RH真空室在鋼水質量控制中的問題與對策

呂志勇，邢維義，殷東明

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

RH是當前精煉鋼水的重要設備之一，具備脫碳、脫氣、調整鋼水成分和溫度、去除夾雜物等功能。RH真空室各主要部位按其在爐外精煉中所具有的不同功能及位置分別稱為：插入管、環流管、底部槽、中部槽、熱頂蓋。RH處理過程的結渣和夾雜物去除問題均會影響鋼水質量，許多冶金工作者做了相關研究［1-4］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡稱“鲅魚圈”）有2臺RH爐，其精煉后的鋼水成分和溫度均不理想，本文對RH真空室控制鋼水質量存在的主要問題進行分析，并針對性地提出采取真空室吹掃、真空室涮洗、真空度測試等措施，應用后顯著地提高了鋼水質量。

1 問題的分析

RH真空室工作原理為：真空泵啟動后，真空室壓力降到0.2 kPa以下。隨著真空室壓力的下降，鋼包中的鋼液沿著兩根插入管上升。向上升管吹入驅動氣體，由于高溫和低壓的作用，氣體的膨脹功推動鋼液在上升管中快速提升。當鋼液離開上升管進入真空室時，線速度可達5 m/s，因此鋼液呈噴泉狀進入真空室，使反應界面顯著增大，從而加速精煉過程［5］。鋼水經下降管返回鋼包，通過若干次循環，實現精煉功能。

1.1 影響鋼水成分因素分析

1.1.1 噴補料

RH常規配備為單工位雙真空室，單個真空室累計處理一定爐次鋼水后，插入管需要噴補維護，使用另一個真空室繼續生產。通常沾鋼時間累計達到200 min時維護一次插入管，噴補料的主要原料是鎂砂、聚磷酸鹽及其他結合劑，在鋼水沖刷下，噴補料進入鋼水成為夾雜物的來源之一。RH真空室處理前后鋼水磷含量的差稱為回磷量，噴補后真空室處理第一罐鋼水稱為首罐，其他罐稱為過程罐。RH插入管噴補后，首罐和過程罐的回磷量對比見圖1。

圖1 RH插入管噴補后首罐和過程罐回磷量的對比Fig.1 Comparison of Rephosphorization Amount between First Ladle Car and Procwss Ladle Car after Repairing by Spraying of RH Insert Tube

由圖1可以看出，噴補后真空室首罐回磷量是過程罐的2倍以上，平均為8×10-6。檢測噴補料中P2O5含量為0.53%，平均每次噴補料用量為0.5 t，如果磷元素完全進入鋼水，則回磷量達10×10-6。精煉過程中插入管損壞較嚴重時還要增加噴補料用量，這種情況下首罐的回磷量會更高。

RH真空室間歇使用，隨著RH真空室等待處理時間的增加，真空室內氧化物逐漸增多。上工序搬出樣到RH搬出樣之間的Als損失稱為鋁損。統計RH真空室噴補后連續處理的罐次間鋁損的對比見圖2。

圖2 真空室各罐次鋁損的對比Fig.2 Comparision of Aluminum Loss in Vacuum Chamber for Each Ladle Car

如圖2所示，RH處理第1罐的鋁損是其他罐的2倍。因此，避免在RH真空室噴補后采用第1罐處理高潔凈度鋼水。

1.1.2 真空室烘烤

RH真空室的耐材溫度一般要求在900℃以上，鋼水溫度在1 600℃左右。當RH真空室處理鋼水時，鋼水溫度大于真空室溫度，真空室溫度保持上升狀態。當RH真空室不處理鋼水時，在線真空室使用頂槍烘烤保溫，待機位真空室使用烘烤器保溫。兩種烘烤的能源介質均為煤氣和氧氣，煤氣流量分別控制在100～700 m3/h和100～200 m3/h，按溫度控制要求制作自動烘烤曲線，具備保溫、提溫等功能。以在線頂槍烘烤為例，當真空室溫度高于900℃，煤氣流量大于200 m3/h，烘烤20 min左右時，真空室內鋼渣開始熔化成液態滴落。RH烘烤熔化鋼渣的化學成分見表1。由表1看到，渣中主要成分為TFe，其含量達到41.6%，同時，還含有大量的氧化物。當鋼水進入真空室內循環，渣滴與鋼水反應，導致鋼水中的氧化物增加，影響鋼水的潔凈度。

