超低碳超低氮生产工艺技术开发研究方案.doc
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超低碳、超低氮钢生产工艺技术开发
研究方案
目录
一、超低碳、超低氮钢生产工艺技术开发研究计划…………………………………1
1.技术目标…………………………………………………………………………………1
2.技术原则…………………………………………………………………………………1
3.研究内容…………………………………………………………………………………1
4.研究方法…………………………………………………………………………………1
5.实验步骤…………………………………………………………………………………1
二、超低碳、超低氮钢冶炼热模拟实验室研究………………………………………3
（一）超低碳化精炼热模拟研究…………………………………………………………3
1.技术基础………………………………………………………………………3
2.实验室研究内容………………………………………………………………3
3.实验方案初步设计………………………………………………………3
（二）超低氮化精炼热模拟研究…………………………………………………………3
1.技术基础…………………………………………………………………………3
2.实验室研究内容…………………………………………………………………4
3.实验方案初步设计………………………………………………………………4
三、超低碳、氮钢冶炼工业实验研究……………………………………………………6
1.工业试验研究内容……………………………………………………………………6
2.工业试验方法…………………………………………………………………………6
3.工业试验初步设计……………………………………………………………………6
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超低碳、超低氮钢生产工艺技术开发研究方案
一、超低碳、氮钢冶炼工艺技术开发研究计划
1.技术目标
开发冷轧薄板钢超低碳、超低氮含量的冶炼工艺技术。
目标值（RH－KTB/WPB精炼结束时）：
[C]≤10ppm，[N]≤13ppm。
2.技术原则
（1）以武钢试行“预直炼”冶炼工艺为优化基础；
（2）从钢液中碳、氮深脱热动力学入手，研究工艺因素和限制环节，为优化工艺参数、改善工艺条件提供依据；
（3）充分利用已有的研究成果，避免不必要的重复研究；
（4）按流程工序分解目标，分目标、总目标同时实现。
3.研究内容
（1）超低碳化技术
1）RH－KTB条件下，深脱碳热动力学（脱碳机理、理论模型、参数优化等）；
2）实现[C]≤10ppm精炼条件和措施；
3）防止二次精炼过程中增碳措施；
4）技术经济指标稳定化问题。
（2）超低氮化技术
1）RH－KTB条件下，深脱氮热动力学（脱氮机理、理论模型、参数优化等）；
2）防止RH－KTB过程的吸氮技术；
3）转炉超低氮化吹炼及防止吸氮技术；
4）实现[N]≤13ppm精炼条件和措施；
5）技术经济指标稳定化问题。
4.研究方法
（1）技术目标分解。
按武钢试行的“预直炼”冶炼工艺流程，参照已有的研究结果，将目标分解。
分解的工序目标列于表1。
（2）实验室研究。
重点为RH－KTB/WPB热动力学问题（即反应进行的方向、限度和速度），同时研究RH－KTB/WPB与前后工序有效匹配的最佳条件。
（3）工业试验研究。
大生产条件下验证试验工艺方案，依试验结果修正工艺参数和改进工艺条件，逐步优化试验，直至确定最优工艺方案。
至少试验3～5个回合，每回合一个浇次。
5.实验步骤
（1）通过实验室研究和借鉴现成成果，确定实现目标值的条件和影响因素；
（2）进行工业试验，逐步修正和完善工业条件和参数；
（4）进行小批量生产试验，稳定工艺条件和参数，提高成功率；
（5）转入大生产，制定工艺规范，总结验收。
表1碳、氮高纯化冷轧薄板钢冶炼工艺试验工序目标
工艺
铁水预处理
转炉预直炼
二次精炼
连铸
设备
KR
LD－OB/Ar
RH－KTB
RH－WPB
大板坯
精炼
