VD生产低碳%2f超低碳钢的现状及在宝钢的开发前景pdf

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　　2005年第1期 宝 钢 技 术 35 静，驴，t0≯舻—E扩护·自 奄研究与开发§ 眵、伊、{伊‘、‘尹、{0}驴、o VD生产低碳／超低碳钢的现状及在宝钢的开发前景 尹小东1，黄泽1，顾文兵2 (宝钢股份公司 1．技术中心，上海201900；2．炼钢厂，上海200941) 摘要：阐述了vD脱碳工艺的研究进展及采用vD生产低碳／超低碳钢的实践情况，理论分 析及试验研究表明，在vD装置上生产低碳／超低碳钢种是完全可行的。在宝钢开发VD脱碳 工艺，实现电炉单元对低碳／超低碳线材的生产，具有深远的意义。 关键词：VD；低碳／超低碳钢；线文献标识码：B Steel谢th ProductionStatusand LC／ULC Prospect‘of DeVelopment Baosteel Vacu啪Degasser(VD)Technolo斟at GU 删蕊口D-咖馏1日￡，A^恰历增-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眦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 炉单元没有钢水脱碳精炼工艺，因此无法进行极 vD(vacuumDegasser)是一种应用广泛的真空低碳和超低碳钢的生产。利用宝钢电炉单元现有 精炼设备，具有良好的脱氢、脱氧、脱碳、脱氮和脱 设备，开发VD脱碳工艺，不仅可以解决超低碳线 硫等功能，在目前的高质量钢生产中发挥着重要 材生产的问题，也为以后的品种开发提供更好的 作用。国内VD则多被用作钢水的脱氢、脱氮等 条件。 目的，而实际上vD处理过程同样具有良好的脱 碳动力学条件，国外部分钢厂已有采用VD生产 2、m脱碳机理 极低碳或超低碳钢的实践，并达到了很好的处理 关于真空脱碳理论，国内外许多学者已做了 效果u~3J。国内此项工艺技术正处于开发之中。 深入的研究，并提出了很多脱碳模型¨娟J。一般 t 宝钢电炉单元拥有1座150EAF、1座LF、1认为VD脱碳过程存在三个脱碳机制：氩气泡表 套VD和l台六流方(圆)坯连铸机，目前主要采面的脱碳、钢液内部cO气泡脱碳、钢液表面 用EAF—LF—VD—CC或EAF—LF—CC工艺生产的脱碳。 油井管和弹簧钢等中碳或高碳系列钢种。而目前 2．1氩气泡表面脱碳 低碳线％)市场潜力很大，主要用 氩气由钢包底部透气砖吹入钢液，在钢液内 作标准紧固件、钢纤维以及低碳焊丝钢等，由于电 部形成局部的相对cO的气泡真空，气泡在上浮 过程不断发生脱碳反应，这一机制包括三个环 尹小东硕士 1976年生2002年毕业于包头钢铁学院现从 节旧j，如图1所示：钢液中碳、氧向反应界面的扩 事钢铁冶金专业 电线 散；界面化学反应；cO气泡向气相中的扩散。氩 万方数据万方数据 36 宝 钢 技 术 2005年第1期 气泡表面的脱碳可用以下动力学关系表示： 过饱和度急剧下降，到VD处理后期，三个脱碳机 制几乎达到了同一个水平，这时脱碳速度变得缓 警=姒[C]一[c]*)…………．(1) 慢。 其中，七。为碳由钢液侧向气泡表面扩散的传质系 0 数，由Higbie式确定，后c=2√Dc／棚；[c]，[c]” 8 分别为钢液中碳浓度和气泡表面的平衡碳浓度。 d 气液界面 6 4 s．芒糌艘罄婴 2 [c]。-[o]2=如。尸盎 O 一[c^[o]8=如。磕 O 5 10 15 20 25 时间／-in 图1 氩气泡脱碳的三个基本环节 图2 VD处理过程各脱碳机制对脱碳的贡献 Sketchofthree linksof Fig．1 elementary Contributionmadethedecarburizationmechanism Fig．2 by withArbubbles decarburization inthe ofVDtreatment process 2．