RH处理超低碳钢中总氧含量预报模型

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RH处理超低碳钢中总氧含量预报模型

秦哲，孙彦辉，成国光，蔡开科

(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)

摘要：根据300 t钢包RH真空处理超低碳铝镇静钢工业生产数据，建立了RH处理过程钢中总氧含量(氧化物夹杂含量)的预报模型。模型综合考虑了RH脱碳结束时钢中的初始氧[O]。及钢包渣中(FeO MnO)的质量分数、吹氩流量、真空度、处理时间等因素的影响。模型计算值与实测值误差为±(3．5～8．0)％，说明该模型是可信的；利用模型分析讨论了RH操作过程的工艺因素对钢水总氧含量的影响。

关键词：RH处理；[O]；铝镇静钢；预报模型

中图分类号：TFl3 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2009)11—0035—06

随着汽车、家电等行业的迅猛发展，对于具有良好的冲压加工性能和表面质量的低碳、超低碳铝镇静冷轧薄板产品需求也在日益增加。RH真空精炼工艺以其良好的脱碳脱气能力，强烈的搅拌钢水以促进夹杂物上浮而生产高洁净钢，在生产超低碳铝镇静钢方面得到了普遍的应用^[1-2]。

本文针对300 t钢包RH真空处理超低碳(ω([C])<30×10^-6)铝镇静钢的生产试验数据，建立了RH处理过程中钢中氧含量的预报模型。综合考虑了RH脱碳结束时钢中的初始氧[O]₀及钢包渣中(FeO MnO)含量、吹氩流量、真空度、处理时间等因素的影响，并对优化RH操作进行了讨论。

1 RH处理钢中总氧含量预报模型的建立

1．1模型建立的假设

(1)假设钢包中钢液混合充分；

(2)RH真空处理过程中空气不会对钢液产生二次氧化，即钢液不从大气中吸氮和氧；

(3)RH处理过程钢液中酸溶铝酸溶铝[Al]_s的二次氧化主要是由钢包渣中(SiO₂)、(FeO MnO)引起；

(4)RH处理过程中铝脱氧及钢液中酸溶铝[A1]_s的二次氧化产物全部为Al₂O₃夹杂。

1．2预报模型方程的建立

在生产ULC超低碳铝镇静钢时，RH脱碳达到目标碳含量(30～15)X 10^-6后向钢水中加入铝脱氧，钢中的溶解氧几乎全部转变为以Al₂O₃形式存在的脱氧产物，与钢液中酸溶铝酸溶铝[Al]_s平衡的溶解氧仅为(1～3)×10^-6，因此也可以用钢的总氧[O]_t含量反映钢中非金属夹杂物的含量^[3~5]。

在以上假设条件下，从钢水中总氧含量的平衡出发，钢水中夹杂物去除速率等于夹杂物上浮速率减去钢水中二次氧化生成夹杂物速率，建立钢液中表观脱氧速度方程为^[6]：

式中，ω([O]_t)为￡时刻钢中总氧含量，10^-6；k₁为夹杂物上浮去除的速度常数，1／min；k₂为钢液中二次氧化生成夹杂物速率，10^-6／min。

在t=0，ω([O]_t)=ω([O]₀)；t=t，ω([O]_t)=ω([O]_t)时，对式(1)积分整理得到式(2)。

2 模型的求解

(1)k₁的确定

夹杂物上浮速度常数k₁的确定，由试验数据整理得到。当t→∞时，ω([O]_t)→ω([O]_∞)，代入式(2)，有ω([O]_∞)=k₂／k₁，从而有：

式中，ω([O]₀)为RH脱碳结束时钢中溶解氧含量，10^-6；ω([O]_t)为精炼￡时刻钢中的总氧含量，10^-6；ω([O]_∞)为RH处理结束时钢水中理想总氧水平，10^-6；t为RH精炼时间，min。

假设生产时RH处理结束时钢中总氧最好水平达5×10^-6。这里近似取ω([O]_∞)=5×10^-6，

将本试验的6炉数据(表1)代入式(4)计算得出k₁，取其平均值得k₁=0．497／min。

在RH处理过程中，为促进夹杂物去除，降低钢水中总氧含量，应提高k₁值，影响夹杂物上浮去除速度是。的因素主要决定于钢水搅拌强度ε(吹氩流量、浸渍管直径、真空度、处理钢水量)，ε可用式(5)计算^[2]：

