原来在RH所采用的喷枪多功能化烧嘴即RH—MFB技术中，研究了LNG(液化石油气)一氧(O₂)混合气的燃烧速度对压力的依存性，有副孔的拉瓦尔烧嘴内的流动以及RH操作中混合气体的燃烧效果。

　 在有副孔的拉瓦尔喷嘴上，也可单独喷吹氧气；亦可从副孔喷吹LNG、从主孔喷吹O₂，以混合气体的燃烧加热钢液，这样既能促进钢液真空脱C，又能补偿处理过程中钢液产生的温降。现在关于促进钢液脱C反应的研究不少，而对于喷吹可燃性气体同时脱C并补偿钢液温降的研究尚无人涉及。

　 新日铁公司在100tRH装置上对采用有副孔的拉瓦尔喷嘴向真空槽内单独吹0₂时的脱C现象及Al升温、吹人LNG+O₂混合气时的脱C现象和钢液温度变化、以及处理后钢液的纯净度进行了研究。

2 实验方法

2.1 RH真空脱C中的吹氧

　 其实验装置如图1所示。采用100t级实机RH真空处理设备，在脱气处理中仅用RH—MFB向钢液面喷吹纯0₂而进行脱C反应操作。此时，在从真空槽排出钢液的下降管附近的钢包内对处理过程中的钢液取样，测定了钢中[C]随时间的变化；还在相同位置用氧浓度电池探头测定了钢液中的自由氧浓度。

图1 RH实验装置

　 所用拉瓦尔喷嘴形状与前篇研究报告相同；主要试验条件如表1所示。

表1 脱C的实验条件

钢液量	100t
温度	1580-1620℃
循环量	34t/min
真空度	666-2000Pa
O2流量	1200Nm3/h
枪高	1.8m

　

　

2.2 在RH真空处理中喷吹LNG+O₂

　 采用与前同样的实验装置，在钢液的真空脱C中，按理论计算的燃料比从有副孔的拉瓦尔喷嘴喷吹LNG+O₂混合气，进行加热和脱C，主要实验条件如表2所示。

表2 脱C和喷吹LNG的实验条件

情况	吹O2脱C			喷吹LNG
	O2	时间(min)		LNG	O2	时间(min)
	(Nm3/h)	开始	结束	(Nm3/h)		开始	结束
(a)	1200	6.4	7.8	-	-	-	-
(b)	1200	6.2	7.0	84	194	8.8	13.0
(c)	1200	5.5	8.1	200	460	11.6	17.2

　

2.3 在RH真空处理中吹O₂进行Al升温

　 采用与前相同的实验装置，在钢液真空处理中,从有副孔的拉瓦尔喷嘴吹0₂，同时从真空槽上方加入Al粒，利用Al的氧化发热加热钢液。加Al 1㎏/t钢，吹0₂ 0.62Nm³/t钢，氧化发热时在理想状态可使钢液升温约37K。其主要试验条件如表3所示。

表3 用Al升温和喷嘴LNG的实验条件

钢液	100tAl镇静钢
温度	1580-1620℃
循环量	34t/min
真空度	666-2000Pa
LNG流量	228Nm3/h
O2流量	510 Nm3/h
枪高	6.0m

　

　　 在此试验中，若改变钢液中的Al，预计钢的纯净度就可能变化。为此，调查了成品钢材薄板的内部及表面缺陷。

　 所谓内部缺陷(Internal defect)，是钢材外表不能发现而存在于其内部的金属氧化物造成的缺陷。其调查方法为磁粉探伤法，即将成品板卷切断成1m长度，以钢板缺陷发生率来表示。

　 表示缺陷中的分层(skin inclusion)是与上述内部缺陷一样的金属氧化物在钢材表面引起的缺陷。其形状呈块状，轧制中形状不变化，在长宽方向都不规则。剥离(sliver)是存在于钢材中的簇状Al₂0₃沿轧制方向延长所致。无论哪种缺陷，主要都是Al₂0₃造成的，只不过形态不同、称呼各异而已。对这些表面缺陷，也与磁粉探伤一样，是将板卷切成1m长度，以目视逐块检查，以有缺陷的块数占总块数的比率来表示其表面质量。

