硅钢RH处理过程碳和硫行为研究分析

闫志伟，张霞，侯东涛，李振，陈泽民，杨吉林

(太原钢铁(集团)有限公司第二炼钢厂，山西太原030003)

摘 要：分析了太原钢铁(集团)有限公司第二炼钢厂80tRH生产冷轧硅钢脱碳、脱硫原理及影响因素，认为通过合理控制RH到站钢水碳和氧含量、加大插入管内径、采用快速抽真空度等可提高脱碳效果。降低顶渣中FeO和MnO含量，保证脱硫剂加入后的循环时间可以提高RH脱硫率。

关 键 词：RH；脱碳；脱硫

RH具有精炼功能完备、效率高、效果好和适于大量处理等优点，越来越成为钢液二次精炼的主要设备。太原钢铁(集团)有限公司(以下简称太钢)第二炼钢厂南区80tRH主要生产纯铁、无取向硅钢及部分轻处理钢种。从目前的生产情况来看，硅钢在RH处理过程中能够达到的最低碳、硫含量与武钢、宝钢等企业差距较大。通过改进RH过程参数控制，太钢硅钢碳、硫控制水平得到一定提高。

1 碳和硫对硅钢电磁性能的影响

硅钢主要用于制造各种电机、变压器和镇流器的铁芯。碳在硅钢中是一种有害的元素，以间隙固溶体状态存在，使晶格产生畸变，内应力增加，导致磁导率降低，磁滞损耗增加。硫也是硅钢中有害元素之一，硫原子间隙在体心立方晶格中引起晶格歪扭，增大内应力，使矫顽力和磁滞损耗增加，铁损提高，磁感应强度降低[1]。

2 RH真空脱碳过程控制

RH脱碳效果的影响因素较多，如抽真空速度、初始碳和氧浓度、脱碳时间等。决定真空脱碳速度的主要参数之一是体积传质系数ak，与真空室截面(Av)、钢水循环量(Q)及钢水碳含量(Cv)成正比：ak∝Av0．32·Q1．17·Cv1．48。RH脱碳反应主要在以下3处：1)真空槽内钢液表面；2)氩气泡—钢液界面；3)真空槽内钢液本体。钢液中碳的传质速度、钢液—气相界面化学反应速度、气相内传质速度见式(1)～式(3)[2]。

1)钢液中碳的传质速度

﹣d[％C]／dt=kLρAW([％C]－[％C]i)      (1)

2)钢液—气相界面化学反应速度

﹣d[％C]／dt=100Mc·kC·(A／W)·R·T([％C]i[％O]iK－pCO)      (2)

3)气相内传质速度

﹣d[％C]／dt=kG(100MC／W)A(RT)-1(pCOi－pCO)      (3)

式(1)～式(3)中，A为钢水—气相界面面积，m2；[％C]为钢水中碳含量；[％C]i为钢水—气相界面处的碳含量；kL为钢水中碳的传质系数，m／min；kC为界面化学反应速度常数，m／min；kG为气相内物质移动系数，m／min；K为界面反应(C+O=CO)平衡常数；MC为碳原子的摩尔质量，g／mol；R为钢水—气相界面CO分压，Pa；R为气体常数，J／(mol·K)；T为钢水温度，℃；W为钢水质量，kg；ρ为钢水密度，kg／m3。

环流量计算公式较多，采用Kuwabara[3]公式计算：

Q=11．4G1／3·D4／3·(lnp1／p2)1／3    (4)

式(4)中，Q为环流量，t／min；G为吹氩流量，m3／min；D为浸渍管直径，cm；p1为大气压力，Pa；p2为真空室压力，Pa。

2．1 钢水初始碳、氧含量

钢水的初始碳、氧含量，对RH脱碳效果影响较大。当钢中氧含量低于该临界氧含量时，脱碳速率较低，终点碳含量较高。当氧含量高于临界氧含量时，氧含量对脱碳速率几乎没有影响，但RH脱碳终点钢水的氧含量将升高，将需要更多的铝脱氧，产生的链状、串状的Al2O3会影响硅钢的电磁性能。

