CN1650035A - 钢熔体的深脱碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在RH装置中用于使熔化钢脱碳的方法，其特征在于从由于依据在钢熔池中溶解的和在体系中存在的氧的自然脱碳在真空槽(2)中所放出的CO的增加开始，吹入按熔体中的起始碳含量和起始氧含量计算的需氧量，其中为开始吹氧过程按起始碳含量确定起动压力。

Description

钢熔体的深脱碳方法

本发明涉及一种在RH装置中用于使熔化钢脱碳的方法，该方法中钢以循环方式从一个容器流入设定为真空的真空槽并再返回到该容器，并借助于与位于该真空槽中的钢熔池表面有一定距离的吹管将氧或含氧气体吹到钢熔池上。

这种RH装置示于附图的图1中，它由容器1构成，容器1上设置有用于脱碳工艺的真空槽2，该槽以两个伸出其底部的浸没管8浸入位于容器中的钢中。真空槽2的接管3与未示出的真空泵相连接，依据这种在真空槽2中所设定的真空建立该钢从容器1到真空槽2并再由其返回该客器1的循环。该循环可通过经注入设备4向浸没管8之一中引入惰性气体如氩来增强。经在真空槽2中以可操作方式安装的吹管5将氧射束6吹到位于真空槽2中的钢熔池表面7上。

由于各种不同原因在该RH工艺范围内进行吹氧是适宜的。第一个原因是在容器中存在的熔体装料中溶解的氧含量不足以导致以自然的方式所需的脱碳；下面所述的发明就是依据这一事实。另一原因可能是该装料的温度太低，以致通过含氧装料的“过度降碳”会吸收比用于所需脱碳更多的氧，其中该附加吸收的氧通常经铝结合，这导致温度升高，或在有足够氧用于自然脱碳的情况下通过吹氧来加速脱碳。

该通常的吹氧过程是这样设定的，即在预定的固定设定的真空压力下，在熔池表面上吹未准确定量的氧，直至装料的所需脱碳度为至。这时吹氧过程通常以过量氧进行。

一种开头所述类的方法例如描述于EP 0347884中；在该已知方法中主要采用向RH装置的真空槽中吹氧，以通过下列方法尽可能减少在真空槽中的脱碳过的钢的热损失，即脱碳所放出的CO经紧接脱碳阶段的按前述方式引入的剩余氧后燃烧，使由此所得的热可用于该过程。特别是用于后燃烧的氧或含氧气体的吹入是通过废气量的边界条件(CO+CO₂)≥5％从及CO₂/(CO+CO₂)≥30％来定义。就这点而言在已知方法范围内所用的吹氧与该冶金过程和要求是不一致的。

因经脱碳的钢熔体的低的最终碳含量在现今冶金要求中处于重要地位，其在脱碳结束时的碳含量通常为10-15ppm，所以本发明的目的在于提供一种用于熔化钢脱碳的方法，用该方法可达钢中的低的最终碳含量，且用该方法可将吹入氧的需要量调得较小。

由说明书所附的权利要求的内容得出实现本发明目的的技术方案，包括其有利的实施方案及扩展方案。

本发明详细指出，从由于在钢熔池中溶解并在体系中存在的氧而导致的自然脱碳而在真空槽中所放出的CO的增加开始，吹入基于待脱碳的装料中的起始碳含量对起始氧含量的比而按下式

$O_{\mathrm{Dec}}=a\·{\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)}^2+b\·\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)+c$

计算的为脱碳所需的氧配量而按下式

$Q_{O_2}=\frac{[O_{\mathrm{Dec}}+O_{\mathrm{End\; Dec}}]\·G_{\mathrm{Ch}}}{{\mathrm{\ρ}}_{O_2}}$

计算的氧量，其中为开始吹氧过程，基于钢熔体的起始碳含量C_ini按下式

                 P_start＝a·C_ini ²+b·C_ini+c

确定在真空槽中设定的起动压力P_start，其中：

Q_O2         待吹入的氧量(Nm³)

O_Dec        脱碳所需的氧含量(ppm)

O_End Dec     脱碳过程终点时在装料中存在的氧含量(ppm)

C_ini             钢熔体中的起始碳含量(ppm)

O_ini             钢熔体中的起始氧含量(ppm)

G_Ch              装料重量(Kg)

