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　　2005年第1期 寶 鋼 技 術 35 靜，驢，t0≯艫—E擴護·自 奄研究與開發§ 眵、伊、{伊‘、‘尹、{0}驢、o VD生產低碳／超低碳鋼的現狀及在寶鋼的開發前景 尹小東1，黃澤1，顧文兵2 (寶鋼股份公司 1．技術中心，上海201900；2．煉鋼廠，上海200941) 摘要：闡述了vD脫碳工藝的研究進展及采用vD生產低碳／超低碳鋼的實踐情況，理論分 析及試驗研究表明，在vD裝置上生產低碳／超低碳鋼種是完全可行的。在寶鋼開發VD脫碳 工藝，實現電爐單元對低碳／超低碳線材的生產，具有深遠的意義。 關鍵詞：VD；低碳／超低碳鋼；線文獻標識碼：B Steel謝th ProductionStatusand LC／ULC Prospect‘of DeVelopment Baosteel Vacu啪Degasser(VD)Technolo斟at GU 刪蕊口D-咖餾1日￡，A^恰歷增-朋1 W匆一-西f增2 (1．Ba惦teeIT∞h舯logyCenter，Shallghai201900，Clli舳； 2．Ba稍teel 200941，Cllim) SteeIHant，SllaIlghai in ofVDdecarburizationandin ofLC／ Abstract：Pmgress眥dedevelopment process production ULCsteelwiththis isdescribed．Theoreticaland researchshowthatitis techn0109y analysiperimental workableto LC／ULCsteelwiththeVD isof to great significancedeVelop produce appar{ltus．It stnltegic VDdecarburizationandtoIealizethe ofLC／ULCwireandrodwiththeEAFunit the pmcess production atBaosteel． md Words：vacuum and Key steel，衍re degasser，LC／ULC 1前言 爐單元沒有鋼水脫碳精煉工藝，因此無法進行極 vD(vacuumDegasser)是一種應用廣泛的真空低碳和超低碳鋼的生產。利用寶鋼電爐單元現有 精煉設備，具有良好的脫氫、脫氧、脫碳、脫氮和脫 設備，開發VD脫碳工藝，不僅可以解決超低碳線 硫等功能，在目前的高質量鋼生產中發揮著重要 材生產的問題，也為以后的品種開發提供更好的 作用。國內VD則多被用作鋼水的脫氫、脫氮等 條件。 目的，而實際上vD處理過程同樣具有良好的脫 碳動力學條件，國外部分鋼廠已有采用VD生產 2、m脫碳機理 極低碳或超低碳鋼的實踐，并達到了很好的處理 關于真空脫碳理論，國內外許多學者已做了 效果u~3J。國內此項工藝技術正處于開發之中。 深入的研究，并提出了很多脫碳模型¨娟J。一般 t 寶鋼電爐單元擁有1座150EAF、1座LF、1認為VD脫碳過程存在三個脫碳機制：氬氣泡表 套VD和l臺六流方(圓)坯連鑄機，目前主要采面的脫碳、鋼液內部cO氣泡脫碳、鋼液表面 用EAF—LF—VD—CC或EAF—LF—CC工藝生產的脫碳。 油井管和彈簧鋼等中碳或高碳系列鋼種。而目前 2．1氬氣泡表面脫碳 低碳線％)市場潛力很大，主要用 氬氣由鋼包底部透氣磚吹入鋼液，在鋼液內 作標準緊固件、鋼纖維以及低碳焊絲鋼等，由于電 部形成局部的相對cO的氣泡真空，氣泡在上浮 過程不斷發生脫碳反應，這一機制包括三個環 尹小東碩士 1976年生2002年畢業于包頭鋼鐵學院現從 節舊j，如圖1所示：鋼液中碳、氧向反應界面的擴 事鋼鐵冶金專業 電線 散；界面化學反應；cO氣泡向氣相中的擴散。氬 萬方數據萬方數據 36 寶 鋼 技 術 2005年第1期 氣泡表面的脫碳可用以下動力學關系表示： 過飽和度急劇下降，到VD處理后期，三個脫碳機 制幾乎達到了同一個水平，這時脫碳速度變得緩 警=姒[C]一[c]*)…………．(1) 慢。 其中，七。