SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：通过强化洗罐操作、规范RH真空系统稳定运行、调整RH脱碳工艺参数及细化吹氧升温操作等措施，使RH终点碳值及稳定性均有较大的提升，精炼RH处理后[C]≤13ppm的比例由25%提高到54.8%。
关键词：超低碳钢；RH精炼；碳含量；13ppm
目前本钢超低碳钢的年产量120万吨，其中极低碳钢(成品≤18ppm)的生产比例较低只有8%，品种钢炼成率99.5%，随着汽车行业的发展，对钢材性能的要求越来越严格，因此极低碳钢生产比例存在较大的提升空间。通过强化洗罐操作标准、规范RH真空系统稳定运行、调整RH脱碳工艺参数及细化吹氧升温操作等措施，使RH深脱碳钢种终点碳含量合格率得到较大的提升，为下道工序提供了稳定合格的钢水条件。
1 RH脱碳原理
据脱碳反应的热力学方程，其反应平衡常数为K，当温度一定时，K为常数，当钢液中碳和氧的浓度很小时，碳氧活度为1，因此如Pco一定，则ωc与ωo之积为一定值。即在RH真空室内，钢液中的碳可与氧作用发生碳氧反应，使钢液的碳变成CO排除，它的脱碳能力随真空度的提高而增强。由于真空度的提高，相当于降低了CO气体的分压，促使反应向右进行，从而达到深脱碳的目的。
2 RH主要设备参数及超低碳钢成分
2.1主要设备参数
本钢共有5座180tRH精炼装置，设计抽气能力在67pa时为600kg/h，最大循环流量为130t/min，氧枪供气流量为1800m3/h，提升气体流量为120Nm3/h，蒸汽压力为1.5MPa，超低碳钢处理周期为35min~40min，其中循环时间25min~30min。
2.2超低碳钢成分控制
超低碳钢为无间隙原子钢，又称IF钢，通过RH脱碳处理将钢种碳含量控制在30ppm以下，并加入一定量的Ti、Nb使钢中的C、N原子被固定成为碳化物和氮化物，从而使钢中没有间隙原子存在，其具有低的屈服强度、高的延展性、高的塑性等深冲性能。其主要是作为轿车钢材使用，是衡量钢铁企业汽车钢生产水平的重要标志。超低碳钢主要成分为C≤0.0018%，P≤0.012%，S≤0.010%，Nb：0.003%~0.007%，Ti：0.04%~0.06%。
3影响RH脱碳的主要参数
3.1提升气体流量
研究结果表明，气体流量增大时，环流量也增大，但当气体流量增大到一定程度时，环流量会达到饱和。吹气量对环流量增加的变化率的影响大致可分为三个阶段：
(1)吹气量较小时，气泡在上升管内均匀分散分布，环流量随吹气量的增加而显著增加。
(2)吹气量较大时，气泡在上升管内分布稠密，气泡体积占据了较大的比例，吹气量的增加，环流量增加的变化率较小。
(3)吹气量过大，这时气泡体积占的比例很大，尺寸增大阻碍钢水循环，抽引效率降低，环流量已经达到饱和值有下降趋势。
(4)通过生产数据试验分析，前期循环气体采用80m3/h的炉次5min前脱碳速率较快，平均脱碳速率0.0054/min，采用100m3/h和120m3/h的炉次脱碳速率较慢。从试验结果看脱碳前期由于处于强脱碳时期，采用不同提升气体对脱碳效果影响不大，脱碳5min后提升气体为120Nm3/h炉次无论是脱碳速率还是RH终点碳均优于其他炉次，其达到相同碳含量时间可节约2min，采用相同的脱碳时间，其终点碳含量可低2ppm。
3.2提升气体吹入深度
许多研究结果都表明，环流量与吹入气体深度的平方根成正比。在吹气深度很小时，上升管内由于气泡行程太短、气液间混合不好而产生“吹透”现象，使环流量显著减小，和吹入深度的平方根不成比例。总之，较大的吹入气体深度，有利于气泡的分散和膨胀，使其作用于液体的时间和行程加长，从而能更充分地发挥驱动气体的抽引效率，增大环流量(受耐材寿命影响，一般在下沿200mm左右)。
3.3钢包顶升高度
同等条件下顶升高度的不同决定了真空室内钢水的高度，通过研究真空室内液面高度与混匀时间关系，发现真空室内液面高度达到300mm时混匀速率达到最高，因此动态调整钢包顶升高度能够确保循环的均匀性，超过该高度则加大真空室钢水的喷溅，易结冷钢。
3.4提升气体吹入方式