功能
脱硫
①脱磷
②脱碳
③升温
①吹氧脱碳
②热补偿
③脱氧
④控制成分、温度
⑤脱气
⑥净化钢水
①深脱碳
②喷粉脱磷、硫
③净化钢水
④控制夹杂
①全密封连铸
②进一步减少夹杂
目标
要求
高效脱硫
[S]≤0.002％
[N]≤0.003％
T＞1230℃
[C]0≥0.04%
[O]T≥0.054%
[N]≤0.0014%
[P]＜0.002%
[S]＜0.002%
T≥1680℃
下渣量从严控制
（FeO+MnO）＜2%
快速深脱碳
[C]≤0.001%
[O]T≤0.002%
[N]≤0.0013%
严防增氮
严防增碳
进一步高纯化
[C]＜0.0010%
[O]T＜0.0020%
[N]＜0.0013%
严防增氮
严防增碳
严防增碳
严防增氮
二、超低碳、氮钢冶炼热模拟实验室研究
（一）超低碳化精炼热模拟研究
1.技术基础
随着RH－OB、RH－KTB等真空下强制吹氧脱碳技术开发与应用，真空下碳氧反应的研究格外受到重视，结合RH－KTB研究，已经取得一些可喜的成果：
（1）向RH下部钢水面强制吹氧，可以在很大[C]含量范围内，提高脱碳速率，在十几分钟之内可以把[C]降至10ppm左右；
（2）为了达到极低碳目标，尽可能增大真空泵抽气能力（确保足够长的高真空处理时间）、大环流上升管内径（增大Ar气量和钢水环流量）和良好的动力学条件（提高钢水的搅拌能和体积传质系数）。
同时应注重配套技术的进步；
（3）随之建立的理论模型对深脱碳过程的因素和参数分析、对过程的控制、预报和优化等都起着积极作用。
2.实验室研究内容
（1）模拟KTB的条件，研究深脱碳规律（尤其是[C]＜30ppm区）；
（2）模拟PB的条件，研究喷粉对深脱碳的影响；
3.实验方案初步设计
（1）真空强制脱碳时低碳钢液的脱碳实验。
设备：
25Kg多功能真空感应炉。
原料：
工业纯铁、优质废钢、FeO粉、Al粒等。
真空度：
2000Pa、110Pa、67Pa。
吹Ar：
底部吹Ar压力（20～40KPa），纯度＞99.9％。
方法：
装22Kg按不同[C]配置的金属料，在2000Pa真空度下熔化，加FeO粉供氧，吹Ar均匀化，测温取样；然后把真空度提高到实验值，按一定间隔时间取样；再用Al控制[O]，精炼一定时间后（高真空度下保持），取样定碳定氧。
目的：
真空度、真空处理时间、[O]0、[C]0、吹氩量等对深脱碳的影响。
（2）密封吹Ar喷粉过程中钢液脱碳动力学研究实验。
设备：
250Kg中频感应炉；送粉速度有送粉设备可控硅调速器无级调速；刚玉质喷枪内径4mm，外径60mm；水冷Ar密封罩。
原料：
优质薄板材返回料；FeO粉（或铁精矿粉）、特殊熔剂等。
方法：
200Kg废钢装入感应炉，熔化后测温取样，定碳定氧，吹氧脱碳至[C]＜50ppm，然后加铝脱氧。
安置密封罩吹氩，清除罩内空气，插枪到指定位置，开始喷吹（喷吹压力0.15MPa，插入深度为熔池深2/3处），粉剂用量约4Kg/t钢（与WPB工艺接近），粉剂为50％FeO（精矿粉）＋50％特殊熔剂。
喷吹过程中取钢样和炉气样。
目的：
以钢液面PCO、吹Ar量、[O]、[C]、T等为参数，研究喷粉过程中钢液碳含量的变化。
分析：
[O]用ZrO2固体电解质定氧方法确定；气相色谱仪分析炉气成分。
（二）超低氮化精炼热模拟研究
1.技术基础
近代真空冶金理论研究，重要的成就之一是推动了真空各种工艺条件下脱氮、吸氮热动力学。
例如，针对RH－KTB工艺技术，大多数研究者基本肯定了以下的成果：
（1）存在多种脱氮途径，如真空脱氮、CO和Ar气泡携带脱氮、熔渣脱氧等；
（2）脱氮区域主要在真空室下部钢液自由表面；CO－钢液界面；Ar－钢液表面；熔渣－钢液界面等；
（3）在高浓度[S]（100～150ppm），特别是较高[O]和较少脱碳量（低于300～400ppm）时，当[N]已经进入超低氮区域（[N]＜20ppm），所有途径的脱氮效果都有限；
（4）要想获得超低氮冶金效果主要靠强化转炉内脱氮和抑制转炉出钢、二次精炼、连铸过程等吸氮；
（5）吸氮随表面活性元素（O、S等）以及易氮化元素（Ti、Ni、V、Al、RE等）含量不同，过程机构有所差别，但多为液相边界层传质及界面反应混合限制。
