100 t RH真空脫氫理論分析及應用實踐

劉 建 馬玉民 周偉基 季益龍 張 彤 陳玉良

（1.東北特鋼集團股份有限公司； 2.安徽工業大學； 3.奧鎂（大連）有限公司）

0 前言

鋼中存在一定量的氫會引起“氫脆”、白點和點狀偏析等缺陷，對鋼材性能、質量產生很大影響。因此，減少和控制鋼中的氫含量，對提高特殊鋼的質量至關重要[1-3]。在煉鋼全流程中，鋼液中的氫主要來源于廢鋼、石灰、螢石、合金原料、精煉渣和耐火材料等[4]。氫在液態鋼水中的溶解度遠大于在固態鋼中的溶解度，因此在鋼液澆注前對鋼液進行脫氫處理是十分必要的[5]。RH真空精煉是鋼液澆注前的最后一個工序，因其擁有超低極限真空度和較強的氣液兩相對流等特點，具有很好的脫氫能力[6]。近年來，多數鋼種對氫成分的要求較高，一般要求氫含量≤2×10-6，部分鋼種甚至要求氫含量≤1×10-6，因此需要經過真空處理。故筆者結合某特鋼廠RH實際設備參數從脫氫熱力學、動力學等角度分析和計算；同時，從RH真空處理前初始氫含量影響因素、極限真空保持時間等角度進行試驗，并結合鋼種對氫含量的要求進行工藝優化，在保證氫含量的同時，提高RH生產效率，節約生產成本，為指導現場生產提供一定的理論和實踐參考。

1 RH參數及工藝路線

某鋼廠RH真空爐的鋼包容量為100 t，處理溫度1 550～1 660 ℃，真空泵抽氣約3～5 min可達到極限真空度67 Pa，最低真空度可達到20 Pa。極限真空保持時間控制在10～20 min，總冶煉周期控制在45～55 min，提升氣體流量設定為80～ 120 Nm3/h。

100 t RH真空裝置和基本工藝流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 100 t RH真空裝置

圖2 100 t RH真空基本工藝流程

2 試驗的理論基礎

2.1 脫氫熱力學分析

氫在鋼中的溶解過程是吸熱過程，故溶解度隨溫度的升高而增加。氣體氫在鋼液中溶解時，氫分子先被吸附在氣相—鋼液界面上，分解成兩個氫原子，氫原子被鋼液吸收[7,8]。其溶解過程為：

其平衡常數或溶解平衡常數為：

式中：aH——氫在鋼液中活度；fH——氫的活度系數；kH——氫在鋼液中溶解時的平衡常數；PH2——氣相中氫的分壓力， Pa。

式（2）可以變為

當鋼中其他元素含量較少時，氫的活度系數fH≈1，則式（3）演變為

氫的平衡常數或溶解平衡常數kH為溫度的函數，其函數關系式為[9]

式（4）和式（5）為Sieverts定律（或平方根定律），由該式可計算出在不同溫度和壓力下鋼中溶解的氫含量。在溫度為1 600 ℃、一個大氣壓條件下，由式（4）和式（5）可計算出氫的溶解度為26.8×10-6，因此式（4）可以改寫為

式（6）說明在一定的溫度下，鋼中氫的溶解度隨壓力變化的規律。因此，降低體系的壓力，使氣體的分壓降低，能減少鋼液中氫的溶解量。由式（6）作出鋼中溶解氫與真空度的變化關系，如圖3所示。

圖3 鋼液中氫含量隨真空度的變化關系

從圖3可以看出，隨著真空度的降低，鋼中溶解氫含量逐漸降低。

根據式（6）計算氫在不同分壓下鋼中的飽和溶解度，結果見表1。

從表1可以看出，當真空度為100 Pa時，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.84×10-6；當真空度為67 Pa時，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.69×10-6。

表1 氫在不同分壓下鋼中的飽和溶解度

由于反應產物為氣體狀態，按照熱力學平衡移動原理，隨著體系真空度PH2的不斷降低，脫氣反應不斷進行，這說明降低體系的氣相壓力PH2是實現脫氫的原動力[10]。

2.2 脫氫動力學分析

利用化學熱力學原理，可以計算出RH脫氫的反應方向和脫氫反應限度，要研究脫氫反應的速度和達到反應的時間，需要從脫氫動力學角度分析。

氫在鋼液中的濃度很小，形成氣泡的析出壓力遠小于其所受的外壓，所以溶解在鋼液中的氫不能以形成氣泡的形式排出，而是通過向鋼液表面吸附，轉變為氣體分子，再向氣相中排出：[H]=H吸，2H吸=H2。

