点此下载——冷轧超深冲钢种系统控氧工艺研究与实践

摘要：针对冷轧超深冲钢种的生产，最受关注的是由于钢水不洁净使连铸浇注过程中易于发生水口堵塞现象和冷轧板表面产生线状缺陷。通过对转炉冶炼终点碳、氧控制，保证RH精炼前钢水中碳含量在0．03％～0．05％之间，溶解氧含量在0．04％～0．07％之间，在RH开发强制脱碳、ATB工艺和硅预脱氧工艺，减少了RH脱碳结束后钢水中溶解氧量，降低了铝脱氧生成Al₂O₃夹杂物的数量，提高了钢水的洁净度，有利于降低浇注过程中水口堵塞发生的机率和提高冷轧板卷的表面质量。

关键词：脱氧；Al₂O₃夹杂物；水口堵塞

1  前言

鞍钢2150ASP生产线采用LD—RH—CC工艺路线生产冷轧超深冲钢种，为了满足钢中碳含量小于0．002％的要求，在实际生产过程中转炉冶炼终点碳控制在0．02％～0．04％之间，钢中氧含量控制在0．05％～0．09％之间，在RH―TB精炼过程中，采用自然脱碳的方式将钢中的碳含量降到0．002％以下，脱碳结束后钢中氧含量在0．03％～0．06％之间，需要使用大量的铝合金进行脱氧，增加合金成本的同时其脱氧产物Al₂O₃如果不能及时从钢水中排除，还恶化了钢水的洁净度^[1][2]。另外转炉冶炼终点钢水氧含量过高将导致炉渣中FeO含量较高，增加了转炉和钢水罐耐材的侵蚀，在钢水罐盛钢期间钢水存在二次氧化现象，在后续的连铸浇注过程中加重了水口堵塞的程度^[3][4][5][6]，在冷轧板卷表面增加了线状(Sliver)缺陷的机率^[7][8][9]。针对此现状，结合2150生产线的现行生产工艺，优化冷轧超深冲钢种脱氧工艺，从转炉冶炼开始，制定了一系列的精确控制钢水中氧含量的措施。

2钢水中溶解氧对脱碳的影响

针对生产复杂冲压件和汽车用外覆钢板，为了满足其深冲性能和无时效性能的要求，要将钢中的碳、氮等间隙原子降到最小值，为保证钢种成品碳含量符合要求，在传统操作中，转炉采用高氧低碳的控制模式。在RH精炼处理过程中，如果钢中的氧量较高(C≤0．02％)，则碳的扩散为脱碳的限制环节，其钢水的脱碳速率不受钢中氧量限制，与钢中碳量成比例；反之氧的扩散为限制环节。如果假定在真空室内P_CO=0则碳氧反应的限制环节由钢水中的碳浓度与氧浓度的比值来定(C_L／O_L)^[10]，因此在钢水中的溶解氧值过高而碳含量较低的情况下，过多的氧对脱碳效率的影响将降低。采用Mintab统计分析软件针对成品碳含量和RH处理前钢水中溶解的氧含量进行回归分析(RH脱碳时间为12min―15min)，分析成品碳含量与钢水氧含量的关系如下图1所示：

从上图1可以看出，RH处理前，钢中溶解氧含量在0．04％～0．09％之间，对成品碳含量的范围影响不大，溶解氧对成品碳的贡献度R—Sq(调整)仅2．2％，说明在现有的RH脱碳时期内，受碳传质限制环节的影响，RH处理前钢水中的溶解氧量与成品碳含量相关性并不强。

针对超深冲钢种生产，目前采用高氧低碳的操作模式弊大于利，在保证RH正常脱碳期间内(一般12min～15min)采用高碳低氧模式可以满足钢种需求。钢水中溶解的氧含量与成品中碳含量的变化相关性不强，这对优化超深冲用钢的控氧工艺带来契机。

3  系统控氧工艺优化

3．1 RH―TB精炼处理有效氧的范围

为了降低冷轧超深冲钢种成品碳含量，利用真空处理过程中钢水表面分解压的降低，促进在常压下已经平衡的碳和氧继续发生发应，产生CO和CO₂气体，从而降低钢水中的碳含量，保障RH精炼脱碳结束后钢水中的碳含量稳定达到0．0020％以下。从废气分析仪中得出RH脱气过程中废气中含有CO量是CO₂量的5倍左右。