吸氮速率影响程度也不一样。
2.实验室研究内容
（1）真空脱氮动力学研究，包括真空度、气相压力、钢水条件（氧、硫含量、温度等）对脱氮动力学的影响；
（2）气泡（CO、Ar气泡）携带法脱氮研究，探明转炉和KTB条件下吹氧脱碳过程中，脱氮速度与脱碳速度的关系；
（3）吹氩喷粉过程中钢液脱氮动力学研究；
（4）炉渣脱氮可能性研究，造一种高氮容量的渣，[N]扩散到渣/钢界面，然后与渣中一些化合物反应转入渣相去除掉。
3.实验方案初步设计
（1）真空碳氧反应条件下低氮钢液的脱氮实验。
设备：
25Kg多功能真空感应炉。
原料：
工业纯铁等。
真空度：
2000Pa、110Pa、67Pa。
方法：
装22Kg纯铁在2000Pa真空度下熔化（真空开始时[N]0接近KTB实际值），熔化后，将真空度提高到试验值，不用Al脱氧取前几个样，加Al脱氧后取最后一个试样。
目的：
研究不同真空度下的脱氮规律，验证真空度不仅影响热力学，同时也影响动力学。
分析：
氧、氮分析在LECO－436氧氮分析仪上进行。
（2）气相压力对钢液脱氮动力学影响实验。
设备：
25Kg多功能真空感应炉
原料：
工业纯铁、FeS等
Ar压力：
40KPa（纯度＞99.9％）
方法：
装22Kg纯铁在2000Pa真空度下熔化，然后把真空度提高到试验值，吹Ar压力40KPa，用Al控制[O]，在一定时间间隔内分别取样分析[N]。
目的：
研究不同气相压力下[N]随时间变化；同时得到温度、S、O等对脱氮的影响。
（3）密封吹Ar喷粉过程中钢液脱氮动力学研究实验。
设备：
250Kg中频感应炉；送粉速度由送粉设备可控硅调速器无级调速；刚玉质喷枪内径4mm，外径60mm；水冷Ar密封罩。
原料：
废钢0.2％C、0.005％S、0.010％P；初始[S]由FeS调整；
喷粉剂组成方案：
①85％钝化石灰＋15％CaF2（粒度0.175～0.147mm/80～100目）
②54％CaO－20％Al2O3－10％SiO2－8％MgO－8％CaF
③在①、②分别配入一定量的FeO粉（氧源：
50KgFe3O4→200ppm[O]，形成CO核心）
方法：
200Kg废钢装入感应炉，熔化后加FeSi、Al脱气，取样及测温定氧，安置密封罩吹Ar，清除罩内空气，插枪到指定位置，开始喷吹（喷吹压力0.15MPa，插入深度为熔池深2/3处），粉剂用量按4Kg/t钢计（与WPB工艺相近）。
喷吹过程中取钢样和炉气样。
目的：
以钢液面氮分压、吹Ar量、[O]、[S]、[N]0、T等为参数，研究喷粉过程中钢液氮含量的变化。
分析：
[O]用ZrO2固体电解质定氧方法确定；[S]由碳－硫分析仪测定；气相色谱仪分析炉气成分。
（4）熔剂氮容量（）测定实验。
设备：
钼丝炉、铂坩埚。
原料：
上述三种粉剂。
方法：
将25g渣放入铂坩埚内，在钼丝炉高温区熔化，恒温在1823K，并用CO调整PO2、PN2（测定炉气成分），并测定渣中氮的溶解度。
用1/2N2＋3（O2－）＝（N3－）＋3/4O2、＝（％N3－）、等式计算出。
目的：
确定氮容量大的熔剂，作为脱氮渣。
以上实验计划列入表2。
表2实验室试验研究计划
序号
实验名称
设备
原料
主要目的
1
真空强制脱碳时低碳钢液的脱碳实验
25kg多功能真空感应炉
纯Fe、废钢、Al等
真空度、[O]0、[C]0、吹Ar量等对深脱C的影响
2
密封吹Ar喷粉过程中脱碳动力学研究实验
250kg中频感应炉
废钢、FeO粉等
喷粉过程中Pco、吹Ar量、[O]0、[C]0、温度对深脱C的影响
3
真空碳氧反应条件下低氮钢液的脱氮实验
25kg多功能真空感应炉
工业纯铁、脱氧剂等
不同真空度下的脱氮规律
4
气相压力对钢液脱氮动力学影响实验
25kg多功能真空感应炉
工业纯铁、FeS、
脱氧剂等
不同气相压力下[N]随时间的变化以及[S]、[O]对脱氮的影响
5
密封吹Ar喷粉过程中脱氮动力学研究实验
250kg中频感应炉
自设计精炼剂（脱P、S等功能）
喷粉过程中PN2、吹Ar量、[O]、[S]、[N]0、T等对脱氮的影响
6
熔剂氮容量测定实验
钼丝炉（铂坩埚）
自制熔剂（脱氮剂）
优选KTB条件下的脱氮渣
