劉 建 馬玉民 周偉基 季益龍 張 彤 陳玉良

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

0 前言

鋼中存在一定量的氫會(huì)引起“氫脆”、白點(diǎn)和點(diǎn)狀偏析等缺陷，對(duì)鋼材性能、質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，減少和控制鋼中的氫含量，對(duì)提高特殊鋼的質(zhì)量至關(guān)重要[1-3]。在煉鋼全流程中，鋼液中的氫主要來(lái)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(tài)鋼水中的溶解度遠(yuǎn)大于在固態(tài)鋼中的溶解度，因此在鋼液澆注前對(duì)鋼液進(jìn)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(gè)工序，因其擁有超低極限真空度和較強(qiáng)的氣液兩相對(duì)流等特點(diǎn)，具有很好的脫氫能力[6]。近年來(lái)，多數(shù)鋼種對(duì)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(jīng)過(guò)真空處理。故筆者結(jié)合某特鋼廠RH實(shí)際設(shè)備參數(shù)從脫氫熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等角度分析和計(jì)算；同時(shí)，從RH真空處理前初始?xì)浜坑绊懸蛩?、極限真空保持時(shí)間等角度進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合鋼種對(duì)氫含量的要求進(jìn)行工藝優(yōu)化，在保證氫含量的同時(shí)，提高RH生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供一定的理論和實(shí)踐參考。

1 RH參數(shù)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(dá)到極限真空度67 Pa，最低真空度可達(dá)到20 Pa。極限真空保持時(shí)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(shè)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(yàn)的理論基礎(chǔ)

2.1 脫氫熱力學(xué)分析

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

其平衡常數(shù)或溶解平衡常數(shù)為：

式中：aH——?dú)湓阡撘褐谢疃?；fH——?dú)涞幕疃认禂?shù)；kH——?dú)湓阡撘褐腥芙鈺r(shí)的平衡常數(shù)；PH2——?dú)庀嘀袣涞姆謮毫Γ?Pa。

式（2）可以變?yōu)?/p>

當(dāng)鋼中其他元素含量較少時(shí)，氫的活度系數(shù)fH≈1，則式（3）演變?yōu)?/p>

氫的平衡常數(shù)或溶解平衡常數(shù)kH為溫度的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系式為[9]

式（4）和式（5）為Sieverts定律（或平方根定律），由該式可計(jì)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(gè)大氣壓條件下，由式（4）和式（5）可計(jì)算出氫的溶解度為26.8×10-6，因此式（4）可以改寫(xiě)為

式（6）說(shuō)明在一定的溫度下，鋼中氫的溶解度隨壓力變化的規(guī)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(guān)系，如圖3所示。

圖3 鋼液中氫含量隨真空度的變化關(guān)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(jù)式（6）計(jì)算氫在不同分壓下鋼中的飽和溶解度，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，當(dāng)真空度為100 Pa時(shí)，氫在鋼液中的飽和溶解度為0.84×10-6；當(dāng)真空度為67 Pa時(shí)，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(yīng)產(chǎn)物為氣體狀態(tài)，按照熱力學(xué)平衡移動(dòng)原理，隨著體系真空度PH2的不斷降低，脫氣反應(yīng)不斷進(jìn)行，這說(shuō)明降低體系的氣相壓力PH2是實(shí)現(xiàn)脫氫的原動(dòng)力[10]。

2.2 脫氫動(dòng)力學(xué)分析

利用化學(xué)熱力學(xué)原理，可以計(jì)算出RH脫氫的反應(yīng)方向和脫氫反應(yīng)限度，要研究脫氫反應(yīng)的速度和達(dá)到反應(yīng)的時(shí)間，需要從脫氫動(dòng)力學(xué)角度分析。

氫在鋼液中的濃度很小，形成氣泡的析出壓力遠(yuǎn)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(guò)向鋼液表面吸附，轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子，再向氣相中排出：[H]=H吸，2H吸=H2。