按原有的碳氧控制模式，钢水中平均碳含量0．03％计算，转炉冶炼终点碳氧积0．0025，则钢水含氧量约0．0833％，碳氧反应需耗氧量0．0375％，考虑碳氧充分反应所需过剩氧量0．015％左右，则在RH脱碳结束后多余残氧量达到0．0308％。这部分多余的残氧量对脱碳贡献不大，在脱碳结束后要采用合金将其脱除，其产生的脱氧产物不利于钢水的净化。

当钢水中的碳和氧含量均较高时，在真空脱碳过程初期碳氧反应强烈，易产生钢水喷溅，影响设备的安全。RH-TB精炼处理前钢水中的碳和氧含量控制及其影响分布如下图2所示：对于冷轧超深冲钢种，RH脱碳处理前碳含量控制在0．03％～0．05％，溶解氧控制在0．04％～0．07％，进入碳氧协调区间，在保障脱碳效率的同时有利于钢水洁净度的提高。

3．2转炉冶炼终点碳和氧的精确控制

传统转炉操作工艺，在冶炼终点，受钢水成份和温度的影响，钢水中溶解氧含量变化范围较大，从转炉出钢到钢水进入RH的过程中，钢中氧含量降低约0．015％左右，钢水中碳含量略有降低，但降低的幅度不明显。RH处理前钢水碳．氧控制情况如上图2所示，当钢水中的碳含量在0．02％~0．05％之间时，钢水中的氧含量大部分超过了0．07％，钢水中的溶解氧含量存在过剩，需要对过剩的溶解氧进行控制。

3．2．1  转炉出钢过程采用碳预脱氧工艺

为了合理控制钢水中的碳和氧含量，保障RH处理过程碳氧平衡和提高RH处理后钢水的洁净度，在转炉生产过程中开发了碳预脱氧工艺。在冶炼终点测定钢水中的溶解氧量，针对钢水中碳含量较低而氧含量过高的情况，采取在出钢过程向钢水罐内加入焦碳进行预脱氧处理(依钢水中的溶解氧量分别加入70kg、90kg、110kg)控制钢水中的氧量，保证RH进站钢中氧量低于700ppm。在碳预脱氧实验过程中，焦碳脱氧效率为5．32ppm／kg焦碳，脱氧效果较好，当焦碳加入量超过90kg时，出现钢水增碳的趋势。另外值得注意的是在加入焦碳过程中，由于碳氧反应剧烈，存在一定程度的罐内烟尘较大和炉渣发泡的情况，因此要控制好加入焦碳的时机和数量。

在钢水进入RH之前使用碳作为预脱氧元素脱除钢中多余的氧量，不仅充分利用碳氧反应产生的CO气体的搅拌净化了钢液和节约了成本，提高了钢水的温度和洁净度，同时有利于稳定RH精炼操作和实施ATB技术。

3．2．2转炉出钢过程合金脱氧工艺

为了精确控制钢水中的含氧量，在用焦碳进行预脱氧的基础上，还可以进行出钢过程合金化脱氧操作和氩站喂铝线脱氧操作，达到精确调整钢水和炉渣氧化性的目的，同时生成的脱氧产生在进RH处理前能够有效从钢水中充分上浮排除。

3．3 RH―TB处理过程碳和氧的精确控制

3．3．1强制脱碳工艺

针对钢水碳含量偏高而溶解氧含量偏低的情况，在RH-TB精炼过程开发了强制脱碳工艺，该技术通过向RH熔池内吹入氧气，增加钢水中溶解氧的含量，提高了转炉出钢过程中的碳含量，充分利用碳和氧的双重传质作用，在不延长RH处理时间的前提下，提高了RH处理的脱碳效率和真空室温度。

3．3．2  ATB工艺

该技术通过向RH熔池表面吹入氧气，使碳氧反应产生的CO气体二次燃烧生产CO₂气体，提高了转炉出钢过程碳含量，使RH处理前钢水中的碳含量可以控制在0．04~0．06％之间。同时RH处理过程中钢水平均温降小于0．35℃／min，可使转炉出钢温度降低了约10℃，RH处理时间平均30min左右。RH采用ATB技术，与转炉碳预脱氧相结合，改变了传统的为了减少RH脱碳时间和保证极低的碳含量，转炉冶炼终点钢中的碳量越低越好的操作，降低了钢中多余的氧量和炉渣的氧化性，提高了钢水的洁净度。