2．1．1 钢水初始碳含量对脱碳的影响

图1为RH脱碳终点钢水碳含量与到站碳含量的关系。可以看出，初始碳含量越低，RH脱碳终点钢水碳含量呈下降趋势。

2．1．2 钢水初始氧含量对脱碳的影响

图2为RH脱碳终点钢水碳含量与到站氧含量的对应关系。可以看出，初始氧含量越高，脱碳效果越好：但初始ω(O)>600×10-6时，对终点碳含量影响不大。考虑到转炉的吹损，转炉出钢ω(C)控制在0．03％～0．04％，ω(O)控制在(500～600)×10-6。当到站钢水碳含量高、氧含量低时，需要通过前期吹氧提高钢水中氧含量，即采取高流量氧气进行补氧硬脱碳。

2．2 脱碳时间

RH脱碳终点碳含量Ct见式(5)[2]：

Ct=C0·exp(﹣kC·t)    (5)

KC=1／{W[Q-1+(akCρ)-1])    (6)

式(6)中，akCρ为脱碳容积系数，m3／min。从式(5)可以看出随着脱碳时间的延长，钢水中碳含量越低。

根据分析该厂RH过程脱碳数据，该厂的脱碳速率常数平均为0．28min-1，在初始阶段，其脱碳速率常数较大，为0．60min。图3为RH脱碳过程中表观脱碳系数随脱碳时间的变化。

RH脱碳时间一般控制在18～22min，但在到站钢水碳含量偏高、温度偏低或脱碳过程出现故障影响前期脱碳的情况下，脱碳时间应适当延长。由图3可以看出碳氧反应剧烈主要集中在脱碳前4min，因此如果到站钢水温度低，需要补铝吹氧升温，应避开脱碳前期加铝。图4为钢水中碳含量与脱碳时间的对应关系。

2．3 真空厦

RH真空度的高低决定了脱碳的速度[4]。快速提高真空度可以提高钢水环流量，有利于脱碳反应的进行。但快速抽真空度会加剧真空室内的喷溅，易造成冷钢结瘤，因此应该合理控制抽真空速度。图5为该厂RH冶炼硅钢时抽真空曲线。

2．4 插入管内径和提升气体流量

由式(4)可以看出插入管内径越大，提升气体流量越大越有利于钢水的循环，越有利于钢水的脱碳及合金的均匀化。表1为国内外部分厂家提升气体参数。

改进真空脱碳效果的措施：1)提高到站钢水温度(≥1600℃)，提高抽真空速度；2)尽可能加大插入管直径，加大驱动气体流量，增大钢水循环量；3)提高到站钢水ω(C)=0．03％～0．04％、ω(O)=(500～600)×10-6比例，保证极限真空度下的脱碳时间[2]。

3 RH真空脱硫过程控制

影响硅钢脱硫的主要因素有：碱度、流动性、炉渣成分、脱硫剂循环时间等[5]。

脱硫反应式：

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]    (7)

硅钢RH脱硫时每加1．5kg／t脱硫剂需补加铝0．25kg／t，主要是因为发生了下列反应。

3(CaO)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+Al2O3      (8)

3．1 (FeO+MnO)对脱硫的影响

为提高脱硫率，必须降低渣中FeO和MnO含量。大量的高氧化性炉渣的存在为钢液提供了源源不断的氧，影响了脱硫效果，也给硅、铝等合金成分控制带来困难，因此应该把炉渣训(FeO+MnO)调整到10％以下。图6为脱硫率与顶渣中(FeO+MnO)关系。

由图6可以看出，随着顶渣中(FeO十MnO)含量的增加，脱硫率降低。在生产超低碳钢时需要对顶渣进行改性处理以减少钢中夹杂物。改质剂主要有：Al+CaO、Al+CaO+CaF2、Al+CaCO3、Al+CaO、Al2O3等。其中，石灰石和铝应用居多，改质剂的优点是石灰石的分解反应使炉渣沸腾利于Al和FeO反应。