表1 RH烘烤熔化鋼渣的化學成分Table 1 Chemical Compositions （Mass Fraction）in Molten Steel Slag Baked by RH %

1.1.3 冷鋼

RH真空精煉處理鋼水過程中由于抽真空、碳氧反應的影響，不可避免的發生噴濺，鋼渣粘結在真空室的中部槽和底部槽很難去除，同時鋼渣越結越厚，厚度可達1 m以上，嚴重時甚至完全堵住真空室內部。RH加入的合金部分掉落在冷鋼上，降低了元素成分的控制精度。

經檢驗，冷鋼錳元素含量大約為1.5%，當RH處理其他特殊鋼時，冷鋼熔化于鋼水中會造成鋼水成分超標。使用同一真空室連續處理4罐鋼水，統計精煉過程錳元素的變化情況，結果如表2所示，隨著精煉的進行，鋼水的增錳量逐漸降低，分析認為是因為冷鋼不斷熔入鋼水直至全部去除。因此，真空室內的冷鋼必須去除，否則鋼水中錳元素很容易超出控制標準。

表2 精煉過程錳元素的變化情況Table 2 Changes of Manganese Content during Refining Process

1.1.4 循環效果

RH吹入提升氣體驅動鋼水循環，驅動氣體量對鋼水循環效果影響較大。提升氣體流量根據鋼包容量設計，一般達到1～2 min時鋼水全部循環1次。鲅魚圈RH提升氣體分為兩路計量，每路8支氬管。當插入管的氬管出氣口堵塞時，氬氣流量降低，這種情況容易辨識，能夠及時調整。但當插入管耐材內的氬管斷裂，如圖3所示，氬氣流量不會發生變化，但是實際循環效果降低，容易造成成分不均勻或不達標。

圖3 斷裂的插入管氬管Fig.3 Fractured Argon-filled Tube to Insert Tube

轉爐沸騰出鋼，如果插入管循環不好，鋼水中的脫氧產物不能有效排出真空室，混合鋼渣形成渣球，掛在RH下降管一側，如圖4所示。檢驗渣球含TFe為31%，渣球對下一爐鋼水會造成污染。

圖4 RH下降管內的渣球Fig.4 Slag Ball in RH Downtake Tube

1.2 影響鋼水溫度因素分析

RH處理鋼水的主要冶金目的之一是調整鋼水溫度。處理重點鋼種之前調整真空室狀態對于溫度控制非常重要。在RH處理前期，需對鋼水溫降做出預測，預留充足的夾雜物上浮時間，避免后期升溫或加廢鋼。處理前期和處理結束分別測量鋼水溫度，去除添加物料對溫度的影響，溫度差值除以時間間隔的數據定義為溫降速率。統計同一真空室連續生產罐次的溫降速率，結果見圖5。由圖5看出，RH真空室首罐的溫降速率最大，各爐間溫降速率差距最大達到0.18℃/min。而且為了促進夾雜物上浮，真空處理后期不添加任何物料，循環時間達到20 min以上，所以溫度控制難度較大。

圖5 真空室生產中各罐次的溫降速率對比Fig.5 Comparison of Temperature Drop Rates of Molten Steel Treated by Vacuum Chamber for Each Ladle Car

2 采取的措施

2.1 提高鋼水潔凈度

RH真空室處理鋼種較復雜，針對特殊鋼種，需要提前調整真空室狀態，保證鋼水成分合格，避免對鋼水造成二次污染。結合生產工況，提出改進措施。

2.1.1 吹掃RH真空室去除冷鋼

RH在線生產期間，吹掃真空室能夠去除冷鋼，RH配備頂槍使用焦爐煤氣和氧氣加熱真空室熔化冷鋼。RH不處理鋼水期間，先使用焦爐煤氣和氧氣混合加熱，真空室內鋼渣成液滴掉落時，轉為單獨氧氣加熱。每次吹掃15 min，吹掃3～5次，可較快去除真空室內的冷鋼。冷鋼熔化成液滴，沿插入管滴落形成“鋼溜”，鋼水罐進站時容易刮壞插入管，因此，在最后一次吹掃時，降低頂槍槍位大流量加熱熔斷鋼溜。

