超低碳钢RH脱碳与洁净度控制研究

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摘要汽车、电子、家电等现代制造业用超低碳钢的生产，已经成为衡量一个国家钢铁企业生产水平的重要标志。其中，又以超低碳IF钢最具代表性。IF钢冷轧板不仅要求具有高强度和良好的塑性，还要具有优异的成型性能和表面质量。钢中碳、氮和氧等杂质元素的含量以及夹杂物的种类、数量、尺寸和分布等，都是影响IF钢冷轧板性能的重要因素，进行相关理论和实践研究对提高超低碳IF钢生产技术水平具有重要意义。首钢迁钢公司已经具备了生产超低碳钢的装备水平，并采用BOF-RH-CC工艺路线成功生产出了一系列超低碳IF钢种，但是，还存在产品成分波动大、冷轧薄板表面夹杂造成的缺陷多等题目。如何快速而稳定地降低钢中的碳含量、如何进一步提高钢水洁净度，成为生产过程中迫切需要解决的关键题目。因此，本文针对迁钢IF钢的生产工艺，对RH脱碳过程及生产全流程中钢水化学成分和夹杂物的控制状况进行了系统研究。论文首先分析了迁钢IF钢生产过程中RH处理的工艺状况，并与国内外先进水平进行了对比研究。发现，迁钢的RH处理工艺存在钢水初始碳含量低、初始氧含量高、真空室压降速率低、脱碳时间长等技术题目。其中，平均脱碳时间为21min，脱碳终点碳含量平均为18×10-6，并有近20%炉次的终点碳含量超过20×10-6。为改进RH自然脱碳工艺，论文采用RH静态脱碳数学模型，研究了钢水初始碳氧含量、真空室压降制度、吹氩模式和浸渍管内径等因素对RH脱碳过程的影响。发现，初始碳含量和真空度是影响脱碳速率的关键因素。认为初始碳含量为(250~300)×10-6、初始氧含量为(500~600)×10-6，应该是迁钢RH自然脱碳生产IF钢的最佳初始条件。为了弄清吹氧制度对脱碳过程的影响，论文采用RH强制脱碳数学模型进行了计算研究。发现，经3min RH真空处理后开始吹氧，并适当采取“高流量、短时间”的供氧方式，可以得到最优脱碳效果。当初始碳含量为(400~500) ×10-6左右时，氧气流量控制在(30~40) m3/min比较合理。论文还首次将RH废气分析数据与静态数学模型相结合，建立了RH废气分析脱碳数学模型，并对原有单一废气流量修正系数（δ）进行了矫正。研究表明，对δ进行分段取值更为符合实际生产情况。在RH处理初期的3min内，δ取值为0.35；其后，δ取值为0.6。在RH脱碳末期，可利用废气中CO气体的含量预测钢水中碳含量水平，对缩短RH处理时间提供一定指导。基于RH脱碳的工业实验研究，发现在自然脱碳时，钢水脱碳过程分为“快速脱碳+缓慢脱碳”两个阶段，两阶段的表观脱碳速率常数平均值分别为0.259min-1和0.043min-1；适当提高初始碳含量、消除或缩短压降平台，可以提高快速脱碳阶段的表观脱碳速率常数；并且，当处理后期钢水碳含量降低到(10~20)×10-6后，脱碳进入缓慢阶段。而在吹氧强制脱碳时，脱碳过程分为“初期缓慢脱碳+快速脱碳+缓慢脱碳”三个阶段，初期缓慢脱碳是由于钢水初始碳氧比过高所致。将上述模型计算结果和工业实验研究结果用于实际RH生产工艺的优化。实践发现，RH脱碳时间平均为16min，比原工艺降低5min，RH处理结束时碳含量平均为14×10-6，比原工艺低2×10-6，产生了显著的工程效益。论文还通过取样分析，系统研究了BOF-RH-CC工艺生产IF钢过程中钢水主要成分及夹杂物控制水平。发现，除开浇炉次浇铸初期发生了严重的二次氧化现象导致氮、全氧含量升高外，氮含量在全流程中变化不大；连铸中间包钢水的碳、氮、全氧含量平均值分别为17×10-6、18×10-6、38×10-6，与浇铸前相比，增碳9×10-6，而全氧含量降低了8×10-6。RH处理前，钢水中的杂质颗粒主要为球状MnO-FeO系夹杂物，尺寸多在5µm以下；在RH处理结束时，主要为多边形Al2O3-TiN系、球状或多齿状Al2O3-Ti2O3-TiN系和不规则形状Al2O3系夹杂物，此外还含有微量的球状Al2O3-MgO-CaO系夹杂物，绝大部分夹杂物尺寸在1~5µm；连铸中间包钢水中夹杂物情况与RH处理结束时情况相似，但是出现了微量的大尺寸球状或不规则形状Al2O3-CaO-SiO2-MgO系夹杂物，多在20~100µm之间；在整个流程当中，夹杂物数量呈逐渐减少趋势，至中间包钢水夹杂物数量平均为12个/mm2（当量直径5µm）。为了研究“开浇”这一非稳态因素对钢水洁净度的影响，对长10m的头坯进行了密集取样分析。研究发现，头坯中碳、氮、全氧含量沿拉坯方向7.5m以后的位置达到稳定状态，分别为18×10-6、20×10-6、21×10-6；碳、氮、全氧含量在头坯厚度方向上的分布，超过5.5m长度以后趋于均匀，此前则差别较大。同时，还研究了正常坯的夹杂物水平，发现内弧表层1~3mm内夹杂物数量较多，之后，随着深度的增加，洁净度提高，距内弧表面5mm处，夹杂物数量为11个/mm2（当量直径5µm），与中间包钢水洁净度水平相当。

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