三、超低碳、氮钢冶炼工业实验研究
1.工业试验研究内容
（1）重点研究RH阶段KTB和PB过程热动力学因素和条件对终了[C]、[N]目标值的影响；
（2）研究RH前包括铁水预处理、转炉复合吹炼工艺条件等对RH终了[C]、[N]目标值的影响；
（3）研究RH过程相关工艺条件（如无碳钢包衬及覆盖渣、真空室耐材、防止和清除真空室壁上冷凝钢问题、不增碳取样器、极低含量分析精度、过程监测及控制等）对目标值的影响；
（4）研究现有的理论模型，进行必要的修正，提出相应的新模型，用以指导过程的控制、预报及抑制等；
（5）研究最优的工艺条件和参数、确定完善的冶炼制度和工艺方法。
2、工业试验方法
（1）工业试验流程：
KR→转炉预直炼→RH-KTB/WPB→CC（工序目标见表1）
（2）寻求RH-KTB/WPB最佳深脱碳、氮效果（尤其是提高超低碳、氮区进一步深脱碳、氮速率问题）试验
（3）RH-KTB/WPB最佳深脱碳、氮速率与前工序的关系试验
（4）理论模型修正及新模型应用试验
3、工业试验方案初步设计
（1）强制脱氮试验。
铁水预处理可以强制脱氮，使铁水中[N]＜25ppm，有利随后转炉脱碳时进一步深入脱氮。
方法：
利用KR高效脱S，转炉预直炼强制脱P，促进铁水脱氮；KR、转炉预直炼工艺条件和操作方法可执行已进行的试验方案。
但应达到表1中的工序目标。
结果：
比较铁液中[S]、[P]与[N]的关系；铁液中[N]对转炉吹炼最终[N]的影响。
（2）转炉脱碳过程中深脱氮试验。
超低氮铁水在复吹转炉吹氧脱碳过程进一步深脱N，终点时钢水中[N]≤14ppm。
顶底复吹转炉低氮化吹炼技术关键问题是强制脱碳和加强底部吹气搅拌，并采用以下措施防止超低氮化钢水吸氮：
①吹炼末期炉内正压操作；
②防止[C]降得过低（保持转炉出钢[C]≥0.04％）；
③吹炼末期添加铁矿石，造泡沫渣；
④提高氧气纯度；
⑤提高终点命中率，防止补吹（[C]≥0.04％、[O]≥0.054%、T≥1680℃）
⑥防止出钢吸氮。
方法：
充分考虑以上建议时，修正曾试行过的吹炼工艺（另行讨论提出具体方案）。
结果：
转炉脱C与脱N的关系；转炉终点[C]、[O]、T与[N]的关系；转炉过程至RH开始钢水中[N]变化等。
（3）RH－KTB脱碳、脱氮试验。
研究表明，在RH－KTB脱碳前半期（高[C]区），以钢液内部脱碳为主，此时脱碳反应是由供氧速度控制的；在脱碳后半期，尤其是进入超低碳区（[C]＜30ppm），逐渐转向表面脱碳占优势，这时动力学因素起主导作用，如循环和排气速率、反应有效面积等。
根据这些特点，在前半期应尽可能在加大上升管内径、提高抽气能力、加大循环量的同时，加大供氧速度；在后半期，只有大量气体进入真空室内形成表面搅拌、脱碳速度才有望提高，钢液中[O]对脱碳影响不明显，但高氧含量会抑制脱氮。
依此设计工业试验。
方法：
按表1要求的工序目标，为RH－KTB提供钢水和熔渣（（FeO＋MnO）＜2％，渣厚＜150mm），其余试验参数设计安排列入表3。
结果：
KTB对深脱碳脱氮的影响（比较脱碳速率、达到[C]≤10ppm时间、真空度、供氧速率、循环Ar量等对[C]、[N]的影响、热补偿效果等）。
表3试验参数设计安排
操作方法
时间,min
真空保持
（PB）
脱氧
合金化
真空保持
KTB
051015202530
真空度,KPa
＜20
＜0.067
0.100
0.067
循环Ar量
Nm3/min
最大
大
中
（中）
大
供氧速度
Nm3/h
300～1200
喷粉速度
kg/min
150～200
取样
K1K2K3K4√K5
K6
测温
T1T2T3T4TW
测渣厚
√√
定氧
[O]1[O]2[O]3
（4）RH-PB试验
KTB结束后，进行脱氧合金化，接着利用PB过程可以进一步深脱碳、脱氮。
方法：
KTB结束后，采用不同程度的脱氧，然后进行PB（主要喷富含FeO（50%）粉的熔剂），考察深脱碳、脱氮的效果，喷粉速度150～200kg/min，用量4kg/t钢。
结果：
PB对深脱碳、脱氮的影响。
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