2.1.2 涮洗RH真空室去除氧化物

涮洗RH真空室主要有兩個目的，一是涮洗冷鋼，二是清理真空室內氧化物。確定涮洗冷鋼時，提前安排鋼種計劃，采用轉爐沸騰出鋼，出鋼溫度和氧含量均偏高控制。圖6為真空室內冷鋼涮洗前后的對比，涮洗后冷鋼脫落。冷鋼涮洗脫落和加廢鋼的降溫效果一樣，溫度損失為10～30℃。涮洗時要考慮冷鋼的增錳量，真空處理單項元素含量達到2%以上的鋼種，也需要用沸騰鋼涮洗，否則造成殘余元素超標。由于真空室內冷鋼是噴濺形成的，所以要高于常規鋼水的循環高度，涮洗時需要提升真空室內鋼水高度，提升方式主要有三種：一是按深真空模式處理；二是加大提升氣體流量；三是前期碳氧反應期加入增碳劑，增碳劑可顯著增加鋼水高度，但要適當控制增碳劑加入量和頻次，以防止噴濺過大。

圖6 真空室內冷鋼涮洗前后對比Fig.6 Comparison of Cold Molten Steel in Vacuum Chamber before and after Rinsing

涮洗真空室還能清理真空室內的氧化物，避免對高潔凈度鋼種產生影響。隨著用戶對鋼材質量要求的提升，有探傷要求的鋼種產量逐漸增多,此類鋼種都經RH處理。通過跟蹤分析RH處理鋼的探傷圖譜認為，探傷不合的主要原因在于夾雜物控制。因此，首先去除噴補料對鋼水潔凈度的影響，其次去除氧化性鋼渣對潔凈度的影響，不僅是真空室烘烤期間帶來的氧化物，還要處理沸騰鋼殘留在真空室底部的氧化性鋼渣。涮洗真空室一般采用轉爐鎮靜出鋼的鋼種，普通鎮靜鋼的頂渣TFe含量約5%，LF改質后低于2%，優先使用經LF改質的鋼種涮洗真空室，避免真空室對鋼水的二次污染。

2.1.3 檢測真空處理能力改善循環狀態

RH真空度測試是檢測真空處理能力的重要措施，一般分為冷試和熱試。不處理鋼水測試稱為冷試，用于測試真空泵能力。處理鋼水測試稱為熱試，可以檢測真空主閥之后的系統漏氣程度，還可以檢測插入管的循環情況。通過處理沸騰鋼檢驗脫碳效果判定插入管的循環效果，沸騰鋼的出鋼碳含量約為0.04%～0.05%，RH真空主閥開啟后處理10 min一般小于0.006%。保持鋼中氧含量大于200×10-6，脫碳10 min取樣，如果碳含量大于常規值，即表明循環不好。在生產超低碳鋼和合金加入量大的鋼種前，必須檢驗插入管的循環狀態。

2.2 調整鋼水溫度控制

安排真空室首罐處理其他鋼種之后，再處理重點鋼種。工藝路線為先LF后RH的重點鋼種，RH處理過程溫度調整范圍為0～10℃，真空室后續罐次的預測溫降比前期低4～6℃。結合處理過程溫降規律和生產組織時間確定合理的LF搬出溫度，減少RH調整溫度的次數。

3 取得的效果

采取上述措施后，鋼水溫度控制合格率由82%提高至95%以上。鋼水成分控制精度顯著提高，表現在三個方面，一是合金收得率穩定，合金能夠順利加入到真空室內，真空室內的氧化性氣氛大部分去除；二是避免冷鋼掉落，尤其是錳成分上限要求極為嚴格的鋼種；三是碳、氮元素控制嚴格的鋼種選用循環效果好的真空室后，碳、氮元素含量得到穩定控制。鋼水成分控制合格率達到了100%。重點鋼種探傷合格率由90%提高至98%。

4 結語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部RH真空室使用過程中，由于結渣和夾雜物控制不理想影響了鋼水質量。分析認為，插入管噴補后回磷、真空室烘烤后氧化物增多、真空室鋼水噴濺形成冷鋼等均對鋼水質量影響很大。采取了真空室吹掃去除冷鋼、真空室涮洗去除氧化物、檢測真空處理能力提高循環狀態等措施后，鋼水溫度控制合格率由82%提高到95%以上，鋼水成分合格率達到100%，重點鋼種探傷合格率由90%提高至98%。