2.4 喷吹LNG+O₂混合气时钢液成分的变化

　 用与前相同的实验装置，在对脱氧后的钢液进行真空处理时，从有副孔的拉瓦尔喷嘴喷吹LNG+O₂混合气加热钢液。主要试验条件如表3所示。此时，燃烧后的废气成分CO₂和H₂O被喷向钢液面。在钢液中已经添加的Al、Ti、Si等合金成分与废气中的CO₂、H₂O反应，有可能会因此给钢液增C增H。

　 同时，还会在钢液中生成非金属夹杂物，可能恶化钢材质量和性能。因此，按有、无烧嘴加热钢液两种情况，对真空脱气处理中的钢液在钢包中取样，测定了钢液[C]和[H]。

3 实验结果及考察

3.1 RH真空脱C中吹O₂的脱C行为

　 图2表示[C]随真空处理时间的延长而发生的变化。图中虚线表示未吹0₂的原操作[C]的变化。处理前的[C]=260ppm、[0]=490ppm，此时的[0]处于过剩状态；终点[C]=16ppm、[C]、[0]在原来的操作附近达到平衡。

图2 钢液[C]随真空处理时间而发生的变化

　

　 另外，图中实线表示在真空处理初期喷吹纯0₂时进行RH-MFB的操作情况，图中吹0₂的(0₂-blowing)时间带是吹0₂的时期。吹O₂时脱C速度小，吹0₂后的脱C速度上升了，这是因吹O₂前后的[0]变化产生了影响。[C]和[O]相对的变化比较如图3。图中实线所示与图2一样，是真空处理初期吹入纯0₂的情况：因吹入纯O₂，使[O]上升至大约300～400ppm，其后随脱C反应的进行而下降。因此，在吹0₂条件下，吹入刚结束时的[0]是最高的；并且，吹O₂使真空槽内钢液承受了气体动压，其局部表面压力会比气氛压力更高。

　

图3 钢液脱C期间[C]与[O]的变化

　

　 也就是说，在[O]高时，钢液中的Pco(分压)增高，易从钢液中产生CO气泡；并且，即使Pco一定，若降低气氛压力，同样也易产生CO气泡。若从真空槽内钢液面以外的钢液内部产生CO气泡，就会发生溅疤(splash)缺陷。还考虑了增大表观脱C反应界面积的可能性，以提高真空处理中的脱C反应速度。

　 因此，对于12次测定结果，将(1)式所示的表观脱C速度常数kc和在各测定时间采用[C]测定值的计算值以及同时测定的[O]之关系示于图4。

　

图4 钢中[O]与表观脱C速度常数KC的关系

　

C=Ci·exp(-kc·t)…·(1)

　 上式中，C是终点[C]、ci是脱C处理开始时的初期[C]、kc是表观脱C速度常数、t是脱c时间。

　 kc是图2所示那样时间与[C]的关系中，[C]=100ppm和20ppm的点实测2点间斜率求出的值。

　 假定一次反应速度式而求出了相对于[C]的kc值本来是不取决于[C]的，应表示为常数。正如图4所示，因[C]的水平发生变化，[C]越高，kc值也越大；并且，若[0]增高，kc也有增大的倾向。特别是在[C]=lOOppm左右时，kc对[0]的依存性高；然而，若[O]变为20ppm这一处理末期值，则kc对[0]的依存性就变小了。

　 [C]高和[O]也高时，是二者乘积的钢液中的Pco值也增大了，如前述那样易从钢液中产生气泡，估计此时的表观脱C反应界面积也会增大。

3.2 喷吹混合气体时钢液的脱C及加热行为

　 图5—7表示实验结果：图5是原来单吹氧时的操作曲线(a)，在图中粗线的时间带里吹入了氧气。

　

图5 往RH真空槽内单吹O₂时随着处理时间的延长[C]的变化与真空槽内压力变化的关系

　

　

　