ρ_O2             氧密度系数＝1.428Kg/Nm³

本发明考虑的是，基于自然脱碳应尽可能早地将氧引入到钢熔体中，以在钢熔体中还呈高碳含量时就通过提供足够的氧与钢熔体中溶解的碳反应生成CO，并从熔体中以气态放出，由此提高吹氧的效率。

本发明利用配料，即在考虑到供氧源如铁水包渣或在真空槽中粘附的钢结瘤情况下为装料脱碳所需的每单位重量装料的氧按特定装置可归于作为待吹入氧量的计算基础的已知量的熔体的起始碳含量与熔体的起始氧含量之比，由此可在考虑待脱碳装料的量(G_Ch)以及在吹氧过程结束时装料中的待设定的最终氧含量(O_End Dec)情况下推算出所需的氧量，并将其吹入。在通常过程情况下装料中最终氧含量一般为200-400ppm，平均为300ppm。最终氧含量小于200ppm时，该脱碳过程无必要地延长，因为可用的氧太少不能进行有效的继续脱碳。如果最终氧含量高于400ppm时，需大大增加脱氧剂特别是铝以结合熔体中的氧，因为必需结合脱碳终点时还存在于熔体中的氧。在太高的最终氧含量下所需要的脱氧剂会导致在熔体浇铸时起干扰作用的质量问题。

但按照本发明不仅要推算待吹氧的所需量，同时还要按与熔体中的起始碳含量相关而规定的起动压力来确定吹氧过程的开始，以使该吹入的氧量达到所说的后燃烧，并只要使借助于吹氧的脱碳过程在氧过量下出现的后燃烧开始前结束。

详细而言，为实施本发明方法其第一步是对要脱碳熔体的每次装料要按该熔体中的起始碳含量和起始氧含量计算待吹入的氧量。该为装料脱碳待吹入的氧量还与特定于装置的情况有关，因为为脱碳所需的氧量已部分包括取决于过程的氧源如在真空槽中粘附的钢结瘤或存在铁水包渣。因为通常的RH装置按其生产批量是处理具有基本相同组成的熔体，所以在运行RH装置过程中不会产生明显的偏差，所以可通过测试系列来推知该装置特定的情况包括测量数据的获取，并由基于此的近似运算加以确定。

在测试系列中通过吹氧使具有待获知其起始碳含量C_ini和起始氧含量O_ini的装料脱碳，其中就在脱碳过程终点前取样分析熔体的氧含量，并确定至此时为止实际吹入的氧量。为比较各个装料样品，以所需的最终氧含量例如300ppm作为参比值，根据所取样品中测定的实际氧含量与对比值(300ppm)的偏差将通过测量所得的实际吹入的氧量向上或向下换算或校正成与以对比量为依据的最终氧含量相关的吹入量Q_ist(Nm³)。将该上述结果画于坐标系中，其中横轴为比值C_ini/O_ini，纵轴为实际吹入的、需要时是通过校正换算的相关氧量Q_ist。至少要作10次实验以达所需准确度。

通过所得测量点在坐标系上画的曲线可由下列多项式表示：

            y＝ax²+bx+c

在上述情况下，由于在坐标系中所用参数，其y＝O_dec(ppm)，x＝C_ini/O_ini。多项式系数a、b、c表示在真空下进行的脱碳过程中推算实际氧需求量时以多大范围考虑了经与装置或过程有关的氧源得到的附加氧。

图3中示出为推算适于RH装置的有关多项式的相应实施例，其中在所基于的RH装置上对8次实验装料实施了脱碳过程。在图3给出的测量结果的图示导出通过参比点曲线所描述该结果的多项式：

        y＝-35.064x²+294x-230.37

其中系数各以单位(ppm)给出，以便得出对该装置的需氧量O_Dec：

$O_{\mathrm{Dec}}=-35.046{\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)}^2+294\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)-230.37\left[\mathrm{ppm}\right]$

如应用到具有起始碳含量C_ini＝400ppm、起始氧含量O_ini＝307ppm和待设定的最终氧含量O_End Dec＝300ppm的300吨熔体装料的实施例，在比例C_ini/O_ini＝1.30情况下得到：

         O_Dec＝-35.046·1.3²+294·1.3-230.37[ppm]