為碳由鋼液側向氣泡表面擴散的傳質系 0 數，由Higbie式確定，后c=2√Dc／棚；[c]，[c]” 8 分別為鋼液中碳濃度和氣泡表面的平衡碳濃度。 d 氣液界面 6 4 s．芒糌艘罄嬰 2 [c]。-[o]2=如。尸盎 O 一[c^[o]8=如。磕 O 5 10 15 20 25 時間／-in 圖1 氬氣泡脫碳的三個基本環節 圖2 VD處理過程各脫碳機制對脫碳的貢獻 Sketchofthree linksof Fig．1 elementary Contributionmadethedecarburizationmechanism Fig．2 by withArbubbles decarburization inthe ofVDtreatment process 2．2鋼液內部C0氣泡脫碳 在熔池內部，當鋼液平衡cO分壓大于鋼水 3 vD生產低碳／超低碳鋼的實踐與研究 靜壓力時，在鋼液內部會自發生成cO氣泡，形成 3．1 采用VD生產低碳／超低碳鋼的實踐 cO沸騰區。cO沸騰區的深度與鋼液的碳氧濃度 國外部分鋼廠已有采用VD生產低碳／超低 以及真空度等有關bJ，可用以下關系式表示： ……(2) (鋼包靜空870mm)，月處理超低碳IF鋼約5 日co=(Kco[％C][％O]一P，)／偌 鋼液內部cO氣泡脫碳速率與鋼液中碳氧的 過飽和度成正比： 裝置，年處理鋼水量100萬t，與已有的一套RH— OB裝置并存，來增加超低碳鋼的生產能力，同時 堡等：知，·K·(Kco[％c][％o]一P，)…(3) 滿足對于RH處理較為困難的s、N含量更低的鋼 其中，尼。為容積系數；K為過飽和度修正系數； 種的要求，處理鋼水全部供板坯連鑄[21； ＆o為碳氧反應平衡；P。為線鋼液表面的脫碳 鋼液表面的脫碳過程與氬氣泡表面的脫 0．004％)18萬tLlJ。 碳過程類似： vD與RH相比，在處理效率上，按傳統的理 論和實踐，RH比VD處理時間快5～10IIlin，但 警：南[cH]([c]H一[c。]H)………(4) 是，最近vD已開發了雙罐雙蓋預抽真空的新工 其中，五[c，H]為碳由鋼液向表面的擴散系數； 藝，可節省時間約5IIlin，同時節省座罐、接吹氬 [c]H，[c。]H分別為鋼液表面的碳濃度和平衡碳 管、測溫取樣等輔助時間4～5min，因此，采用VD 濃度。 新工藝處理時間與RH相當心J，整個周期可控制 2．4各脫碳機制對vD脫碳過程的貢獻 在40lIlin左右。 圖2為VD處理過程中各脫碳機制對整個 3．2影響VD脫碳的主要操作和設備因素 VD脫碳過程的貢獻。從圖中可以看到，VD脫碳 (1)真空度 過程主要是依靠鋼液內部的cO氣泡脫碳，氬氣 真空度是VD脫碳過程中一個非常重要的參 泡脫碳以及鋼液表面的脫碳貢獻相比較小。 數。一方面，真空度大小直接影響VD的脫碳速 鋼液內部cO氣泡脫碳是與鋼液中碳氧的過飽和 率，真空度愈高，即真空室壓力愈小，脫碳速度愈 度相關的，VD處理初期，當真空室的壓力降低到 快。從圖2可以看到，鋼液內部C0氣泡脫碳是 一定值時，鋼液內部cO氣泡脫碳便占據了主導 vD脫碳過程的主要機制，而CO氣泡脫碳與鋼液 地位，但隨著鋼中碳、氧含量的降低，鋼中碳氧的 中碳氧的過飽和度成正比，真空室壓力P。越小， 萬方數據萬方數據 尹小東等 vD生產低碳／超低碳鋼的現狀及在寶鋼的開發前景 37 則cO沸騰區的深度越大，脫碳速率也越快。另 一方面，從脫碳熱力學角度分析，真空度也決定了 VD處理過程所能達到的最終碳含量，由碳氧平衡 可得：[％C]=P，／(&o·[％O])，P。越小，則所能 達到的最終碳含量越低。圖3和圖4為作者在 500婦真空爐上所做的脫碳試驗結果，試驗 過程中逐步降低線中可以看到， 在線kPa時，脫碳速率很慢，熔池 中只有少量的CO氣泡生成；降低線Pa時，反應速度陡增，熔池表面可以看到大量 圖4 500 kg真空爐的脫碳過程 的CO氣泡生成。圖4是試驗過程中鋼中碳含量 500 Decarburizationinthe Fig．4 process kg 的變化，從圖中可以看到，在處理初期，由于鋼液 vacuuminductionfhmace 中碳氧含量高，脫碳速率較大，隨著碳含量的降 低，脫碳速率迅速減小，從圖中可以看到，在 26．6 kPa真空室壓力的后期，脫碳速率已變得很 慢，逐漸降低真空室壓力，脫碳速率又有所提高。 