分渣样的熔点进行了检测。

表4  RH精炼过程中渣成分平均变化情况，%

Table 4 the average changes of slag composition in RH refining

工序	CaO	SiO2	Al2O3	FeO	MnO
RH进站	47.93	6.01	11.52	18.51	3.82
RH脱碳结束	49.62	4.98	19.38	10.37	3.31
RH合金化0~8min	48.65	4.64	23.66	10.02	3.30
RH出站	50.63	4.39	24.34	9.72	3.05

从表4中可以看出，RH进站时，顶渣氧化性较强，这主要与炉前拉碳、下渣量偏大等有关。从二元碱度来看，顶渣碱度基本在8以上，渣系熔点均在1400℃以下。其中部分炉次下渣量偏多，炉渣碱度低，C/A比值高达6.31，其顶渣熔点也高达1415℃，因而该类炉次在RH处理过程中渣较稠，吸附Al2O3夹杂的能力降低。从RH进站至出站的（FeO）变化趋势来看，整体呈下降趋势，由脱碳结束时的10.37%降为9.72%，说明渣中氧在精炼过程中源源不断向钢中传递，使合金的收得率降低，增加了钢中二次夹杂物的生成量。

2.4  大样电解结果

由于RH处理过程中钢水循环搅拌比较充分，对大型夹杂物的去除效果好。因此，试验中仅取RH后循环过程中及出站时的钢样进行大样电解。钢中夹杂物的数量如表5所示。

表5  SPHE钢中夹杂物的数量情况

Table 5 the inclusion quantity of SPHE steel

炉次	工序	夹杂物总量，mg/10kg	大型夹杂物数量（>50μm）mg/10kg
1	合金化后3min	33.43	14.97
	合金化后6min	21.56	5.95
	铸坯	8.68	0.96
2	合金化后3min	31.86	14.43
	合金后6min	20.74	5.58
3	合金化后3min	27.17	11.25
	合金化后6min	17.83	5.25
	合金化后9min	16.55	4.60
	铸坯	8.56	1.32

从表5中可以看出，合金化后，随着钢液的循环流动，大型夹杂物数量也呈现下降趋势。且钢中存在的夹杂物主要在50μm以下。浇铸过程中，夹杂物在中包内的上浮去除，最终铸坯内大型夹杂物数量进一步降低。

对电解出来的大型夹杂进行扫描电镜与能谱分析，其形貌见图3。

从图3中可以看出，合金化后3min，钢液中存在的大型夹杂物主要是Al2O3类夹杂物，另有少量的SiO2类夹杂物，这类夹杂物主要源于顶渣被卷入。合金化6~9min时，钢中Al2O3夹杂物呈现球团及块状，另有少量的钙铝酸盐类夹杂物。铸坯中夹杂物除Al2O3类夹杂物外，另发现有SiO2类及含K等硅钙酸盐类夹杂物。

3  RH工艺参数对钢液中夹杂物的影响

3.1  转炉出钢时[O]、[C]及温度的控制

通过统计转炉出钢时副枪测定氧含量与碳含量的值及出站温度，分析转炉冶炼终点时C-O关系如图4；统计RH进站时碳氧含量与温度的数据，分析其关系如图5。

  

        从图4中可以看出，当碳含量小于0.035%时，钢中氧含量急剧增加。一方面，增加了脱碳结束后铝丸的消耗及Al2O3夹杂物的生成量；另一方面，RH在处理这种严重过氧化时，容易出现渣冒的现象，不但增加了处理难度，还有可能会烧坏氩管。碳含量大于0.05%时，脱碳所需要的氧含量偏低，因而增加了MFB枪吹氧的可能性，这对于降低钢中夹杂物含量也是不利的。因此，将转炉出钢碳含量控制在0.035~0.05%，氧含量控制在500~700ppm，尽量减少因拉P、拉碳等补吹炉次，保证转炉良好的底吹效果等，有利于提高后续RH工艺操作的稳定性。

从图5中可以看出，随着RH进站碳含量的增加，其进站温度越低；随着RH进站氧含量的增加，其进站温度越高。这是因为在转炉出站时钢水过氧化越严重，则钢水温度越高，在RH进站时氧含量也越高，否则反之。在图5中两条趋势线在当碳含量大约为0.04%，氧含量为450ppm时有个交集，此处温度约为1620℃。当进站温度越大于1620℃，则钢水氧含量越高、碳含量越低，钢水过氧化越严重；当进站温度越小于1620℃，则钢水碳含量越高、氧含量越低，钢水在精炼过程中需要吹越多的氧进行脱碳和升温，对后期钢水中夹杂物控制不利。因此RH进站温度控制在1620℃左右，有利于后续RH工艺中夹杂物的控制。