单孔吹入时，吹入的气体流偏向吹入孔口的一侧，达不到均匀分布的状态，而多孔吹入时，气体从各个方向均匀吹入，同时由于吹入孔径的减小产生气泡的细化，气泡流在上升管内分布状态良好，从而能比单孔吹入更能有效地发挥驱动气体的作用。
因此提高环流量的途径有：加大吹入气体流量；增大环流管内径；在可能的条件下增大吹入气体深度；采用合适的顶升高度及吹气方式。
3.5最低真空度对脱碳效果的影响
真空度不仅影响循环流量，也影响到了碳氧平衡限度。根据碳氧反应式，在一定的温度下，CO分压和氧活度决定了脱碳的限度，而真空度决定了CO分压。通过生产数据分析当处理时间、循环量、氧含量等条件相近而真空度不同时，处理终点碳含量随着真空度的增加而增加。当最低真空度可达到50Pa时脱碳10min碳含量为20ppm，当最低真空度只有500Pa时脱碳15min碳含量为20ppm，采用二级泵生产真空度约为5kPa~6kPa，当脱碳时间达到18min时钢种碳含量只达到30ppm，当真空度不好时可适当延长脱碳时间来保证RH终点碳，但当真空度大于500Pa时由于脱碳时间过长，无法满足生产节奏要求，因此无法生产超低碳钢。
3.6 RH前氧对脱碳效果的影响
根据试验数据分析，RH前氧高时脱碳速率会有所增加，当RH前氧低于400ppm时在其他条件不变的情况下，脱碳速率以及RH终点碳均明显低于其他炉次，但当RH前氧大于600ppm后其对RH终点碳基本没有影响，为控制RH脱碳后氧值不能过高，因此规范RH前氧控制在450ppm~600ppm之间，即可提高脱碳速率又可减少脱碳后氧值。
3.7真空度下降速度对脱碳的影响
通过生产数据对比，真空度下降速度越快RH终点碳越低，即快速降低真空度可有效提高RH脱碳效率，5min真空度达到200ppm以下炉次RH终点碳较6min、7min、8min达到200pa炉次分别低2.6ppm、3.4ppm和4.0ppm。为达到快速降低真空度的要求，需控制RH前碳小于等于0.04%，减少前期产气量，生产前采用预抽模式将真空度控制在10kpa~20kpa，并且需提高真空泵抽气能力和控制系统泄漏量，为真空度的快速降低创造条件。
3.8底吹氩气对脱碳的影响
为标定钢包底吹氩对脱碳影响，选择RH前氧、碳、温度等相关参数接近的炉次进行试验，其中开底吹氩炉次为循环3min后开启钢包底吹氩气，并每隔3min取样一次，从取样数据看，脱碳过程采用吹氩炉次上升管下降管碳值偏差为-5ppm~8ppm，而不开底吹氩炉次差值为-16ppm~25ppm，说明开底吹氩对钢水均匀性有利。开底吹氩与不开炉次对比，前3min脱碳速率基本相同，3min后开底吹氩炉次碳值明显高于未开底吹氩炉次，说明采用双透气砖钢包后RH开底吹氩对脱碳速率不利，造成此种现象的原因可能为底吹氩与RH本身循环发生冲突，对脱碳造成不利影响。
试验炉次脱碳20min后进行脱氧操作，连铸大包每隔40t取一次中包样，虽然采用底吹氩炉次过程脱碳速率较慢，但中包碳值却低于未开底吹氩炉次且稳定性也好于未吹氩炉次。采用底吹氩炉次中包碳波动范围较小，偏差为±2ppm，且呈下降趋势，未采用底吹氩炉次中包波动值较大，偏差为±4.2ppm，均匀效果非常不好。因此在有足够的脱碳时间情况下，开底吹氩对中包碳稳定性有利。
4 RH脱碳的过程控制
4.1 RH终点氧的控制
根据碳氧积的关系：在1600℃、PCO=1大气压条件下，W[O]*W[C]=0.0025，即W[O]=0.025时W[C]=0.1%。真空条件下PCO降低,但W[O]与W[C]仍成反比关系，因此提高RH脱碳终点氧可降低RH后碳，钢水终点氧值对脱碳的影响非常大，如果钢中的游离氧不足，脱碳驱动力将下降，会造成钢水碳含量过高或者达到目标碳含量所需的脱碳时间过长，因此RH要获得较低碳值，必须保证终点有足够的氧值。但随着脱碳后氧的上升，产生的Al2O3夹杂物增加，对钢水纯净度影响较大，所以出于质量考虑应对RH脱碳终点氧值进行规范，在满足终点碳合格的前提下尽可能地降低脱碳终点氧。通过生产数据分析及后部质量对应，RH终点氧应控制在250ppm~350ppm范围内，这样即可以满足终点碳含量要求又能够最大程度的夹杂物对超低碳钢质量的影响。