3．3．3硅预脱氧工艺

在RH脱碳结束后，存在真空室冷钢增氧或钢水升温等操作直接导致钢水中残氧量超标的现象，针对脱碳后钢水残氧含量偏高的事件，采用硅预脱氧操作，先向钢中加入一定量的低碳硅铁进行预脱氧，再向钢水中加入少量铝粒来进行终脱氧和合金化，通过减少脱氧铝用量从而减少脱氧产物Al₂O₃夹杂的数量而提高钢水的洁净度，低碳硅铁加入量与其脱氧量的关系如下图3所示：

随预脱氧低碳硅铁加入量的增加，钢水中硅含量呈现出增加的趋势，同时参于脱氧反应的硅铁比率呈现下降的趋势。钢水增硅的主要原因是在加入硅铁过程中，加入的硅铁除与氧直接反应外，还要有一部分直接溶入钢水，造成钢水增硅，另外氧化生成的SiO₂又有可能再次被后期加入的终脱氧和合金化的铝所还原造成钢液增硅。如图4、图5所示，因此针对低硅钢种，考虑镀锌的需要，其钢材成品[Si]一般控制在0．05％以下。采用硅脱氧进行控制钢水中的残氧量时，硅铁的加入量最好不要超过150kg，防止钢水增硅或加铝合金化后出现回硅现象。

4  系统控氧工艺优化的影响

4．1  系统控氧工艺优化后对水口堵塞的影响

RH―TB精炼采用常规高氧低碳的传统方式处理钢水，在中薄板坯铸机浇注过程中单支浸入式水口的使用寿命平均为浇注2．3罐，而对RH碳氧工艺控制优化后，单支浸入式水口的使用寿命达到3．1罐，相当于每支水口的寿命提高约30分钟，浸入式水口堵塞现象有所减轻，达到在一个浇次生产过程中更换一次水口的目的，节约了耐材成本和提高了铸坯的内在质量。

4．2  系统控氧工艺优化后对铸坯内T[O]的影响

为了考察工艺改进前后钢水洁净度的变化，对采用不同控氧工艺的铸坯取样进行全氧分析，在厚度上取样部位在铸坯宽度1／4处，分别在铸坯的上表面，上表面到铸坯中心1／4处，铸坯中心处，铸坯中心到下表面1／4处和下表面；在铸坯的宽度上分别在铸坯中间，铸坯中间距两边部1／4处。铸坯中全氧含量变化对比如下图6所示，其全氧含量由常规工艺的平均0．0022％下降到0．0017％，说明针对RH处理过程进行碳一氧控制工艺后，铸坯的洁净度有了较大的改善，有利于降低冷轧板表面夹杂缺陷发生的机率。

5  结论

(1)RH―TB脱碳时间在12min—15min之间，钢水中的氧含量在0．04％―0．07％之间已经满足脱碳的需要，脱碳终点钢水中的碳含量可以稳定地控制在0．002％以下，钢水中多余的溶解氧对脱碳反应没有实质意义，采取常规低碳高氧的控制模式弊大于利。

(2)为了保证RH精炼的效果，在RH处理前对钢水中的碳-氧进行调整是必要的，采用转炉出钢过程碳预脱氧工艺，对于稳定钢水中的碳．氧含量和提高钢水的洁净度效果显著，但其控制碳-氧的精度较低，可以配合铝合金脱氧，精确控制钢水中的碳-氧含量。

(3)RH采用强制脱碳技术和ATB技术与转炉出钢过程碳预脱氧工艺相匹配，可以稳定RH操作工艺。

(4)RH采用硅预脱氧工艺，降低合金铝的消耗，有利于减少脱氧产物Al₂O₃的生成量，提高钢水的洁净度。

(5)优化冷轧深冲钢种系统控制钢水中的碳-氧工艺，有利于减少铸机浇注过程中的水口堵塞的机率，提高钢水的洁净度，从而提高产品的内部质量。

参考文献

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