2钢液内部C0气泡脱碳 在熔池内部，当钢液平衡cO分压大于钢水 3 vD生产低碳／超低碳钢的实践与研究 静压力时，在钢液内部会自发生成cO气泡，形成 3．1 采用VD生产低碳／超低碳钢的实践 cO沸腾区。cO沸腾区的深度与钢液的碳氧浓度 国外部分钢厂已有采用VD生产低碳／超低 以及真空度等有关bJ，可用以下关系式表示： ……(2) (钢包静空870mm)，月处理超低碳IF钢约5 日co=(Kco[％C][％O]一P，)／偌 钢液内部cO气泡脱碳速率与钢液中碳氧的 过饱和度成正比： 装置，年处理钢水量100万t，与已有的一套RH— OB装置并存，来增加超低碳钢的生产能力，同时 堡等：知，·K·(Kco[％c][％o]一P，)…(3) 满足对于RH处理较为困难的s、N含量更低的钢 其中，尼。为容积系数；K为过饱和度修正系数； 种的要求，处理钢水全部供板坯连铸[21； ＆o为碳氧反应平衡；P。为线钢液表面的脱碳 钢液表面的脱碳过程与氩气泡表面的脱 0．004％)18万tLlJ。 碳过程类似： vD与RH相比，在处理效率上，按传统的理 论和实践，RH比VD处理时间快5～10IIlin，但 警：南[cH]([c]H一[c。]H)………(4) 是，最近vD已开发了双罐双盖预抽真空的新工 其中，五[c，H]为碳由钢液向表面的扩散系数； 艺，可节省时间约5IIlin，同时节省座罐、接吹氩 [c]H，[c。]H分别为钢液表面的碳浓度和平衡碳 管、测温取样等辅助时间4～5min，因此，采用VD 浓度。 新工艺处理时间与RH相当心J，整个周期可控制 2．4各脱碳机制对vD脱碳过程的贡献 在40lIlin左右。 图2为VD处理过程中各脱碳机制对整个 3．2影响VD脱碳的主要操作和设备因素 VD脱碳过程的贡献。从图中可以看到，VD脱碳 (1)真空度 过程主要是依靠钢液内部的cO气泡脱碳，氩气 真空度是VD脱碳过程中一个非常重要的参 泡脱碳以及钢液表面的脱碳贡献相比较小。 数。一方面，真空度大小直接影响VD的脱碳速 钢液内部cO气泡脱碳是与钢液中碳氧的过饱和 率，真空度愈高，即真空室压力愈小，脱碳速度愈 度相关的，VD处理初期，当真空室的压力降低到 快。从图2可以看到，钢液内部C0气泡脱碳是 一定值时，钢液内部cO气泡脱碳便占据了主导 vD脱碳过程的主要机制，而CO气泡脱碳与钢液 地位，但随着钢中碳、氧含量的降低，钢中碳氧的 中碳氧的过饱和度成正比，真空室压力P。越小， 万方数据万方数据 尹小东等 vD生产低碳／超低碳钢的现状及在宝钢的开发前景 37 则cO沸腾区的深度越大，脱碳速率也越快。另 一方面，从脱碳热力学角度分析，真空度也决定了 VD处理过程所能达到的最终碳含量，由碳氧平衡 可得：[％C]=P，／(&o·[％O])，P。越小，则所能 达到的最终碳含量越低。图3和图4为作者在 500妇真空炉上所做的脱碳试验结果，试验 过程中逐步降低线中可以看到， 在线kPa时，脱碳速率很慢，熔池 中只有少量的CO气泡生成；降低线Pa时，反应速度陡增，熔池表面可以看到大量 图4 500 kg真空炉的脱碳过程 的CO气泡生成。图4是试验过程中钢中碳含量 500 Decarburizationinthe Fig．4 process kg 的变化，从图中可以看到，在处理初期，由于钢液 vacuuminductionfhmace 中碳氧含量高，脱碳速率较大，随着碳含量的降 低，脱碳速率迅速减小，从图中可以看到，在 26．6 kPa真空室压力的后期，脱碳速率已变得很 慢，逐渐降低真空室压力，脱碳速率又有所提高。 500 图3 kg真空炉降低线 吹氩量对VD脱碳过程的影响 熔池表面的变化情况 E妇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)钢包净空高度 (b)[％c]=0．006，[％O]一O．