3．2 碱度对脱硫的影响

随着炉渣碱度的提高，渣中的游离CaO增加，炉渣脱硫能力增大。图7为脱硫率与二元碱度的对应关系。可见，随着碱度的增加，脱硫率上升。增加石灰的加入量同时，需要配加部分萤石改善炉渣的流动性。考虑到炉渣的流动性及插入管寿命，该厂硅钢碱度控制在3．0～4．0。

3．3 曼内斯曼指数对脱硫的影响

当顶渣中ω(Al2O3)<30％时，增加渣中Al2O3含量，可降低渣的熔点提高渣的流动性。曼内斯曼指数MI(MI=(％CaO)／[(％Al2O3)·(％SiO2)])表征炉渣的流动性，相关资料表明较高硫容量的渣组成集中在ω(SiO2)=15％，ω(Al2O3)=25％～40％，MI=0．2～0．4时脱硫率最高。该厂硅钢MI主要集中在0．1～0．2，ω(Al2O3)=20％～30％，ω(SiO2)≈10％，而ω(CaO)=30％～40％。图8为曼内斯曼指数对LS影响，图9为曼内斯曼指数对脱硫率的影响。理论上随着曼内斯曼指数的增大，LS及脱硫率增大，由图8和图9可以看出，该厂硫分配系数LS及脱硫率较高炉次MI主要集中在0．15左右，原因可能是石灰萤石配比不合理，顶渣流动性差，导致脱硫效果未达到最佳。

3．4 脱硫剂加入后循环时间的影响

脱硫剂加入后，经过化渣、炉渣变形后，再通过钢水的循环促进渣钢之间的搅拌，增加渣钢接触面积，有利于脱硫反应的快速进行。若加入脱硫剂后循环时间较短，则渣钢反应不能达到最佳效果。该厂生产低牌号硅钢时，由于RH处理时间短，脱硫剂加入后循环时间仅为3～5min，脱硫率较低，仅为15％；而生产中高牌号硅钢时，脱硫剂循环时间为10～15min，钢渣反应比较充分，脱硫率可达到50％以上。

表2为国内外脱硫对比情况。武钢RH的平均脱硫率为60％，其主要技术措施是：严格挡渣出钢，渣层小于100mm；渣中ω(FeO)<10％，碱度3～4，加8kg／t石灰和萤石(比例4：1)进行渣改性。对脱硫的工艺要求有：1)脱硫剂ω(CaO)／ω(CaF2)=1．5，加入量3～5kg／t；2)采用活性石灰，脱硫剂要防潮；3)脱硫剂粒度3～5mm；4)脱硫剂加入时机应在深脱氧2min之后进行；5)投入速度要连续均匀并控制在150kg／min；6)搅拌要在脱硫剂加完后保持3～5min。

4 生产应用效果

通过采取以上措施后，硅钢碳、硫控制水平得到一定提升(见表3、表4)。

5 结论

1)可以从增大环流量和体积传质系数两方面促进脱碳，RH到站钢水ω(C)控制在0．03％～0．04％，ω(O)控制在(500~600)×10-6，有利于提高脱碳效果。

2)降低顶渣氧化性，提高炉渣碱度，保证脱硫剂循环时间可提高硅钢的脱硫效果。

参 考 文 献：

[1]   储双杰，瞿标，戴元远，等．合金元素对硅钢性能的影响[J]．特殊钢，1998，19(1)：7—12．

[2]   艾立群．RH处理过程中碳、氧、硫行为与工艺优化[D]．北京：北京科技大学，2002．

[3]   Yamaguchi K，Kishimoto Y，Sakuraya T，et al．Effect of refining conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in RH degasser[J]．ISIJ International，1992，32(1)：126—135．

[4]   刘良田．超低碳电工钢碳的控制[J]．武钢技术，2000，38(3)：1—5．

[5]   艾立群，蔡开科．RH处理过程钢液的脱硫[J]．炼钢，2001，17(3)．53—57．