郑福生，何 新

(唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北 唐山 063306)

氢是钢中有害元素之一，会引起“氢脆”、白点和点状偏析等缺陷，对钢材实际性能产生很大影响，特别是中高碳合金钢锻造用钢，白点裂纹敏感，对钢中氢含量要求苛刻，减少和控制钢中的氢含量，对提高锻造用钢的质量至关重要[1-4]。我国钢铁行业发展进入新时代，下游产业客户对产品质量提出了更高要求，在一般锻钢氢含量要求小于2.0×10-6的基础上，部分白点和裂纹敏感性极高的钢种氢含量要求小于1.0×10-6。某公司有单工位40 t VD炉一座，主要作用之一是钢水脱氢处理，经真空的锻造用钢比例接近100%，能够满足氢小于2.0×10-6的控制要求。为解决钢中氢小于1.0×10-6稳定生产问题，以脱氢热力学和动力学分析为基础，结合实际工况经工艺优化，有效满足了高洁净锻钢低氢含量控制的要求。

1 高洁净锻钢生产工艺

1.1 工艺路线

唐钢重机公司主要产品之一为高洁净锻造用钢，生产工艺路线：废钢—电弧炉(EBT)—精炼(LF)—真空脱气(VD)—下注式模铸(IC)。

1.2 装备及工艺参数

高洁净锻钢生产设备主要有：40 t偏心炉底电炉、40 t LF精炼炉、40 t VD真空脱气装置。VD真空系统之前为蒸汽喷射泵，现改造为机械真空泵，采用电能作为能源介质，较之蒸汽喷射泵而言，设备耐用性、能耗、抽气时间等得到了明显优化(见表1)。

表1 VD炉工艺参数

2 脱氢理论分析

2.1 热力学分析

气体氢在钢中溶解时，氢分子先被吸附在气相-钢液界面上，分解成两个氢原子，氢原子被钢液吸收。其溶解过程为

(1)

在小于105Pa的压力范围内，氢在钢液中的溶解符合平方根定律：

(2)

式中：a1为氢在钢液中的活度；f1为氢的活度系数；w(H)为氢在钢液中的质量分数；K1为氢在钢液中的平衡常数；P1为气相中氢的分压力，Pa。

氢的平衡常数为温度的函数，其关系式为

(3)

依照热力学平衡移动原理，随着P1的不断降低，脱气反应不断进行，降低体系的气相压力P1是实现脱氢的原动力[1]。刘建[2]等人计算研究了钢液中氢含量随真空度的变化关系和氢在不同分压下钢中的饱和溶解度。当真空度为67 Pa时，氢在钢液中的饱和溶解度为0.69×10-6。随真空度的降低，钢中溶解氢含量逐渐降低。

经李德军[3]计算判定，钢液中含氢量不是大气中氢的分压所致，而是主要取决于炉气中的水蒸气[3]，与空气中的水蒸气分压以及炼钢原材料的干燥程度有关。

2.2 动力学分析

氢在钢液中的溶解量很小，不能依靠本身形成的气泡排出，而是通过钢包底部吹进的氩气泡表面吸附，转变为气体分子后在向气相中排出。钢液中的氢向气泡内传输为

2[H]=H2

(4)

对钢液进行真空脱氢，脱氢过程由三个过程环节组成[4]：钢液中溶解的气体原子向钢气界面扩散；气体原子在钢气界面上吸附，结合成气体分子，再从界面脱附；脱附的气体分子在真空作用下向气相扩散。

一般认为钢液中溶解的气体分子向钢气界面扩散为限制性环节[ 5]，其速率关系式可表达为

(5)

式中：w(H)0为钢液中氢的初始质量分数；w(H)1为钢液中氢的处理后的质量分数；β为铁液内元素的相互作用系数；A为气泡表面反应面积，m2；Vm为钢液体积，m3；t为脱氢时间，s。

在实际生产过程中，钢包工况条件固定，真空脱氢效果主要在于脱氢时间、反应面积、真空度等可变因素。

3 氢含量影响因素分析

3.1 自然气候环境影响

赵喜伟等研究认为钢中原始氢含量低，处理后的钢水中的氢含量也越低；钢中原始氢含量高，处理后的钢水中氢含量也越高[6]。公司所在区域为海滨淤积平原，属暖温带大陆性气候，年均相对湿度66%。对一年内LF出站时钢中氢含量测定统计月度平均值，观察氢含量的变化规律，见图1。

图1 全年生产LF出站钢包内氢含量变化情况

对VD前原始氢含量进行测定分析，钢中氢含量平均值7.23×10-6。从图1中可以看出，1—5月份降雨偏少，空气相对干燥，脱气前钢包内氢含量水平较低，平均值为6.36×10-6，7—9月份雨季和1—12月份所处沿海区域雾天增多，空气潮湿使得大气中水分压较高，钢液极易从大气中吸氢，造成氢含量增加。生产低氢高洁净钢，生产时间尽可能避开7—9月份雨季。

炼钢过程环境对钢液增氢的影响，主要是炼钢使用的石灰、合金等吸收空气中的水分，造成钢液增氢。为了考察石灰、合金吸水对钢液氢含量的影响，设置对比实验。考察石灰拆包放置待用停放时间与钢液LF出站氢含量见的关系情况，见图2。将合金烘烤300 ℃以上与不烘烤的情况进行对比，钢液氢含量情况如表2所示。