式中，Q为循环流量，t／min；D为浸渍管直径，cm；W为处理钢水量，t；ε为搅拌强度，W／t；钢液循环流量可由式(6)计算^[8]：

式中，Q为循环流量，t／min；G为吹氩流量，L／min；D为浸渍管直径，m；W为处理钢水量，t；ε为搅拌强度，W／t；P₁为大气压力，Pa；P₂为真空室压力，Pa。

本试验中浸渍管直径0．75 m，大气压力取101 325 Pa，真空室压力30 Pa，将已知的工艺参数代入式(5)、(6)，则得到现行生产条件下300 t钢包RH处理的钢水多组搅拌强度ε的值(表2)，然后与用式(4)计算的多组k₁值进行回归，得到夹杂物上浮去除速度常数k₁与搅拌强度ε的关系式(7)。

由此得：

K₁=3．998×10^-3×[D⁴×G×ln(P_l／P₂)]^0.5849 (8)

由式(8)可知，RH处理钢中夹杂物上浮速度常数k₁的影响因素包括吹氩流量、真空度和浸渍管内径。对于某RH设备，浸渍管内径是确定的，所以K₁的影响因素主要是吹氩流量和真空度，如图1所示，随着吹氩流量G的增加，夹杂物上浮速度常数K₁增加，随着真空室压力P₂的增加，夹杂物上浮速度常数k₁减少。由此可知，增加吹氩流量和提高真空度，夹杂物上浮速度常数k₁增加，有利于提高钢水洁净度水平。

(2)k₂的确定

由于二次氧化所造成的钢水再生夹杂物增加速度k₂^[9]，由钢液中酸溶铝[A1]_s的氧化速度忌。确定，依据酸溶铝[A1]_s氧化生成Al₂O₃的分子式有：

式中，k₃为钢液中酸溶铝[A1]_s的氧化速度，10^-6／min；α为钢／渣界面反应生成的Al₂O₃夹杂物在钢液中残留的比例。

钢液中酸溶铝[A1]_s的氧化速度k₃表示为：

k₃=a b ×ω(FeO MnO) (10)

式中，a为钢包渣中(SiO₂)对钢水中酸溶铝[A1]_s的氧化速度，10^-6／min；b为钢包渣中(FeO MnO)对钢水中酸溶铝[Al]_s的氧化速度常数，10^-6／min。

(3)a值的确定

a值由RH脱氧合金化后到RH处理结束时钢液中增硅量(Δ[Si])来决定，由钢包渣中(SiO₂)对钢液的二次氧化引起。RH处理前后钢中[N]含量是不增加的，还略有减少。所以影响a值大小的因素仅为渣中(SiO₂)对钢中酸溶铝[A1]s的氧化。钢中Δ[Si]可从化学分析得到，由式(11)可以计算出钢中酸溶铝[Al]_s被(SiO₂)氧化量(Δ[Al]_s)，从而得到a值。

3(SiO₂) 4 [AI]_s=2(A1₂O₃) 3[Si] (11)

将化学分析出的钢中多组Δ[Si]数值带入(11)中分别计算出Δ[Al]_s的变化值，由式(12)计算出多个a值，取其平均值。

a=Δω([Al]_s)／t (12)

式中，t为脱氧后钢水精炼时间，min。

本文测得试验中3炉钢水的增硅量分别为410×10^-6、180×10^-6、160×10^-6，脱氧后钢水的精炼时间为9 min，由式(11)、(12)计算得a值分别为58．57、25．71、22．86，取其平均值a=35．71×10^-6／min。

(4)b值的确定

钢包渣中(FeO MnO)对钢中酸溶铝[A1]_s的氧化，可以由RH脱氧合金化后到RH处理结束时钢液中锰的变化( [Mn])，结合式(13)计算。

3(FeO) 3(MnO) 4[A1]_s=2(A1₂O₃) 3[Fe] 3[Mn] (13)

钢中锰的增量△[Mn]可从化学分析得到，从而计算出酸溶铝的损失△[Al]_s，并令：

b×ω(FeO MnO)=△ω([AI]_s)／t (14)

从而有：

B=△ω([A1]_s)／t／(ω(FeO) ω (MnO))(15)