05，P，=266PaVD处理过程中，吹氩搅拌使钢水状态非常活 跃，如果钢包的净高度不够，在大吹氩量下就 (2)吹氩量 可能发生钢液喷溅或溢渣等异常情况。一般钢包 图5为吹氩量对VD脱碳过程的影响，增大 200 净高度要求至少在800～1mm，否则就会 吹氩量在一定程度上可以提高VD的脱碳速率， 吹氩量的提高，降低VD的脱碳处理能 降低终点碳含量，一方面氩气泡本身具有一定的 脱碳能力，同时，通过氩气的搅拌，加速了碳由富 力¨2 —700 集区向反应界面的转移。据Dosco钢厂的生产 mm，通过对真空室顶盖的，使净 500 实践情况，保持原工艺不变，提高吹氩量后使产品 空高度达到l mm，吹氩流量的可控范围大大 的终点碳均能在0．003％以下，同时使总的处理提高，改善了vD脱碳处理效果。宝钢钢包 200 时间有所减少。 净空高度为1 mm，可以适应大吹氩量下的钢 但在VD处理初期，由于钢液中碳氧浓度较 液面波动的影响。 高，脱碳速率很快，大量的C0与氩气共同作用会 (4)其它方面因素 加剧熔池的沸腾，如果吹氩量和真空度控制不当， 除上述提及的几个因素外，进VD前钢水的 容易造成钢液喷溅或溢渣，因此应该采用先低后 初始氧位和初始碳含量的控制也相当重要。钢水 高的吹氩制度，这样既不会影响总的脱碳效率，又 中的氧不仅要为碳氧反应提供充足的氧源， 会使终点碳含量比正常情况低0．0003％～ 又要控制脱碳结束钢水中的氧量不能太多， 0．0005％。 否则将消耗过多的脱氧剂，增加成本，也容易使钢 万方数据万方数据 38 宝钢 技 术 2005年第1期 水的度降低。通过现场经验判断，电炉吹炼 结束时，钢水中的氧量一般要比平衡氧量多 种方法无论在可行性、经济性还是安全性上都存 0．01％～0．02％，按照这样的规律，如果电炉吹炼在很大的问题，且采用此工艺生产极低碳钢根本 结束钢中碳含量过高(如[％C]0．06)，则钢水中没有可能。因此，必须开发电炉出钢后的钢水脱 自身的溶解氧就无法满足VD脱碳的需要，这时 碳精炼工艺技术，在VD装置中利用钢水碳脱氧 就需要通过调节炉渣的氧化性来实现渣向钢水的 反应，开发vD脱碳工艺是目前在电炉单元实现 供氧；如果电炉吹炼结束钢中的碳含量很低(如 低碳／超低碳钢生产较可能的方法。由于采用了 [％C]0．02)，则此时钢中的溶解氧将大大高于碳脱氧工艺，可以适当降低处理结束钢中的 vD脱碳的需求，因此应该在进vD前先对钢水进氧含量，减少用于钢水脱氧的铝消耗，从源头上降 行预脱氧，以控制钢水的氧、碳含量在合适的水 低了钢水中夹杂物的总量，可以实现钢中夹杂物 平。因此，从经济性和安全性等多方面考虑，电炉 的有效控制，提高产品质量。开发VD脱碳工艺， 出钢最好控制钢水碳含量在O．03％～O．06％之不仅能实现电炉在低碳系列覆盖线材产品的目 间。另外，溢渣状况也和钢水表面的熔渣特性有 标，也能为今后低碳线材的开发和质量的提高提 关，降低熔渣的储泡能力，能有效减少溢渣情况的 供有效的手段。 发生。 开发vD脱碳工艺，重点要解决以下几个技 术关键：进VD前钢水氧位和碳含量的控制；VD 4宝钢状况 吹氩制度及真空制度；相应钢包渣的控制等。采 4．1设备状况及现行工艺 用VD生产低碳／超低碳钢种，还要对原有的工艺 宝钢股份vD装置的主要技术参数见表1。 的工艺线，或采用EAF—VD—CC的工艺线， 表l宝钢股份、，D装置主要技术参数 以避免LF过程的增碳。 Table1 Maintechnical of p眦meters thevacuum atBaosteel degasser 5结语 项目 技术参数 真空脱气装置类型 固定真空罐式 通过理论分析与实验研究以及国外一些钢厂 处理钢水量／t 150 的生产实践表明，在vD装置上生产低碳／超低碳 线 钢种是完全可行的。开发vD脱碳工艺，对扩大 极限线 抽气速度(从大气压到66．7Pa)／tIlin 6 低碳／超低碳钢的生产能力，以及拓宽品种范围都 吹氩流量范围／L·lIlin‘1 O一600 具有十分重要的意义。