真空中鋼液的脫氫過程由3個環節組成[11]：（1）鋼液中溶解氫原子向鋼液-氣相界面擴散過程；（2）交界面化學反應過程，即表面吸附的氫原子相互作用，結合成氫分子；（3）氣相傳質過程，即氣體氫分子從表面脫附擴散至氣相中，并被真空泵抽出。由于 RH 精煉裝置內較強的氣液兩相對流現象，氣相傳質過程和界面化學反應是非?？焖俚?，因此溶解氫在鋼液中的傳質過程是RH脫氫過程的限制性環節[12]。RH脫氫反應原理如圖4所示。

圖4 RH脫氫反應原理

脫氫反應動力學表達式為[13]：

2.3 極限真空保持時間與真空環流因數的關系

鋼水循環流量指單位時間內通過真空室的鋼水量，影響循環流量的因素有浸漬管內徑、真空室內徑和提升氣體流量。循環因數是指鋼液在真空處理時，通過真空室的鋼水量與鋼包中鋼水量之比。循環因數公式[13]為：

式中：W——鋼水循環流量，t/min；V——鋼包容量，t；t——脫氣時間，min；μ——循環因數，一般推薦選用4～5。

循環流量公式為[14]：

式中：W——鋼水循環流量，t/min；a——常數，取0.02；a——上升管內徑，cm；G0——循環氣體流量（通過上升管內驅動氣體量），Nm3/h。

一般情況下，鋼包容量為30～120 t時，最低取μ=4～5。該鋼廠的鋼包容量為100 t，因此取μ=4～5。RH浸漬管內徑為400 mm，循環氣體流量為80～120 Nm3/h（一般鋼種的為100～110 Nm3/h，軸承鋼的為120 Nm3/h），將上述參數代入式（9）中，得出 =67.80 t/min。將W值代入式（8）中，當t=15 min時，μ=9次；當t=10 min時，μ=6.2次。若按照循環因數取4～5，計算得出的真空脫氫時間t為8 min。目前，該鋼廠RH真空處理工藝中，極限真空保持時間為15～20 min，加上抽真空時間3～5 min，循環因數遠大于5，滿足實際要求。

3 初始氫含量影響因素與脫氫效果分析

3.1 轉爐出鋼碳含量與氫含量關系

入爐原材料的水分或結晶水是鋼中氫的主要來源之一，因此為了排除入爐原料對試驗的影響，轉爐出鋼之后只加入少量脫氧劑（可以認為是在同等入爐原材料的條件下），進LF工位后對鋼水中的氫含量進行在線測定。試驗中采用Heraeus Multi-lab Hydris在線定氫儀測定鋼水真空處理前的氫含量，試驗過程中對高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼分別選取30爐測定其LF進站時的鋼水氫含量，轉爐出鋼碳含量與鋼液氫含量關系見表2。

表2 轉爐出鋼碳含量與鋼液氫含量關系

從表2可以看出，30爐高碳鋼的初始氫含量在 5.0×10-6～ 9.0×10-6，平均氫含量為 7.42×10-6；30爐中碳鋼的初始氫含量在3.0×10-6～6.5×10-6，平均氫含量為4.37×10-6；30爐低碳鋼的初始氫含量在2.2×10-6～5.5×10-6，平均氫含量為3.58×10-6。由此說明，在同等入爐原材料的條件下，轉爐出鋼碳含量與氫含量存在一定關系，出鋼碳含量越高，鋼水氫含量越高；出鋼碳含量越低，鋼水氫含量越低。因為在頂底復吹轉爐中，轉爐冶煉中伴隨底吹氬過程，每一個氬氣泡相當于一個真空室；同時，轉爐冶煉過程是脫碳反應，強烈的碳氧反應產生大量CO氣泡，每一個CO氣泡相當于一個真空室，其中氣泡中的氫分壓極低。伴隨著強烈的脫碳反應和底吹氬氣泡，鋼液中溶解的氫持續地向氣泡中進行擴散，隨氣泡的上升逸出而實現脫氫[15]。

3.2 初始氫與鋼種合金成分的關系

在轉爐出鋼后和精煉爐工序加入的合金量對真空處理前鋼水的初始氫含量有很大影響[16]，合金中含有一定水分，大量加入合金會導致初始鋼液增氫。為了研究合金含量與RH真空處理前鋼水初始氫含量的關系，對鋼中（Si+Mn+Cr+Ni+Mo）合金元素含量與初始氫含量進行了統計分析，具體數據見表3。