500 圖3 kg真空爐降低線 吹氬量對VD脫碳過程的影響 熔池表面的變化情況 E婦6ectof nowrateondecarburization Fig．5 argon of underreduced moltenbathsuce Fig．3Changes Pa) ([c]o=O．04％“0]o=0．06％，P。=133 vacuum inthe500 vacuuminductionfumace pressure kg (a)[％c]=o．011，[％0]*o．06，P，：26．6kPa(3)鋼包凈空高度 (b)[％c]=0．006，[％O]一O．05，P，=266PaVD處理過程中，吹氬攪拌使鋼水狀態非常活 躍，如果鋼包的凈高度不夠，在大吹氬量下就 (2)吹氬量 可能發生鋼液噴濺或溢渣等異常情況。一般鋼包 圖5為吹氬量對VD脫碳過程的影響，增大 200 凈高度要求至少在800～1mm，否則就會 吹氬量在一定程度上可以提高VD的脫碳速率， 吹氬量的提高，降低VD的脫碳處理能 降低終點碳含量，一方面氬氣泡本身具有一定的 脫碳能力，同時，通過氬氣的攪拌，加速了碳由富 力¨2 —700 集區向反應界面的轉移。據Dosco鋼廠的生產 mm，通過對真空室頂蓋的，使凈 500 實踐情況，保持原工藝不變，提高吹氬量后使產品 空高度達到l mm，吹氬流量的可控范圍大大 的終點碳均能在0．003％以下，同時使總的處理提高，改善了vD脫碳處理效果。寶鋼鋼包 200 時間有所減少。 凈空高度為1 mm，可以適應大吹氬量下的鋼 但在VD處理初期，由于鋼液中碳氧濃度較 液面波動的影響。 高，脫碳速率很快，大量的C0與氬氣共同作用會 (4)其它方面因素 加劇熔池的沸騰，如果吹氬量和真空度控制不當， 除上述提及的幾個因素外，進VD前鋼水的 容易造成鋼液噴濺或溢渣，因此應該采用先低后 初始氧位和初始碳含量的控制也相當重要。鋼水 高的吹氬制度，這樣既不會影響總的脫碳效率，又 中的氧不僅要為碳氧反應提供充足的氧源， 會使終點碳含量比正常情況低0．0003％～ 又要控制脫碳結束鋼水中的氧量不能太多， 0．0005％。 否則將消耗過多的脫氧劑，增加成本，也容易使鋼 萬方數據萬方數據 38 寶鋼 技 術 2005年第1期 水的度降低。通過現場經驗判斷，電爐吹煉 結束時，鋼水中的氧量一般要比平衡氧量多 種方法無論在可行性、經濟性還是安全性上都存 0．01％～0．02％，按照這樣的規律，如果電爐吹煉在很大的問題，且采用此工藝生產極低碳鋼根本 結束鋼中碳含量過高(如[％C]0．06)，則鋼水中沒有可能。因此，必須開發電爐出鋼后的鋼水脫 自身的溶解氧就無法滿足VD脫碳的需要，這時 碳精煉工藝技術，在VD裝置中利用鋼水碳脫氧 就需要通過調節爐渣的氧化性來實現渣向鋼水的 反應，開發vD脫碳工藝是目前在電爐單元實現 供氧；如果電爐吹煉結束鋼中的碳含量很低(如 低碳／超低碳鋼生產較可能的方法。由于采用了 [％C]0．02)，則此時鋼中的溶解氧將大大高于碳脫氧工藝，可以適當降低處理結束鋼中的 vD脫碳的需求，因此應該在進vD前先對鋼水進氧含量，減少用于鋼水脫氧的鋁消耗，從源頭上降 行預脫氧，以控制鋼水的氧、碳含量在合適的水 低了鋼水中夾雜物的總量，可以實現鋼中夾雜物 平。因此，從經濟性和安全性等多方面考慮，電爐 的有效控制，提高產品質量。開發VD脫碳工藝， 出鋼最好控制鋼水碳含量在O．03％～O．06％之不僅能實現電爐在低碳系列覆蓋線材產品的目 間。另外，溢渣狀況也和鋼水表面的熔渣特性有 標，也能為今后低碳線材的開發和質量的提高提 關，降低熔渣的儲泡能力，能有效減少溢渣情況的 供有效的手段。 發生。 開發vD脫碳工藝，重點要解決以下幾個技 術關鍵：進VD前鋼水氧位和碳含量的控制；VD 4寶鋼狀況 吹氬制度及真空制度；相應鋼包渣的控制等。采 4．1設備狀況及現行工藝 用VD生產低碳／超低碳鋼種，還要對原有的工藝 寶鋼股份vD裝置的主要技術參數見表1。 的工藝線，或采用EAF—VD—CC的工藝線， 表l寶鋼股份、，D裝置主要技術參數 以避免LF過程的增碳。 