4.2 RH补氧时机
快速脱碳反应基本上在RH处理前期进行，因此前期根据氩前[C]值要保证钢水中的自由氧，使前期[C]值快速达到50ppm以下，因此补氧时机选择为开阀后2min~3min，确保处理前期氧值处于最佳脱碳点。根据生产数据分析，高碳低氧条件下强制脱碳速度优于自然脱碳(吹入的氧气直接与碳发生反应，氧气向钢水中熔解较少，利用率高)；低碳条件下自然脱碳速度优于强制脱碳(吹入的氧气不能直接与碳发生反应，氧气需向钢水中熔解慢，影响脱碳速度)，后期碳的传质成为反应的限制性环节，同时二次燃烧热补偿效果小。
4.3真空度的快速降低
快速进行真空系统喷射泵与增压泵的切换，使真空度在最短时间达到最低真空度。切换过早，由于产生的CO使废气量加大，小泵抽气能力低导致真空度反弹；启动过晚，真空度降低慢，影响进一步深脱碳，因此根据RH设备及工艺情况，规范了切换各级真空泵的标准真空度，进一步稳定脱碳过程。
4.4升温的时机
前期升温对脱碳反应可能有一定抑制作用，使脱碳各阶段顺延；中期升温对深脱碳有一定抑制作用，影响终点碳值；后期升温不利于夹杂上浮，影响钢水质量。从实际生产数据分析，选择前期升温比中期升温RH终点碳可降低1ppm~2ppm，后期升温与前期升温RH终点碳未见差异，因此为保证钢水纯净度，鉴于我厂升温幅度偏大情况，将升温时机选择在前期进行，并可与补氧同时进行。
4.5真空罐冷钢
冷钢的堆积将导致真空槽内空间缩小，不仅影响合金的加入，同时抑制气体排出，使槽内难于达到预定的真空度，后者将严重影响脱氢及脱碳的最终效果及效率。冷钢中通常含有较高的碳，因此在冶炼超低碳钢时，在脱碳后期，随着真空罐及冷钢温度的升高，部分冷钢可能熔入钢水中导致钢水增碳。冷钢的增多增加了本体吸热，导致真空罐及钢水温降加大，最终导致不必要的升温，影响脱碳效果。因此在生产超低碳钢前需对RH真空罐进行洗罐操作。
5精炼主要优化措施及效果
5.1针对过程增碳，制定洗罐及烧冷钢操作标准RH低碳钢转超低碳钢生产时，合金加入路线(料仓壁、双料钟、专用料仓、下料溜管、真空罐等)残存的合金极易造成成分不合，为杜绝合金增碳，对洗罐炉次进行规范：
(1)洗罐炉次必须使用金属锰合金化，不洗罐时，最后一炉低碳钢必须使用金属锰合金化。
(2)转换钢种生产之前，依次对高锰合金加入路线的称量料斗、皮带、双料钟各空转，确保清除各处残料。
(3)转换钢种之后的第一炉，脱碳前期加入20kg~30kg金属锰，第三次清除通道内残料。
(4)生产超低碳钢采用超低碳或低碳钢种的钢包，减少钢包增碳。
(5)超低碳钢与低碳钢避免使用同一皮带进行生产加料。
(6)每浇次处理结束后需利用氧枪采用烧冷钢模式对真空罐内冷钢进行去除，并根据冷钢厚度制定了不同的烧冷钢流量和时间，避免影响超低碳钢生产过程增碳。
通过洗罐、烧冷钢等措施的细化及实施，对RH后[C]进行过程能力分析，过程能力Cpk由0.58提高到1.14，且终点碳值的标准差由原来3.4ppm降低到2.5ppm，波动明显减小，终点[C]合格率及波动范围均得到改善。
5.2真空度的快速降低措施
为了确保真空度的快速降低，控制系统漏泄量，保证真空度8min达到100pa以下，细化操作标准。
(1)真空系统职责划分。操作人员：负责下部槽、中部槽、上部槽密封检查、更换；烘烤盖板、合金下料盖板密封检查、更换；补偿溜槽密封检查、更换；氧枪密封检查；真空料仓密封检查。班组对于RH设备检修项目必须掌握，同时检修后及时冷试及热试，对检修过程项目逐一排查，发现问题及时通报点检人员。设备人员：负责真空泵(喷嘴)系统的检查、检修；蒸汽分配器系统检查、检修；真空滑阀检查、检修；真空料仓密封检查、更换；气体冷凝器密封检查、更换。点检员认真执行定修模型所规定的各项检查检修的项目，按照点检路线每天对设备进行点检。
(2)确保顶部槽排气管道的畅通。为了防止或减少顶部槽粘渣使得排气量极少，影响废气的排出，从而影响脱碳的速度及脱碳深度，制定了提升气体前期小流量、中期大流量、后期中等流量的动态控制标准，减少前期碳氧剧烈反应造成的喷溅，从而减少顶部槽粘渣，同时减少或杜绝后期钢包液面波动大渣氧向钢中的传递，从而提高钢水纯净度。通过采取相关措施，目前真空度8min达到100pa以下的合格比例由84.2%提高到99.3%以上。
