VOD炉精炼00Crl8Nil0N碳终点命中率研究及应用

2022-12-26孙云鹏王福海

冶金动力 2022年6期

孙云鹏，王福海

（攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川省攀枝花 617023）

前言

攀长特炼钢总厂二作业区现有1 台40 t VOD炉，真空系统为蒸汽喷射泵，抽气能力为260 kg/h（≤67 Pa），通过抽真空降低精炼过程中Pco/Pθ分压来实现“去碳保铬”，主要用于精炼超低碳不锈钢。但是VOD 炉冶金效果较差，主要表现在精炼作业周期较长，碳终点命中率较低，金属Cr 过氧化严重，导致VOD 炉精炼工序生产成本较高，由此，本文以00Crl8Nil0N 超低碳不锈钢为例，对该钢种进行热力学、动力学原理分析，根据分析查找脱碳命中率低缺陷根源，提出相应解决措施。

1 钢种产品标准及技术难点

00Crl8Nil0N 是一种奥氏体不锈钢，化学成分如表1 所示。具有优良的硬化与耐腐蚀性能，是攀长特首次研发的新钢种，生产工艺：EAF→VOD→浇注电极棒→电渣炉→电锤开坯→轧机。主要用于生产军工小规格（如ϕ15 mm×1.1）冷硬态不锈钢管。该钢种与传统高碳级奥氏体不锈钢相比较，在特定工况温度范围内，不会沿晶界析出CrxC6碳化物，即不存在传统高碳级奥氏体不锈钢晶间腐蚀等问题［1-2］，虽然由于晶体间隙C 原子的减少弱化了固溶强化效果，但是在钢中补充了适量N，可以保证钢种的强度。

表1 00Crl8Nil0N钢种化学成分要求一览表 %

1.1 钢种产品标准

1.2 技术难点

（1）采用 VOD 炉精炼 00Crl8Nil0N 超低碳不锈钢，钢中［Cr］、［Ni］能够降低钢水中［C］活度；

（2）钢种产品标准要求熔炼成分C≤0.03%，考虑到现有一次碳终点命中率较低（～56%），还原期添加造渣料、Cr合金等增碳导致终点碳超标。

2 碳终点命中率影响因素分析

2.1 去碳保铬热力学基础

去碳保铬热力学反应式［3］：

该反应在标准状态下的吉布斯自由能变化值：

该反应在非标准状态下的吉布斯自由能变化值：

式中：T——精炼温度；

αCr——钢水中［Cr］的活度；

Pco——CO的分压；

Pθ——标准大气压；

αc——钢水中［C］的活度；

αCr3O4——渣中（Cr3C4）的活度，处于饱和状态，所以αCr3O4=1。

根据计算，最终得出ΔG的表达式：

从最终吉布斯自由能反应式③可以看出，当ΔG=0 时的反应温度成为碳、铬临界转变温度，只有当VOD 炉精炼作业过程中温度始终高于临界转变温度，才能实现“去碳保铬”的冶金效果。因此，温度越高，ΔG越低，反应越向右进行，钢水终点碳含量越低。从热力学角度分析来看，影响碳终点含量因素有：入炉温度、CO 分压、钢水成分及传质、临界碳含量。

2.2 精炼00Crl8Nil0N工艺对终点碳影响因素

2.2.1 入炉温度

当［Cr］、Pco一定的条件下，入炉温度越高，精炼终点碳含量越低，而且，温度提高后，钢液流动性变好，有利于脱碳反应的传质过程，使脱碳速率增加，表2列出了入炉温度对终点碳含量的影响。