Table1 Maintechnical of p眥meters thevacuum atBaosteel degasser 5結語 項目 技術參數 真空脫氣裝置類型 固定真空罐式 通過理論分析與實驗研究以及國外一些鋼廠 處理鋼水量／t 150 的生產實踐表明，在vD裝置上生產低碳／超低碳 線 鋼種是完全可行的。開發vD脫碳工藝，對擴大 極限線 抽氣速度(從大氣壓到66．7Pa)／tIlin 6 低碳／超低碳鋼的生產能力，以及拓寬品種范圍都 吹氬流量范圍／L·lIlin‘1 O一600 具有十分重要的意義。就寶鋼目前狀況還無法進 鋼包凈高度／一 l200 行極低碳線材的生產，開發VD脫碳精煉工藝，不 僅可以實現電爐在低碳系列覆蓋線材產品的目 目前寶鋼電爐單元產品主要為油井管鋼、高 標，也為今后低碳線材的開發和質量的提高提供 壓鍋爐管鋼以及冷墩鋼、硬線鋼等，生產采用EAF 了有效的手段，具有極其深遠的意義。 —LF—vD—CC或EAF—LF—CC工藝線。因 為沒有開發鋼水脫碳精煉工藝，電爐單元只能生 參 考 文 獻 產中碳和高碳系列鋼種，碳含量基本都在0．06％ 1 sun，M8IlllⅪ1a Pr舯tice 7I’om鵲Kun，Stallley Trinh．EqIlipInem蚰d 以上。 Enh蚰cementsatDofI據coVacuum forULcSteel．Imn＆ D89夠T肌k 4．2寶鋼vD開發低碳／超低碳鋼生產工藝的前 Steel Teclulology，2004，(4)：2l一27． 景 寶鋼電爐單元的現行工藝，由于沒有脫碳精 (4)：26—27． 3 DidierHuin，Hubert ofV8cuumDecarburi扭- Sain-Ray咖nd．Ⅺnetics 煉處理過程，只能生產中碳和高碳系列鋼種，使產 tionofULCsteels．2001STEELMAl(INGCONFERENCEPROCEED． 品規格受到了。而目前低碳線材(C INGS。200l：60l～611． 0．04％)市場潛力很大，主要用作標準緊固件、鋼4 北村信也，矢野正孝．DecarburizationModelforVacuum Degasser． 纖維以及低碳焊絲鋼等。就寶鋼電爐現行生產工 鐵＆鋼，1994，80(3)：31～36． 藝，要生產低碳鋼種，必須利用電爐將碳脫至相當 (下轉第52頁) 萬方數據萬方數據 52 寶 鋼 技 術 4結論 微米鋼。亞微米晶粒是接近等軸狀的，其中鋼板 心部的平均晶粒直徑約0．6肚m。 (2)所制備的亞微米鋼呈現出很高的組織穩 定性，能夠承受450℃的退火而無明顯的晶粒長 大。即使在550℃退火，其晶粒尺寸仍然在亞微 米級。 (3)如此高的組織穩定性來源于亞微米鋼中 圖3 450℃退火態鋼板心部的 存在的大量彌散納米析出相的釘扎效應。納米析 透射電子顯微鏡明場像 出相具有30nm和10nm兩種不同的尺寸級別。 center ATEM field atthe ng．3 bright image oftllesheetannealedat450℃ 圖4 450℃退火態鋼板的原子力顯微鏡形貌像和相位像 AFM and ofthesheetannealedat450℃ Fig．4 topogmphicphaseimages tainN如0．St兀lcturedBlllkkw—Car_bonSteelwith 參 考 文 獻 Superior 1 TsujiN，sait0 Grained Propeny．Scr．Mater．，2002，46(3)：305—310． Y，Ut8unomiyaH，TaIligawa甜以．Ultm-Fine AccuⅡlulative 5 宋洪偉．微米、亞微米與納米超細晶粒鋼的研究進展．世界科 BulkS陀elPm“ced by Roll·Bonding(ARB)Process． scr．M砒er．，1999，40(7)：795—800． 技研究與發展，2002，24(6)：31—35． 2 H．Micm8tmctureaIldDef缶mationBe- 6 宋洪偉．納米及亞微米鋼鐵材料的研究進展．2002年材料科學 BelyakovA，Sal【aiT，Miura 0f stainlesssteelProducedsevere havioIlrSubmicrocryst8lline304 by 7 Senu眥T．