真空中鋼液的脫氫過(guò)程由3個(gè)環(huán)節(jié)組成[11]：（1）鋼液中溶解氫原子向鋼液-氣相界面擴(kuò)散過(guò)程；（2）交界面化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，即表面吸附的氫原子相互作用，結(jié)合成氫分子；（3）氣相傳質(zhì)過(guò)程，即氣體氫分子從表面脫附擴(kuò)散至氣相中，并被真空泵抽出。由于 RH 精煉裝置內(nèi)較強(qiáng)的氣液兩相對(duì)流現(xiàn)象，氣相傳質(zhì)過(guò)程和界面化學(xué)反應(yīng)是非常快速的，因此溶解氫在鋼液中的傳質(zhì)過(guò)程是RH脫氫過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)[12]。RH脫氫反應(yīng)原理如圖4所示。

圖4 RH脫氫反應(yīng)原理

脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為[13]：

2.3 極限真空保持時(shí)間與真空環(huán)流因數(shù)的關(guān)系

鋼水循環(huán)流量指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)真空室的鋼水量，影響循環(huán)流量的因素有浸漬管內(nèi)徑、真空室內(nèi)徑和提升氣體流量。循環(huán)因數(shù)是指鋼液在真空處理時(shí)，通過(guò)真空室的鋼水量與鋼包中鋼水量之比。循環(huán)因數(shù)公式[13]為：

式中：W——鋼水循環(huán)流量，t/min；V——鋼包容量，t；t——脫氣時(shí)間，min；μ——循環(huán)因數(shù)，一般推薦選用4～5。

循環(huán)流量公式為[14]：

式中：W——鋼水循環(huán)流量，t/min；a——常數(shù)，取0.02；a——上升管內(nèi)徑，cm；G0——循環(huán)氣體流量（通過(guò)上升管內(nèi)驅(qū)動(dòng)氣體量），Nm3/h。

一般情況下，鋼包容量為30～120 t時(shí)，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(nèi)徑為400 mm，循環(huán)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(shù)代入式（9）中，得出 =67.80 t/min。將W值代入式（8）中，當(dāng)t=15 min時(shí)，μ=9次；當(dāng)t=10 min時(shí)，μ=6.2次。若按照循環(huán)因數(shù)取4～5，計(jì)算得出的真空脫氫時(shí)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(shí)間為15～20 min，加上抽真空時(shí)間3～5 min，循環(huán)因數(shù)遠(yuǎn)大于5，滿足實(shí)際要求。

3 初始?xì)浜坑绊懸蛩嘏c脫氫效果分析

3.1 轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量與氫含量關(guān)系

入爐原材料的水分或結(jié)晶水是鋼中氫的主要來(lái)源之一，因此為了排除入爐原料對(duì)試驗(yàn)的影響，轉(zhuǎn)爐出鋼之后只加入少量脫氧劑（可以認(rèn)為是在同等入爐原材料的條件下），進(jìn)LF工位后對(duì)鋼水中的氫含量進(jìn)行在線測(cè)定。試驗(yàn)中采用Heraeus Multi-lab Hydris在線定氫儀測(cè)定鋼水真空處理前的氫含量，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼分別選取30爐測(cè)定其LF進(jìn)站時(shí)的鋼水氫含量，轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量與鋼液氫含量關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量與鋼液氫含量關(guān)系