就宝钢目前状况还无法进 钢包净高度／一 l200 行极低碳线材的生产，开发VD脱碳精炼工艺，不 仅可以实现电炉在低碳系列覆盖线材产品的目 目前宝钢电炉单元产品主要为油井管钢、高 标，也为今后低碳线材的开发和质量的提高提供 压锅炉管钢以及冷墩钢、硬线钢等，生产采用EAF 了有效的手段，具有极其深远的意义。 —LF—vD—CC或EAF—LF—CC工艺线。因 为没有开发钢水脱碳精炼工艺，电炉单元只能生 参 考 文 献 产中碳和高碳系列钢种，碳含量基本都在0．06％ 1 sun，M8IlllⅪ1a Pr舯tice 7I’om鹊Kun，Stallley Trinh．EqIlipInem蚰d 以上。 Enh蚰cementsatDofI据coVacuum forULcSteel．Imn＆ D89够T肌k 4．2宝钢vD开发低碳／超低碳钢生产工艺的前 Steel Teclulology，2004，(4)：2l一27． 景 宝钢电炉单元的现行工艺，由于没有脱碳精 (4)：26—27． 3 DidierHuin，Hubert ofV8cuumDecarburi扭- Sain-Ray咖nd．Ⅺnetics 炼处理过程，只能生产中碳和高碳系列钢种，使产 tionofULCsteels．2001STEELMAl(INGCONFERENCEPROCEED． 品规格受到了。而目前低碳线材(C INGS。200l：60l～611． 0．04％)市场潜力很大，主要用作标准紧固件、钢4 北村信也，矢野正孝．DecarburizationModelforVacuum Degasser． 纤维以及低碳焊丝钢等。就宝钢电炉现行生产工 铁＆钢，1994，80(3)：31～36． 艺，要生产低碳钢种，必须利用电炉将碳脱至相当 (下转第52页) 万方数据万方数据 52 宝 钢 技 术 4结论 微米钢。亚微米晶粒是接近等轴状的，其中钢板 心部的平均晶粒直径约0．6肚m。 (2)所制备的亚微米钢呈现出很高的组织稳 定性，能够承受450℃的退火而无明显的晶粒长 大。即使在550℃退火，其晶粒尺寸仍然在亚微 米级。 (3)如此高的组织稳定性来源于亚微米钢中 图3 450℃退火态钢板心部的 存在的大量弥散纳米析出相的钉扎效应。纳米析 透射电子显微镜明场像 出相具有30nm和10nm两种不同的尺寸级别。 center ATEM field atthe ng．3 bright image oftllesheetannealedat450℃ 图4 450℃退火态钢板的原子力显微镜形貌像和相位像 AFM and ofthesheetannealedat450℃ Fig．4 topogmphicphaseimages tainN如0．St兀lcturedBlllkkw—Car_bonSteelwith 参 考 文 献 Superior 1 TsujiN，sait0 Grained Propeny．Scr．Mater．，2002，46(3)：305—310． Y，Ut8unomiyaH，TaIligawa甜以．Ultm-Fine AccuⅡlulative 5 宋洪伟．微米、亚微米与纳米超细晶粒钢的研究进展．世界科 BulkS陀elPm“ced by Roll·Bonding(ARB)Process． scr．M砒er．，1999，40(7)：795—800． 技研究与发展，2002，24(6)：31—35． 2 H．Micm8tmctureaIldDef缶mationBe- 6 宋洪伟．纳米及亚微米钢铁材料的研究进展．2002年材料科学 BelyakovA，Sal【aiT，Miura 0f stainlesssteelProducedsevere havioIlrSubmicrocryst8lline304 by 7 Senu眦T．PresemStatIlsof蚰dFuture for PlasticDefomlation．Mater．Sci．En只．，200l，319—321：867—871． Perspective Researchinthesteel A即shi眦A蜘dAoki of SteelRe- Industry．