表3 初始氫含量與合金含量關系

從表3可以看出，鋼中（Si+Mn+Cr+Ni+Mo）合金元素含量越高，RH真空處理前初始氫含量越高。該鋼廠對氫比較敏感的鋼種，例如大型鍛件718H，在轉爐出鋼后和精煉工序加入的合金需經烘烤后方可使用。

3.3 RH脫氫效果與極限真空保持時間

從90 爐數據中選取10 爐（標記為1#～10#），分別測定鋼水在RH真空處理前的初始氫含量，極限真空67 Pa保持10 min、15 min和20 min的氫含量，并計算出對應的鋼水脫氫率，具體數據見表4和表5。

為了更直觀表述不同極限真空保持時間與鋼液脫氫效果，將表4和表5數據進行繪制圖形，如圖5和圖6所示。

表4 鋼水氫含量與極限真空處理時間關系

表5 脫氫率與極限真空保持時間關系

從表4、表5、圖5和圖6可以看出，極限真空度67 Pa保持10 min后測定的鋼水氫含量，基本上在1.3×10-6～1.7×10-6之間，滿足一般鋼種氫含量≤2.0×10-6的要求，但仍不能滿足對氫含量要求比較嚴格的鋼種；極限真空度保持15 min后測定的氫含量，基本上在1.1×10-6～1.3×10-6之間，基本上滿足鋼種氫含量要求；當極限真空保持時間延長至20 min，測定的氫含量在0.8×10-6～1.1×10-6之間。這說明極限真空保持時間越長，脫氫效果越好。從而證明式（7）動力學分析中，真空脫氫時間越長，越小，即可以降低鋼液中的氫含量，提高脫氫效率。

圖5 鋼水氫含量與極限真空處理時間的關系

圖6 脫氫率與極限真空保持時間的關系

另外，由氫含量與極限真空保持的關系（圖5）可以看出，在極限真空保持前10 min氫含量降低的比較多，從15 min到20 min氫含量降低不明顯。這說明脫氫主要是在前期完成，后續再繼續延長極限真空保持時間，脫氫效果并不是很明顯。因此，針對RH真空下脫氫而言，極限真空度保持時間一般不低于15 min，就能將鋼中的氫含量脫至1.5×10-6以內，達到較為理想的冶煉效果。

綜上所述，RH極限真空處理時間越長，脫氫效果越好，對鋼水終點氫含量起到至關重要的作用。但是真空處理時間過長，脫氫效果并不明顯，而隨著浸漬管在鋼液中浸泡時間的延長，浸漬管耐材侵蝕加劇，對RH浸漬管的壽命有很大影響，從而增加了生產成本；另外，極限真空時間過長也會影響RH生產效率，不利于組織生產。

考慮到鋼液脫氫效果和生產成本，建議該鋼廠對不同鋼種的白點敏感性和軋制規格進行梳理和識別，重新優化極限真空保持時間、錠（坯）緩冷工藝及軋材緩冷工藝。例如，對氫不敏感的鋼種，大方坯生產軋制小規格時，可以試驗縮短真空或取消真空工序；軋鋼廠增加緩冷能力并提高入緩冷坑溫度問題，提高后續工序的擴氫能力；而對氫比較敏感的鋼種，對精煉工序入爐合金進行烘烤，可以降低初始氫含量，從而減輕真空工序壓力。

4 結論

（1）熱力學計算表明，隨著真空度的降低，鋼中的溶解氫含量逐漸降低；當真空度100 Pa時，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.84×10-6；當真空度67 Pa時，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.69×10-6。

（2）動力學分析表明，在一定真空度下，降低鋼水的初始氫含量、延長真空脫氫時間均可以降低鋼液中的氫含量，提高脫氫效率。按照該廠RH實際參數進行計算，如達到良好的脫氫效果，則真空保持至少需要8 min。

（3）在同等入爐原材料的條件下，轉爐出鋼碳含量與氫含量存在一定關系，出鋼碳含量越高，鋼水的氫含量越高；出鋼碳含量越低，鋼水的氫含量越低；鋼中（Si+Mn+Cr+Ni+Mo）合金元素含量越高，RH真空處理前的初始氫含量越高。

（4）極限真空保持時間越長，脫氫效果就越好；對于RH真空下脫氫而言，極限真空度保持時間一般不低15 min，就能將鋼中的氫含量脫至1.5×10-6以內，從而達到較為理想的冶煉效果。