由化学分析得到RH处理前渣中(FeO MnO)含量，将其代入(15)计算出多组b值，取其平均值。本文的试验数据见表3，由表中数据取b平均值得b=0．298。

(5)α值的确定

以铝衡算确定α值，其计算思路如下：RH脱碳结束钢中溶解氧[O]₀含量由实际测量得到，假设向钢水中加入铝将其全部脱除生成Al₂O₃，所消耗的铝量△[A1]_l由式(16)通过化学计量关系计算得到；RH合金化后、RH处理结束时钢中的总铝[A1]_t、酸溶铝[A1]_s的含量由化学元素分析得到，可以计算出RH合金化后到RH处理结束时钢中酸溶铝因二次氧化所消耗的△[A1]_z；△[A1]₁加上△[A1]₂即为铝脱氧和酸溶铝二次氧化消耗的铝量；RH处理结束时钢中总铝[A1]_t含量减去酸溶铝[A1]_s的含量([A1]_t－酸溶铝[A1]_s)即为RH加铝脱氧合金化后到处理结束时残留在钢中Al₂O₃夹杂物中的铝量，所以α可由式(17)确定。

2[Al] 3[O]=Al₂O₃ (16)

式中，ω([A1]_t)为RH处理结束时钢中的全铝含量，％；ω([A1]_s)为RH处理结束时钢中的酸溶铝含量，％；△ω([A1]_l)为将RH脱碳结束后钢水中[O]₀全部脱除消耗的铝量，％；△ω([A1]₂)为钢中加铝后到RH处理结束钢中酸溶铝的损失量，％。

将测量和化学分析的每组数据带入式(17)计算出多个α值，取其平均值。本文计算得α=0．075。

将计算出的k₁、k₂代入式(2)整理得到式(18)，由式(8)、式(18)方程组构成脱氧模型。

3 模型的验证

将此模型开发成RH脱氧预报模型应用软件，由程序计算界面图可知，向软件界面输入RH脱碳结束时钢水初始氧含量[O]₀、初始(FeO MnO)含量、吹氩强度G、处理钢水量W、真空室压力P₁及环境压力P₂，即可计算出钢中总氧含量[O]_t随处理时间的变化曲线。

RH处理结束时钢中[O]_t含量实测值与用预测软件计算的理论值的比较见图2。由图2可知：在本研究生产条件下，RH处理结束钢中总氧实测水平[O]_t=(10～14)×10^-6 ，由总氧预测模型计算出的钢中总氧含量与实测值基本相当，除第3炉外误差在±(3．5～8．0)％之间，说明该模型是可信的。

4 预报模型应用

4．1 初始氧含量[O]₀对总氧的影响

RH处理脱碳结束时的初始氧含量越低，相同脱气时间内得到的[O]_t越低。由预报模型软件计算结果如图3所示，初始氧ω([O]₀)=500×10^-6处理8 min时钢中总氧为13×10^-6，初始氧ω([O]₀)=200×10^-6。处理8 min时钢中总氧为7×10^-6。所以RH处理脱碳终了的自由氧不宜过高，也就是说转炉冶炼终点钢中溶解氧含量应控制在一个合适的范围，不宜过高，避免RH处理时向钢中加入过多的脱氧剂而污染钢水。

4．2吹氩强度对总氧的影响

在RH精炼过程中，吹氩强度的大小对于提高精炼效率和钢水的洁净度有重要的影响。随着RH处理过程吹氩量的增大，较小尺寸的Al_2.O₃夹杂物更容易通过碰撞长大而上浮到钢包顶渣^[10]，但是吹氩量过大耐材所受的冲刷加重，容易造成卷渣而污染钢水，吹氩量过小，不能起到足够的搅拌作用。所以，合适的吹氩强度是非常重要的。

RH处理过程吹氩强度对总氧的影响见图4。由图4(a)可知，脱碳期吹Ar流量为1 400～1 500L／min，加铝后，为了加速夹杂物的上浮，吹Ar流量升高到1 700～1 800 L／min。图4(b)随着加铝后吹氩流量的增加，钢中总氧[O]_t呈下降趋势，加铝后不同吹氩流量情况下，处理结束时钢中总氧ω([O]_t)基本稳定在(10～12)×10^-6。