ISUInt。2002，42(1)：1—12． K．PropertiesUltrafine·gminedby shearDef(删mtionofsideExtnlsion peaIed Process．Mater．sci．Eng．， 2002。A337(1—2)：45—49． 编辑刘宏娟 4 New蚰d Proce鹊toOb· 1kujiN，UejiR，Min嘲inoY．甜耐．ASimple (改稿日期：2004—10—11) (上接第38页) 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 编辑刘宏娟 6 ⅪSHIMOTOY。YAMAGUCHIK，SAKURAYAT．Decarburization (改稿日期：2004一ll一18) Re8ctioninUltra—10wCarbonIronMeltunderReducedPressure． 万方数据万方数据 VD生产低碳/超低碳钢的现状及在宝钢的开发前景 作者： 尹小东， 黄泽， 顾文兵， YIN Xiao-dong， HUANG Zong-ze， GU Wen-bing 作者单位： 尹小东,黄泽,YIN Xiao-dong,HUANG Zong-ze(宝钢股份公司,技术中心,上海,201900)， 顾文兵,GU Wen-bing(宝钢股份公司,炼钢厂,上海,200941) 刊名： 宝钢技术 英文刊名： BAOSTEEL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2005(1) 参考文献(6条) 1.Tomas Kun;Stanley Sun;Manh Kha Trinh Equipment and Practice Enhancements at Dosco Vacuum Degas Tank for ULC Steel 2004(04) 2.刘川汉 RH与VD/VOD二次精炼法的比较[期刊论文]-特殊钢 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 本文读者也读过(9条) 1. 童健民.盛光杰.TONG Jia-ming.SHENG Guang-jie 浅议提高VD效率的难题及对策[期刊论文]-中国冶金 2006,16(2) 2. 黄肇信.孙杰青.赵畔涛.杨一铭.张启柱.Huang Zhaoxin.Sun Jieqing.Zhao Pantao.Yang yiming.Zhang Qizhu SWRH67A、SWRH72A盘条的试制[期刊论文]-金属制品2002,28(5) 3. 林.周前.韩铁水.YANG Hai-lin.ZHOU Qian.HAN Tie-shui VD真空氧脱碳工艺 [期刊论文]-炼钢2005,21(5) 4. 徐世铮.A.Г.巴诺马连柯.XU Shi-zheng.A.Г.Ponomarenko 炉外精炼钢液用含氯气体脱氢的热力学分析[期刊 论文]-材料与冶金学报2006,5(3) 5. 白敬山.孟丽芳.李祥金G Li-ng.LI Xiang-jin VD真空系统原理 [期刊论文]-包钢科技 2003,29(z1) 6. 邢献强 油淬火回火合金弹簧钢丝用国产弹簧钢线材的现状及差距[会议论文]-2008 7. 唐律今 高速工具钢钢丝的生产[会议论文]-2005 8. 赵毅.向卫国.方国胜.刘若鹏.Zhao Yi.Xiang Weiguo.Fang Guosheng.Liu Ruopeng 提高制绳用钢丝力学性能均 匀性的措施[期刊论文]-金属制品2008,34(2) 9. 卫东.李寅.胡玉畅 炉外精炼真空设备及故障分析[期刊论文]-安徽冶金科技职业学院学报2005,15(1) 本文链接：

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