3.2  脱碳结束后钢水中氧含量及后循环时间的影响

3.2.1  净循环时间对炉渣氧化性的影响

通过分析RH合金化后净循环时间与渣样中∑（FeO+MnO）含量，其结果如表6。

表6  净循环时间对炉渣氧化性的影响

Table 6 The influence of net cycle time on slag oxidizing 

炉次 工序		1	2	3	4	5	6
脱碳结束后氧量，ppm		382	530	522	488	489	300
TFe变 化 情况 ， %	进站	14.37	19.25	21.91	8.2	7.8	14.6
	脱碳结束	7.09	12.52	11.51	7.2	8.8	8.6
	合金化0min	6.95	/	10.03	/	/	/
	合金化3min	8.61	13.31	9.45	5.8	8.4	7.6
	合金化6min	/	11.53	9.52	5.6	8.3	7
	合金化9min	/	10.93	9.81	6.8	7.5	7.2
	合金化12min	7.9	/	9.49	/	6.7	6.9

从表6中可以看出，渣中TFe含量在进站后有较大幅度的降低，这是因为在进站后加入了顶渣改质剂，降低了炉渣的氧化性。但仍有少数炉次如4、5因顶渣结壳、加完改质剂后所取渣样的代表性等原因，导致渣中TFe含量下降并不明显或不降反升。

由于真空处理过程避开了顶渣，顶渣相对处于一种静止的状态，但渣钢界面间的传氧反应仍是在时刻不断的进行。渣中TFe含量越高，其氧活度越高，更容易在净循环阶段与钢液的Al元素发生二次氧化反应。此点也可从上表中看出此点规律。渣中TFe含量在10%以上的炉次，随着合金化后循环过程的深入进行，渣中TFe含量下降较为明显。

3.2.2  净循环时间对炉渣(Al2O3)含量的影响

通过分析RH合金化后净循环时间与渣样中（Al2O3）含量，其结果如表7。

表7  脱氧合金化后，渣中(Al2O3)含量变化情况，%

Table 7 The Al2O3 change in slag after the deoxidizing alloying, %

炉次 工序	1	2	3	4	5	6
进站	15.5	7.65	11.4	16.19	18.02	26.64
脱碳结束	24.19	14.45	19.51	24.88	23.28	23.68
合金化0min	27.86	/	22	/	/	/
合金化3min	23.32	15.5	24.52	27.22	25.82	27.65
合金化6min	/	21.75	28.33	29.47	24.59	27.33
合金化9min	/	21.91	27.71	30.11	24.44	26.83
合金化12min	25.25	/	27.75	/	26.39	25.71

加铝脱氧合金化及渣钢间发生的二次氧化反应后生成大量细小的Al2O3夹杂物，脱碳结束后氧含量越高，渣中(FeO)含量越高，生成的Al2O3夹杂物量也就随之增多。这些细小的Al2O3夹杂物在钢液循环、搅拌的作用下，经历着碰撞、聚集、长大等过程，最终借助搅拌力及自身的浮力慢慢地上浮至顶渣层中。结合现场取到的净循环过程中渣样结果分析来看，顶渣中(Al2O3)含量也基本呈现上升趋势，在6~10min左右时，顶渣中(Al2O3)含量基本达到饱和值。之后，随着净循环时间的延长，顶渣中(Al2O3)含量仍有增加的趋势，但效果并不明显。因此，一方面控制好脱碳结束后的氧含量，基本在300~400ppm。另一方面，净循环时间基本控制在6~10min左右，循环效果差的炉次，可延长至12min。

3.2.3  炉渣(Al2O3)含量对夹杂物的影响

顶渣中TFe含量越高，其钢液中因渣钢二次氧化的量增多。此外，渣中C/A比值对提高顶渣吸附夹杂的能力也十分重要。

表8  脱氧合金化后炉渣氧化性对夹杂物的影响

Table 8 The influence of slag oxidizing on inclusions after the deoxidizing alloying

炉次	脱碳结束后氧含量，ppm	脱碳结束后炉渣氧化性，%	合金化3min后夹杂物量，mg/10kg
1	522	15.38	33.43
2	489	12.6	31.86
3	488	10	27.17