                O_Dec＝92.6ppm

由此得到需氧量Q_O2：

$Q_{O_2}=\frac{(92.6\mathrm{ppm}+300\mathrm{ppm})\·300000\mathrm{kg}}{1.428\mathrm{kg}/{\mathrm{Nm}}^3}$

$Q_{O_2}=\frac{0.03926\%\·300000\mathrm{kg}}{1.428\mathrm{kg}/{\mathrm{Nm}}^3}$

$Q_{o_2}=82.48{\mathrm{Nm}}^3$

如果将本发明所得的用于脱碳的需氧量与按图3对C_ini/O_ini＝1.3引入的实际氧量相比较，则得出明显的减少。相应前述实施例，对试运的和用多项式测试出的RH装置可依据每个待脱碳的熔体装料的分析值C_ini和O_ini来测出经吹管要引入的需氧量。

用于本发明的另一重要步骤在于，一旦达到依据熔体中的起始碳含量计算的阈值压力＝P_start时，应开始吹入计算量的氧。起动压力开始下降时，由于废气中的CO产生和相对于此的残余空气和泄漏中的高氧量，在自然进行的后燃烧时不再吹入另外的氧，但这时在继续进行的过程中该后燃烧速率会由于CO产生增加而下降。在这点上适于吹氧过程启动的起动压力P_start主要取决于熔体中起始碳含量。

起动压力也与取决于装置的参数有关。类似于在确定脱碳所需的需氧量时的前述方法，按本发明确定吹氧过程的起动压力也要首先通过进行试验系列以确定装置特定的影响包括获取测量数据，并由在此基础上的近似运算形式进行确定。

在试验系列范围内，观测具有各种起始碳含量的装料在其CO产出中的压力下降，这时获得最高的CO置换(CO峰)(Nm³)和与CO产出相关的压力P(mbar)。将该测量结果绘于坐标系上，坐标系的横轴是起始碳含量C_ini，左纵轴为压力P，右纵轴为CO产出。应重新再作10次试验以达到所需准确度。

通过所得测量点在坐标系上画出的曲线可用下面多项式给以数学描述：

          y＝ax²+bx+c

其中在前述情况下，y＝P_start，x＝C_ini。多项式的系数a、b、c再次考虑了确定CO峰的与装置特定的参数。

图4中示出依据实施例的前述情况，其中总共进行了12次装料。通过测量点所画的曲线导出下列多项式：

         y＝-0.0002x²+0.2159x+118.01

应用起始碳含量C_ini＝400ppm的实施例得出下式的相关起动压力：

P_start＝-0.0002·400²+0.2159·400+118.01

        P_start＝172.4mbar

在该起动压力下，必须吹入82.48Nm³的计算氧量，以在发生后燃烧前完成吹氧过程。

在实际转换过程中确定开始吹氧过程的起动压力时，必须考虑循环开始和吹氧开始之间的延迟。该时间间隔包括自动化过程的触发、吹管起动和从保护气体运行到吹氧运行的转换。根据装置的结构该时间延迟例如达45秒。只要该时间间隔也可用循环开始到吹氧开始时的压力差来表示，则该压力差在确定P_Start时也需加以考虑。

吹氧过程的持续时间除规定需氧量外还可经监测后燃烧来控制，因为以30％的后燃烧率作为吹氧过程终点的阈值，高于此值从冶金和脱碳率看吹氧已不再有效，而在现有技术中仅起尽可能降低脱碳钢的热损失的作用。首先，在最佳调节其余运行参数的情况下，在脱碳期间吹氧本身会导致由钢熔池放出的CO的部分后燃烧。吹氧期间的后燃烧率与从熔体中的CO释放直接相关。该后燃烧的比例按脱碳率不同而或多或少增加，其中明显的是，如果脱碳率下降从而CO释放下降，则在吹氧过程中后燃烧增加。因此吹氧的最佳运行范围随达阈值压力P_start开始；这时最佳运行范围随熔体中的较高起始碳含量而延长。详细而言，特别是在吹氧终端时以监测真空槽中产生的真空压力作为信号，以由小的后燃烧维持最佳的氧取用率。实际上，在规定的真空泵的抽吸功率下，真空槽中的压力水平与释放的气体量相关，这时处理过程期间废气中的CO含量与熔体的起始碳含量有关。因此在同样的吹氧条件下，真空槽内的真空压力越低，其在给定压力下的后燃烧率越高。这可通过压力降低随逐渐变少的CO释放而发生来理解。