PresemStatIlsof蚰dFuture for PlasticDefomlation．Mater．Sci．En只．，200l，319—321：867—871． Perspective Researchinthesteel A即shi眥A蜘dAoki of SteelRe- Industry．ISUInt。2002，42(1)：1—12． K．PropertiesUltrafine·gminedby shearDef(刪mtionofsideExtnlsion peaIed Process．Mater．sci．Eng．， 2002。A337(1—2)：45—49． 編輯劉宏娟 4 New蚰d Proce鵲toOb· 1kujiN，UejiR，Min嘲inoY．甜耐．ASimple (改稿日期：2004—10—11) (上接第38頁) 1993；33(3)：391～399 5 TAKAHASHI T．MechaIlism0fDec缸bur- M．MA7I_SUMOTOH，SArrO izationinRH Intem撕0nal，1995；35(12)：1452一1458 Degasser．ISU 編輯劉宏娟 6 ⅪSHIMOTOY。YAMAGUCHIK，SAKURAYAT．Decarburization (改稿日期：2004一ll一18) Re8ctioninUltra—10wCarbonIronMeltunderReducedPressure． 萬方數據萬方數據 VD生產低碳/超低碳鋼的現狀及在寶鋼的開發前景 作者： 尹小東， 黃澤， 顧文兵， YIN Xiao-dong， HUANG Zong-ze， GU Wen-bing 作者單位： 尹小東,黃澤,YIN Xiao-dong,HUANG Zong-ze(寶鋼股份公司,技術中心,上海,201900)， 顧文兵,GU Wen-bing(寶鋼股份公司,煉鋼廠,上海,200941) 刊名： 寶鋼技術 英文刊名： BAOSTEEL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2005(1) 參考文獻(6條) 1.Tomas Kun;Stanley Sun;Manh Kha Trinh Equipment and Practice Enhancements at Dosco Vacuum Degas Tank for ULC Steel 2004(04) 2.劉川漢 RH與VD/VOD二次精煉法的比較[期刊論文]-特殊鋼 2000(04) 3.Didier Huin;Hubert Sain-Raymond Kinetics of Vacuum Decarburization of ULC Steels 2001 4.北村信也;矢野正孝 Decarburization Model for Vacuum Degasser 1994(03) 5.Takahashi M;MATSUMOTO H;SAITO T Mechanism of Decarburization in RH Degasser [外文期刊] 1995(12) 6.KISHIMOTO Y;YAMAGUCHI K;SAKURAYA T Decarburization Reaction in Ultra - low Carbon Iron Melt under Reduced Pressure 1993 本文讀者也讀過(9條) 1. 童健民.盛光杰.TONG Jia-ming.SHENG Guang-jie 淺議提高VD效率的難題及對策[期刊論文]-中國冶金 2006,16(2) 2. 黃肇信.孫杰青.趙畔濤.楊一銘.張啟柱.Huang Zhaoxin.Sun Jieqing.Zhao Pantao.Yang yiming.Zhang Qizhu SWRH67A、SWRH72A盤條的試制[期刊論文]-金屬制品2002,28(5) 3. 林.周前.韓鐵水.YANG Hai-lin.ZHOU Qian.HAN Tie-shui VD真空氧脫碳工藝 [期刊論文]-煉鋼2005,21(5) 4. 徐世錚.A.Г.巴諾馬連柯.XU 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