图2 石灰拆包待用时间与钢液氢含量关系

从图2中可以看出，石灰待用存放时间对钢液原始氢含量有较大影响，随时间的延长石灰吸收空气中水汽增加，造成钢液吸氢量增加，将石灰拆包待用存放时间降低至1 h以内，钢液增氢量可有效降低0.5×10-6左右。从表2中可以看出，合金烘烤能够降低钢液氢含量0.4×10-6左右。对合金进行烘烤、石灰控制入厂及拆包时间，能够有效降低炼钢过程钢液增氢量，得到原始氢含量较低的钢液，利于后期真空脱氢处理。

表2 合金烘烤情况对钢液增氢影响

3.2 VD真空过程控制

生产低氢锻钢，氢含量能否达到客户技术要求，更为关键的是VD真空处理脱氢过程，对VD真空过程的可变参数进行试验分析，以确定工艺优化参数。

3.2.1 真空度的影响

降低体系的气相氢分压，是实现脱氢的原动力，随着气相压力的不断降低，脱氢反应不断进行。固定现有其他工艺参数，分析了真空度与脱氢率之间的关系，见图3。由图3可以看出，提高罐体内真空度，能够显著提高脱氢率，随真空度的提高，脱氢率显著提升，结合工序设备条件，现场实际真空度控制在20 Pa以下，即可实现接近85%的脱氢率。

图3 保压真空度与脱氢率之间的关系图

3.2.2 吹氩强度的影响

VD炉真空脱氢效果受钢液作用于氩气泡表面静压力影响，钢液脱氢主要集中在钢液面近表面反应区域，氩气泡上升进而顶破钢渣面形成的渣眼面积约等于氩气泡的接近钢液面区域的近表面反应面积[7]。因不同钢种、钢包净空高度、渣层厚度等条件的影响，吹氩强度效果有所差异。通过VD炉观察孔间接测量渣眼直径可以计算出近表面反应面积，以此代替吹氩强度。通过增大吹氩强度，渣眼面积逐渐增大，固定其他工艺参数，考察不同渣眼面积情况下脱氢效果，见图4。

图4 脱氢率与渣眼直径大小关系

从图4中可以看出，随着渣眼直径的逐渐增大，脱氢效果越好，当渣眼直径达到300 mm左右时脱氢率最高，此时吹氩压力为0.25 MPa左右，当渣眼直径超过350 mm时脱氢效果下降。当渣眼直径超过350 mm时，增大渣眼面积，需要更大的吹氩压力，但其他工况条件固定时，不断增大吹氩压力，氩气泡上升速度必然更快，反而降低了钢液脱氢效果，也容易造成钢渣外溢。

3.2.3 VD保压时间的影响

钢液脱氢需要一定的时间，时间是实现脱氢效果的重要参数之一，固定其他工艺参数，实验研究了保压时间对重点氢含量的影响，见图5。

图5 氢含量与真空保压时间的关系图

从图5中可以看出，总体趋势是随保压时间的延长，终点氢含量逐渐降低，尤其是10 min以内，趋势明显，保压时间超过15 min趋势减缓。在初始氢含量稳定的条件下，保压时间20 min左右可达到设备脱氢的极限条件。实际生产中，保压时间控制在18 min，即可将钢液中的氢控制在1.0×10-6以下。

3.3 浇注过程氢含量控制

为查看浇注过程钢液增氢情况，在浇铸的钢锭中，选取连续10炉低氢钢种，在浇铸液位至冒口下方时于钢锭上方进行取样定氢，与VD脱气后的氢含量进行比较，如图6所示。

从图6中可以看出，浇注过程是钢液增氢的过程，增氢可能的氢气来源主要是与浇注过程与钢液接触的滑板水口、汤道砖、钢锭模、保护渣等含水物质和气体环境。考虑到以上可能的氢气来源，在真空脱气结束后，钢液需要得到良好的保护，尽可能不受到外界氢原的影响。一方面是做好氩气保护浇注，隔绝空气中的水汽；另一方面是对水口滑板、汤道砖、保护渣等做好预热去氢处理，使用前做好烘烤，去除水分影响。通过控制，能够实现浇注过程增氢可控，增量小于0.2×10-6。

图6 钢液浇注过程增氢情况

4 工艺优化措施及效果

基于高洁净锻钢产品全流程综合工艺控制理念，对脱氢工艺进行了优化。

(1)生产低氢含量锻造锻钢品种，生产时间需避开空气湿度大的阴雨天气月份。

(2)熔炼过程使用石灰辅料尽可能地降低现场存放时间，以不影响生产顺行为准降至最低。对加入合金料进行烘烤处理，烘烤温度300 ℃以上。

(3)VD脱氢工艺中真空保压时间控制在18 min以上，保压真空度小于20 Pa，渣眼直径大小控制在300～350 mm。

(4)浇注过程实行钢液氩气保护浇注，与钢水接触的材料做好预热去氢处理。

通过相应的工艺优化，组织进行了多炉低氢含量洁净锻钢的冶炼生产，钢中氢含量较低冶金质量良好，小于1.0×10-6的良品率近95%，见图7。

图7 工艺优化后洁净锻钢脱氢效果

5 结 论

(1)VD真空前的工序是增氢过程，采取合金烘烤、石灰使用时间管控等措施能够有效降低钢液原始氢含量，生产中VD处理原始氢含量稳定在5.0×10-6以下。

(2)VD脱氢过程合理控制真空度、保压时间、氩气流量及压力，可以获得脱氢率高于85%的效果。

(3)浇注过程做好保护浇注和与钢液接触材料的预热去氢处理，钢液增氢小于0.2×10-6。

(4)采用低氢操作工艺，生产高洁净锻钢氢含量能够稳定控制在1.0×10-6以下，良品率达到95%的水平，满足市场客户要求。