　 图6是在脱C反应进行中吹入LNG+O₂混合气流量为278Nm³／h时(b)、图7表示同样情况下混合气流量为660Nm³／h时(C)，随着处理时间的延长，[C]的变化与真空槽内各自压力变化的关系。在图中表示LNG的粗线时间带里进行了LNG+O₂混合气的燃烧和钢液加热。

　 另外，在图5、图6上，未发现有如图2中所见那样、在喷吹O₂中和其后的脱C速度有大的变化。这是由于处理前的[O]高到300～350ppm，吹O₂时间短、吹O₂前脱C速度大的缘故。

　 如图7所示，在喷吹流量660nm³／h的LNG+0₂混合气时，真空槽内的压力未下降(即停留在1000Pa=8torr左右)。但仍进行了脱C反应而使[C]降至20ppm；此时因混合气燃烧加热而使钢液大约减少了7℃的温降。

　 图8用脱C处理前的[C]表示标准化了的[C]随时间的变化。在本研究中，即使用脱C处理方案中的LNG+O₂混合气燃烧加热，也未发现脱C速度有变化。产生此结果的原因如下：燃烧加热使真空槽内的钢液表面温度上升，具有增大脱C速度的作用；喷吹气体强化了对真空槽内钢液的搅拌，从而提高了脱C速度；加热产生的废气降低了真空槽内的真空度，从而抑制了脱C速度的增大。这三个因素互相抵消，故使脱C速度保持了稳定。

图8 在RH脱C处理喷吹不同中吹LNG流量混合气燃烧加热钢液时[C]随时间的变化

　

　 脱C处理中钢液温度下降速度如图9所示：当LNG流量为200Nm³/h时，实现了大约为0.5℃/min的温度补偿。根据LNG发热量及燃烧时间计算出的输入热量与温度补偿量的比较中求出加热效率约为50％，这与前面的研究报告的结果一致。

　

图9 脱C处理中钢液温度下降的情况

　

3.3 喷吹氧气进行Al升温时钢的纯净性

　 若进行钢液Al升温，就会在其中生成Al₂O₃。故为了确认钢液的纯净性，在进行Al升温的同时调查了成品质量并将结果示于图10。

图10 用Al进行钢液升温时的产品质量比较

　

　 将不进行Al升温或不进行烧嘴加热的日常产品的内部缺陷指数(index)平均数作为1.0，将Al升温和烧嘴加热时的产品缺陷个数与日常品的平均缺陷发生个数的比值作为指数；对表面缺陷，也采用了与上述相同的计算方法。

　 如图10所示。无论是Al升温或烧嘴加热。都不会对产品质量产生负面影响。

3.4 喷吹混合气时钢液成分的变化

　 LNG+O₂混合气体燃烧产物的主要成分是CO₂和H₂O．故可能改变钢液化学成分和钢材性能质量的元素是C和H。图11以横坐标表示处理时间．纵坐标表示[C]和[H]的增量，以此表示钢液成分的变化。结果表明，烧嘴加热未使钢液成分受到影响一一即未使钢液增[H]和增[C]。

　

图11 钢液中[C]与[H]的变化

4 结语　　　

　 向RH真空槽内喷吹LNG+O₂混合气体，使之在真空槽内燃烧，采用有副孔的拉瓦尔喷嘴进行了可作热外偿的钢液精炼操作，得出了以下结论。

4.1 由于用有副孔的拉瓦尔喷嘴喷吹氧气，即使处理前的[C]高至500～600ppm，也可以在与原来处理法相同的处理时间内，获得终点[C]=15ppm的处理结果。

4.2 钢液中的氧含量[O]使其脱C速度常数ks增大了。

4.3 因在脱C中喷吹LNG+O₂混合气，即使RH真空槽内的真空度下降，脱C反应速度也未发生变化。

4.4 在本实验研究范围内，即使对钢液进行Al升温，钢液的纯净性也不会受到影响。

4.5 可以无视向真空槽内喷吹LNG+O₂混合气燃烧对钢液造成的C和H污染(△C波动范围为0～2ppm、△H波动范围为±0.1ppm)。