從表2可以看出，30爐高碳鋼的初始?xì)浜吭?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?xì)浜吭?.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?xì)浜吭?.2×10-6～5.5×10-6，平均氫含量為3.58×10-6。由此說(shuō)明，在同等入爐原材料的條件下，轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量與氫含量存在一定關(guān)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?yàn)樵陧數(shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中，轉(zhuǎn)爐冶煉中伴隨底吹氬過(guò)程，每一個(gè)氬氣泡相當(dāng)于一個(gè)真空室；同時(shí)，轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程是脫碳反應(yīng)，強(qiáng)烈的碳氧反應(yīng)產(chǎn)生大量CO氣泡，每一個(gè)CO氣泡相當(dāng)于一個(gè)真空室，其中氣泡中的氫分壓極低。伴隨著強(qiáng)烈的脫碳反應(yīng)和底吹氬氣泡，鋼液中溶解的氫持續(xù)地向氣泡中進(jìn)行擴(kuò)散，隨氣泡的上升逸出而實(shí)現(xiàn)脫氫[15]。

3.2 初始?xì)渑c鋼種合金成分的關(guān)系

在轉(zhuǎn)爐出鋼后和精煉爐工序加入的合金量對(duì)真空處理前鋼水的初始?xì)浜坑泻艽笥绊慬16]，合金中含有一定水分，大量加入合金會(huì)導(dǎo)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?xì)浜康年P(guān)系，對(duì)鋼中（Si+Mn+Cr+Ni+Mo）合金元素含量與初始?xì)浜窟M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 初始?xì)浜颗c合金含量關(guān)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?xì)浜吭礁摺Ｔ撲搹S對(duì)氫比較敏感的鋼種，例如大型鍛件718H，在轉(zhuǎn)爐出鋼后和精煉工序加入的合金需經(jīng)烘烤后方可使用。

3.3 RH脫氫效果與極限真空保持時(shí)間

從90 爐數(shù)據(jù)中選取10 爐（標(biāo)記為1#～10#），分別測(cè)定鋼水在RH真空處理前的初始?xì)浜?，極限真空67 Pa保持10 min、15 min和20 min的氫含量，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鋼水脫氫率，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4和表5。

為了更直觀表述不同極限真空保持時(shí)間與鋼液脫氫效果，將表4和表5數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間關(guān)系

表5 脫氫率與極限真空保持時(shí)間關(guān)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(cè)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(duì)氫含量要求比較嚴(yán)格的鋼種；極限真空度保持15 min后測(cè)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(dāng)極限真空保持時(shí)間延長(zhǎng)至20 min，測(cè)定的氫含量在0.8×10-6～1.1×10-6之間。這說(shuō)明極限真空保持時(shí)間越長(zhǎng)，脫氫效果越好。從而證明式（7）動(dòng)力學(xué)分析中，真空脫氫時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間的關(guān)系

圖6 脫氫率與極限真空保持時(shí)間的關(guān)系

另外，由氫含量與極限真空保持的關(guān)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(shuō)明脫氫主要是在前期完成，后續(xù)再繼續(xù)延長(zhǎng)極限真空保持時(shí)間，脫氫效果并不是很明顯。因此，針對(duì)RH真空下脫氫而言，極限真空度保持時(shí)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(nèi)，達(dá)到較為理想的冶煉效果。

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

考慮到鋼液脫氫效果和生產(chǎn)成本，建議該鋼廠對(duì)不同鋼種的白點(diǎn)敏感性和軋制規(guī)格進(jìn)行梳理和識(shí)別，重新優(yōu)化極限真空保持時(shí)間、錠（坯）緩冷工藝及軋材緩冷工藝。例如，對(duì)氫不敏感的鋼種，大方坯生產(chǎn)軋制小規(guī)格時(shí)，可以試驗(yàn)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(wèn)題，提高后續(xù)工序的擴(kuò)氫能力；而對(duì)氫比較敏感的鋼種，對(duì)精煉工序入爐合金進(jìn)行烘烤，可以降低初始?xì)浜?，從而減輕真空工序壓力。

4 結(jié)論

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

（2）動(dòng)力學(xué)分析表明，在一定真空度下，降低鋼水的初始?xì)浜?、延長(zhǎng)真空脫氫時(shí)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(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如達(dá)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(zhuǎn)爐出鋼碳含量與氫含量存在一定關(guān)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?xì)浜吭礁摺?/p>

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