表2 入炉温度与终点碳含量的关系

由表2中可以看出：入炉温度越高，终点碳含量越低，但是同时对钢包耐材的侵蚀越严重，因此，综合考虑，入炉温度应控制在1 550～1 570 ℃。

2.2.2 CO分压（真空度）

CO主要来自于碳氧反应，

VOD 吹氧脱碳作业过程中的碳氧反应冶金的热力学规律［4］，［C］+［O］=CO↑

根据理论计算，同时结合生产实际，钢水中［%C］理论值与实际检测值详见图1。

图1 钢水中［%C］理论值与实际检测值关系图

考虑到大量的［Ni］、［Cr］会降低钢液中［C］、［O］活度，暂按照1873K 时的相互作用系数来计算［C］、［O］活度系数。

K——钢液碳氧反应的平衡系数；

Pco——真空中CO的分压；

T——钢液绝对温度/K；

fc、fo——钢液中［C］、［O］的活度系数。

在实际生产过程中，VOD 炉降低CO 分压主要是通过真空泵来实现，生产实践表明：开吹氧时的真空度和吹氧时过程真空度要求存在差异，主要体现在脱碳滞后时间，虽然对碳终点含量影响程度并不明显，但是可以合理控制好Cr 金属的过氧化现象，同时在真空作业过程中不能过分要求过高的真空度，以防止脱碳过程中发生喷溅事故。

2.2.3 钢水成分

在熔池钢渣界面反应区域内，钢水中［Si］、［Cr］、［Mn］、［Fe］元素含量对终点碳含量影响较为明显，具体反应及平衡常数［5］如下：

考虑到［Si］、［Cr］、［Mn］、［Fe］元素生成的氧化物均为液态或固态，因此，上述氧化物氧化物活度为1。并假设它们的传质系数相同，再充分考虑质量平衡和热平衡的基础上，吹氧过程中各元素的氧化过程达到动态平衡，根据各元素ΔG之比来分配溶解在钢液中自由氧，吹氧过程中各元素所需理论耗氧量就可以计算出来，对于本文中研究超低碳不锈钢种00Crl8Nil0N 和［Mn］≤2.0%而言，吹氧初期［Mn］氧化量占吹氧初期含量40%左右，一般情况下消耗的氧气约占供氧总量≤5%，因此，对于实际生产作业中影响终点碳含量的因素只需要考虑［C］、［Si］、［Cr］三种元素即可，同时根据各种元素氧化分布情况，计算出消耗氧气量，再根据实际生产数据加以修正，即可以提高VOD 炉冶炼超低碳不锈钢00Crl8Nil0N的碳终点命中率。

2.2.4 临界碳含量

实际生产过程中终点碳含量与临界碳含量相辅相承，在吹氧过程中脱碳过程主要分为2个过程：

高碳区：［C］+［O］=CO

低碳区：MxOy+Y［C］=X［M］+Y CO

在高碳区，碳的直接氧化和间接氧化是同时进行的，此时脱碳反应的限制性环节是氧气流量，提高单位时间内氧气流量可以提高脱碳速率。低碳区脱碳反应的限制性环节是［C］在钢液中的传质，此时，需要加强底部吹氩，促进钢渣界面反应，生产实践证明，强化底部吹氩可以明显降低钢液终点碳含量。

3 生产实践

钢包入罐迅速，及时测温、取样、垫包沿镁砂，并根据入罐钢水成分调整氧气、氩气流量，同时根据钢包自由净空高度及渣层厚度调整氧枪高度（正常情况下氧枪标高为±1 m），真空罐车开至VOD 炉冶炼工位盖好真空罐盖，关闭V2 打开V1 真空阀抽真空，启动EC+6a+6b 真空泵，当罐内真空度降低至22 kPa 时，启动氧枪开始吹氧，氧气进口压力≥9Mpa，预吹氧流量控制在330～350 m3/h，根据入罐［Si］（≤0.3%）、温度（1 550～1 570 ℃）控制吹氧时间，约3 min；氧枪切换为主吹模式：氧流量控制在550～600 m3/h，当主吹耗氧量大于理论氧气量65%时，同时废气温度反应趋于平稳时启动4a+4b 真空泵，当氧电势E出现拐点并开始下降，同时废气温度也开始下降时，逐步调整氩气、氧气流量进行深吹，将停吹后破空后收起氧枪、取样、测温后进行真空碳脱氧，当真空抽到极限时，提高氩气强度，氩气流量控制在40～60 L/min，根据废气温度变化判断炉内CO 反应强度实时启动3、2、1 级真空泵组进行真空碳脱氧，作业时间20～25 min，经过实践，碳终点命中率维持在93% 以上，终点碳含量控制0.015%～0.025%。