5.3细化氧枪吹氧操作
(1)补氧。根据RH前碳值制定出所需氧值，如0.03%碳需500ppm氧、0.04%碳需550ppm氧，0.05%及以上碳时需600ppm~750ppm氧。参照实际氧值及标准氧值，RH前氧值低于标准时，及时进行强制补氧，补氧时机选择在开阀后2min~3min时进行，避免氧低对脱碳造成影响。
(2)升温。升温时机为开泵2min~3min后，升温与补氧可以同时进行，前提保证RH前氧值标准；升温炉次铝氧配比按1.0~1.2：1进行,升温幅度大按上限配比，幅度小按下限配比，且一次吹氧量要求≤180m3，吹氧量过大，钢水中氧含量过高，影响氧气收得率及升温时间；吹氧量低，则需要多次升温，影响脱碳效果。通过操作标准的细化，RH升温下枪时机及一次吹氧量的控制执行率达到100%。
6目前达到的水平
(1)产量比例。近年来我厂RH产量逐步提高，由2016年的270万吨提高到目前的400万吨，且RH超低碳钢所占RH比例也由23%提高到34%，因此稳定的脱碳工艺成为进一步提高产能的关键。
(2)氩后[C]≤13ppm的水平。通过强化洗罐操作标准、规范RH真空系统稳定运行方案及细化下枪吹氧操作，RH生产超低碳钢能力有较大的提升，RH后[C]值小于等于13ppm的比例由原来的25.0%提高到54.8%，通过半年生产验证RH处理后[C]≤13ppm的比例可稳定在50%以上。
(3)极低碳钢连浇炉数的提升。由于脱碳水平的提升，极低碳钢的连浇炉数有较大突破，极低碳钢的连浇炉数由原来的不大于3炉提高到目前的7炉连浇。
(4)脱碳终点氧值的水平。为了更好的稳定RH终点碳，根据不同钢种碳要求对超低碳钢的终点氧值进行规范控制，对于[C]≤13ppm，终点氧水平控制在250ppm~350ppm以内，合格率可达到84%。
(5)脱碳时间的判定。通过对不同时间钢中碳含量进行取样标定，脱碳12min时碳可达到20ppm以下，15min时可达到15ppm以下，但随脱碳时间的进一步延长，达到20min以上时出现了回碳现象，而且钢中[C]波动较大，因此根据数据分析最终制定脱碳时间15min~18min。
(6)RH脱碳总体控制情况。从试验数据分析，我厂RH脱碳可分为三个阶段，第一阶段为开阀至循环6min属于强脱碳阶段，脱碳速率平均可达到45ppm/min，且碳降低速率平稳。此阶段碳氧剧烈反应，气体发生量大，因此需降低提升气体流量并保证排气管路畅通，6min后钢中碳含量可达到60ppm左右；第二阶段为循环6min~12min，此阶段脱碳速率平缓下降，平均脱碳速率6ppm/min，由于脱碳速率下降，产气量降低，对真空度下降有利，因此该阶段内必须将真空度达到最低，此阶段结束后钢中碳可达到20ppm以下；第三阶段为12min至脱碳结束，此阶段特点为钢中碳氧反应很慢，尤其15min以后钢中碳降低到18ppm以下，此阶段可以将提升气体提到最高增强搅拌，条件允许可适当延长脱碳时间以进一步降低钢中碳含量。
7结论
(1)通过强化洗罐操作标准，确立了RH生产超低碳钢前洗罐的重要性，防止因RH真空罐污染影响RH终点碳。
(2)通过细化烘烤及烧冷钢操作，真空罐冷钢得到有效缓解，冷钢厚度由原来的300mm降低到50mm。
(3)脱碳采用前期80Nm3/h，5min后改为120Nm3/h循环流量可有效控制钢水喷溅及降低终点碳值。
(4)RH升温时机应为脱碳前期，规范一次吹氧量180，可稳定脱碳过程控制，提高终点碳命中率。
(5)真空度下降速度对脱碳影响较大，开阀5min真空度达到200pa炉次[C]比其他炉次炉次平均低3ppm左右，可通过预抽、降低RH前碳等方法可有效提高真空度下降速率。
(6)通过对超低碳钢RH前及脱碳过程各工艺参数进行规范，超低碳钢种精炼RH处理后[C]≤13ppm的比例由25%提高到了54.8%，[C]≤18ppm的比例达到96%。
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