此外，吹氧效率还与氧向钢熔体中的吹入有关，因为与现有技术不一样，释放的CO的后燃烧发生在熔池液位上面，而吹入的氧溶解在钢熔体中，以与熔体中溶解的碳反应。氧取用率即熔池中溶解的氧与吹到熔池表面的氧的比例在各个别情况下主要与RH装置中吹管位置的高度、熔体液位的自由表面、RH装置的直径和熔体通过RH装置的循环率有关。通常该氧取用率约80-90％，以致在实际的吹氧过程的反应中，在考虑到前述的氧取用率的情况下要将该计算所得的氧量Q_O2相应提高。

氧的取用率还受吹管喷嘴结构影响，该喷嘴应以密集成小表面的较高速度的氧射束入射熔池表面，由此使氧足够深的进入到通过循环维持运动的钢熔体中。为此按本发明的实施例，打算用Laval喷嘴结构的吹管喷嘴来产生具有超声速度的吹氧射束。理想情况下到入射到熔池表面均保持为细长的圆柱体，并且不发散。相应也可调节吹管喷嘴到钢熔池液位的距离，该距离维持在2.5-5.5米的已知范围内。

为使喷嘴几何形状与吹氧过程参数变化能至少有一定的适配，拟采用在其构型上可借助于各种调节锥面来改变吹管喷嘴，该吹管喷嘴示于附图的图2中。如果该调节锥面11处于以位置1给定的位置，则意指完全打开的喷嘴截面12，由此该Laval喷嘴10按所给定的设计点运行。如果该调节锥面11处于位置2，则该喷嘴的几何形状呈较小的反压；当然在保持前压不变时经喷嘴的通过量变小。

在上述描述中对权利要求、摘要和附图所公开的本资料的特征对以单个地也可以相互组合方式以各种实施方案来实现本发明可能是重要的。

Claims (4)

1.一种用于在RH装置中使熔化钢脱碳的方法，该方法中钢以循环方式从一个容器(1)流入设定为真空的真空槽(2)并再返回到该容器(1)，并借助于与位于真空槽(2)中的钢熔池的表面(7)有一定距离的吹管(5)将氧或含氧气体吹到钢熔池上，该方法的特征在于，从由于在钢熔池中溶解并在体系中存在的氧导致的自然脱碳而在真空槽中所放出的CO的增加开始，吹入计算量的氧，该氧量按照基于待脱碳的装料中的起始碳含量对起始氧含量的比按下式

$O_{\mathrm{Dec}}=a\·{\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)}^2+b\·\left(\frac{C_{\mathrm{ini}}}{O_{\mathrm{ini}}}\right)+c$

计算的为脱碳所需的氧配量而按下式

$Q_{O_2}=\frac{[O_{\mathrm{Dec}}+O_{\mathrm{End\; Dec}}]\·G_{\mathrm{Ch}}}{{\mathrm{\ρ}}_{O_2}}$

计算得到，其中为开始吹氧过程，根据钢熔体的起始碳含量C_ini按下式：

$P_{\mathrm{start}}=a\·{C_{\mathrm{ini}}}^2+b\·C_{\mathrm{ini}}+c$

确定在真空槽中设定的起动压力P_start，并且其中吹氧过程在达废气量的边界条件(CO+CO₂)＝5％以及CO₂/CO＝30％时结束，其中：

Q_O2    待吹入的氧量(Nm³)

O_Dec        脱碳所需的氧含量(ppm)

O_End Dcc     脱碳过程终点时在装料中存在的氧含量(ppm)

C_ini        钢熔体中的起始碳含量(ppm)

O_ini        钢熔体中的起始氧含量(ppm)

G_Ch         装料重量(Kg)

ρ_O2        氧密度系数＝1.428Kg/Nm³。

2.权利要求1的方法，其特征在于，用密集的来自吹管喷嘴(10)的吹氧射束(6)以较高速度喷射在真空槽(2)中的钢熔池的熔池表面(7)上。

3.权利要求2的方法，其特征在于，将在吹管喷嘴(10)中产生的吹氧速度调节到超声速度。

4.权利要求2或3的方法，其特征在于，采用具有可通过移动定位锥面(11)改变运行范围的吹管喷嘴(10)，以致在真空槽中较小的反压下维持由吹管喷嘴(10)产生的吹氧射束的超声流。

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