表9  脱氧合金化后炉渣(Al2O3)含量对夹杂物去除的影响

Table 9  The influence of slag Al2O3 on inclusion removal after deoxidizing alloying

3min内钢中夹杂物总量降低量，个/mm2	炉渣中Al2O3含量，%
11.87	24.52
11.12	25.82
9.34	27.22
1.28	29.47

从上表中可以看出，脱碳结束后钢中氧含量越大、炉渣氧化性越强则钢中夹杂物总量越高，对后期夹杂物的控制越不利，因此应该尽量控制脱碳结束后钢中氧含量，根据武钢等钢厂经验该值应控制在300~400ppm之间为佳；根据表9可以看出，炉渣中Al2O3含量越高，则夹杂物的去除越难，这是因为炉渣中Al2O3钢中的扩散与钢中Al2O3的上浮析出存在着平衡关系，当渣中Al2O3含量过高，则不利于钢中Al2O3夹杂物的去除。目前，在RH进站时均通过添加顶渣改质剂来降低渣中氧化性，这个过程中使得炉渣Al2O3含量平均上升约7%，不利于后循环时钢中夹杂物的去除。因此，建议将顶渣改质剂的加入时间改为破真空后加入，这样可以降低炉渣氧化性，这样有利于防止RH出站后炉渣对钢液的二次氧化。

3.3  夹杂物对塞棒的影响

通过跟踪记录2个正常浇次中塞棒情况，整理如下表10。

表10  试验炉次塞棒上涨情况及中包内夹杂物统计情况

Table 10 The statistics of stopper rising and inclusion in tundish in test furnace

炉号	塞棒上涨情况（平均值），mm	夹杂物小于10μm的所占比例，%	显微夹杂物个数，个/mm2
1	——	80.55	11.92
2	2.5	85.84	18.76
3	2.5	82.11	17.16
4	基准	93
5
	13	90	18.99
6	10	92.24	11.77
7	1	81.6	14.5

从表10中分析得出，中包内的夹杂物主要以小于10μm的显微夹杂物为主，所占比例基本都在80%以上。从塞棒的上涨情况来看，其中上涨幅度较大的炉次，其小于10μm的显微夹杂物所占比例相对较高。但从对应的金相样的显微夹杂物数量来看，并无一一对应的关系。也就是说，前后炉次塞棒的上涨幅度与中包内显微夹杂物个数并不完全成正比，这与中包内的流场、前一炉次已上涨的幅度有较大的关系[4]。

4  小结

本文通过对涟钢IF钢进行取样，分别对精炼处理过程中氧氮含量、显微夹杂物、大型夹杂物及炉渣变化情况进行检测分析，得出以下结论：

（1）通过对小钢样进行金相制样，利用扫描电镜及能谱分析仪进行分析，发现其显微夹杂绝大部分为Al2O3，其中，在精炼0~3min时发现有少量的钙铝酸盐类夹杂物和Al2O3+MnO的复合夹杂。合金化后3min，钢液中存在的大型夹杂物主要是Al2O3类夹杂物，另有少量的SiO2类夹杂物，合金化6~9min时，钢中Al2O3夹杂物呈现球团及块状，另有少量的钙铝酸盐类夹杂物。铸坯中夹杂物除Al2O3类夹杂物外，另发现有SiO2类及含K等硅钙酸盐类夹杂物。

（2）转炉出钢碳含量控制在0.035~0.05%，氧含量控制在500~700ppm，有利于提高后续RH工艺操作的稳定性；RH进站温度控制在1620℃左右，转炉出钢时温度应控制在1680℃左右，有利于后续RH工艺中夹杂物的控制。

（3）脱碳结束后的氧含量应控制在300~400ppm，净循环时间控制在6~10min左右，循环效果差的炉次，可延长至12min。

 

参考文献：

[1] 叶仲超, 王石扬, 汪晓川. IF 钢中的夹杂物[J]. 金属学报,1999,35（10）: 1057-1061.

[2] 李克厚. 水岛钢厂优质IF 钢的大规模生产[J]. 钢铁研究,1998,18（2）: 62-63.

[3] 朱国森, 丁会香, 王万军, 等. IF 钢冷轧板表面缺陷研究[J].钢铁, 2004,39（4）: 54-56.

[4] 崔学正译. 连铸用浸入式水口内壁氧化铝的附着机理及防止方法[J]. 国外耐火材料，1995，20：1-2.