45#鋼生產(chǎn)工藝的優(yōu)化實(shí)踐

李仕雄,周建勇

(中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

45#鋼生產(chǎn)工藝的優(yōu)化實(shí)踐

李仕雄,周建勇

(中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

冶煉45#鋼使用LF爐精練工藝或者鐵水預(yù)處理脫硫結(jié)合優(yōu)化脫氧合金化技術(shù),對(duì)這兩種生產(chǎn)工藝方案進(jìn)行了分析。綜合考慮夾雜物控制、脫硫效果、鑄坯質(zhì)量和成本控制情況,選擇鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-連鑄作為生產(chǎn)工藝路線。

45#鋼;LF爐;成分控制;成本控制

隨著鐵礦石、焦炭等主要原材料大幅度提價(jià),鋼鐵企業(yè)的利潤(rùn)空間不斷縮小,加上海外銷(xiāo)售受阻以及國(guó)外鋼鐵向內(nèi)地大量?jī)A銷(xiāo),造成了當(dāng)前鋼鐵行業(yè)處于零利潤(rùn)甚至嚴(yán)重虧損的邊緣。在這種大背景下,如何解決技術(shù)創(chuàng)造效益及成本控制問(wèn)題是決定企業(yè)生存和產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的根本。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下,優(yōu)化冶煉工藝、節(jié)約成本是重要舉措之一。某廠依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件,通過(guò)對(duì)45#鋼的兩種生產(chǎn)工藝進(jìn)行對(duì)比研究,優(yōu)化了工藝控制要點(diǎn),獲得了質(zhì)量不受影響、生產(chǎn)成本低于國(guó)內(nèi)同類(lèi)鋼材的生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)。

1 主要原料和設(shè)備條件

1.1 主要原料:鐵水、廢鋼、石灰

因受原材料的質(zhì)量影響以及煉鐵系統(tǒng)技術(shù)水平的限制,鐵水成分波動(dòng)較大,成分如表1所示,鐵水溫度1 285～1 330℃。

表1 鐵水成分情況%

1.2 設(shè)備條件

主要生產(chǎn)設(shè)備有鐵水預(yù)處理工位一座、900 t混鐵爐一座、50 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐二座、LF精煉爐一座、5機(jī)5流170×170方坯弧形連鑄機(jī)二臺(tái)。

2 45#鋼的兩套生產(chǎn)工藝路線

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)操作水平,先后分別進(jìn)行了兩套工藝路線。在實(shí)驗(yàn)階段采取了一般優(yōu)特鋼工藝組織生產(chǎn),工藝流程如圖1所示(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工藝1)。

圖1 LF精煉冶煉45#鋼工藝流程

工藝1雖然滿(mǎn)足45#鋼的生產(chǎn)和質(zhì)量要求,但投入成本較大,主要是LF精煉投入大,同時(shí)冶煉周期明顯加大,不能很好地滿(mǎn)足單爐配單機(jī)的生產(chǎn)模式。為力求成本下降,同時(shí)滿(mǎn)足質(zhì)量要求,并充分發(fā)揮900 t混鐵爐的作用,對(duì)工藝重新進(jìn)行了優(yōu)化,其工藝路線如圖2所示(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工藝2)。

圖2 非精煉冶煉45#鋼工藝流程

工藝1、2的主要區(qū)別在于脫硫工序的變化,工藝1中LF爐精煉對(duì)成分微調(diào)和去除夾雜物有比較穩(wěn)定的作用,因此工藝2中充分利用混鐵爐對(duì)鐵水成分的調(diào)節(jié)功能,對(duì)鐵水硫進(jìn)行了控制,要求入爐鐵水硫必須小于0.035%,且對(duì)廢鋼質(zhì)量也進(jìn)行了控制,要求選擇不含磁選渣鋼、生鐵塊及鑄鐵件的加工廢鋼入爐。另外工藝2中調(diào)整了爐后脫氧合金化過(guò)程,增加吹氣時(shí)間和出鋼過(guò)程進(jìn)行全程吹氣來(lái)促進(jìn)夾雜物的充分上浮。

3 冶煉化學(xué)成分控制

通過(guò)轉(zhuǎn)爐吹煉和脫氧合金化后,進(jìn)入鋼包底吹氣站進(jìn)行成分微調(diào)和鋼水除夾雜,鋼水成分如表2

所示。

表2 45#鋼轉(zhuǎn)爐冶煉后鋼水化學(xué)成分表(工藝2)

4 冶煉結(jié)果分析與討論

4.1 轉(zhuǎn)爐脫磷分析

在冶煉45#鋼工藝1與工藝2中均采取大渣量單渣法、前期積極供氧、后期適當(dāng)高槍位化渣并保證充足壓槍時(shí)間的操作控制方法。

在采取單渣法冶煉中,視鐵水Si的波動(dòng)改變石灰用量,以保證渣樣堿度R:2.8～3.0。石灰加入量遵從理論石灰配加公式,其公式如式(1):

式中W為噸鋼石灰加入量/kg·t-1;ω[Si]為鐵水中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;R為堿度,ω(CaO)/ω(SiO2); ω(CaO有效)為石灰中的有效CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;2.14為SiO2/Si的分子質(zhì)量之比。

采取大渣量單渣法操作實(shí)現(xiàn)了45#鋼較低磷的要求,完全滿(mǎn)足成分控制需求。在渣樣堿度基本變化不大的情況下,高Si鐵水冶煉45#鋼其成品P略高于低Si鐵水冶煉45#鋼成品P。其主要原因在于鐵水Si高石灰用量大,帶來(lái)渣量大,化渣困難,渣料難以化透,脫磷動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)條件受到限制,導(dǎo)致脫磷受到限制。

4.2 夾雜物控制

工藝1方案中因有LF精煉的作用,有足夠的時(shí)間促進(jìn)夾雜物的上浮,爐后脫氧合金化按一般先弱后強(qiáng)的脫氧合金化原則進(jìn)行脫氧。但工藝2中因其氧含量較高,形成大量的氧化物夾雜物,就必須控制其生成和有效去除的問(wèn)題,工藝2中脫氧合金化方法為:出鋼前在鋼包底部加入一定量碳粉和少量碳化硅,碳化硅埋入碳粉下面,在出鋼1/4時(shí)間開(kāi)始加入錳硅合金,至3/4出鋼時(shí)間全部加完,碳化硅的加入視出鋼量合理加入,保證Mn/Si≥2,并同時(shí)對(duì)準(zhǔn)鋼液中心流加入高堿度覆蓋劑(含碳)和渣洗料進(jìn)行渣洗工藝。嚴(yán)禁鋼液下渣,渣氧化性較高,且富含磷化合物,在脫氧合金化過(guò)程中因氧化氣氛破壞,磷化合物分解產(chǎn)生鋼液回磷現(xiàn)象。這些措施在一定程度上遏制了夾雜物生成量。

在出鋼過(guò)程中采取全程吹氣,并適當(dāng)延長(zhǎng)吹氣時(shí)間,控制好吹氣流量。吹氣時(shí)間由工藝1中的無(wú)具體要求提高到工藝2中的11 min以上,吹氣大小以不裸露鋼液面為基準(zhǔn),適當(dāng)增大吹氣流量,促進(jìn)夾雜物的上浮。

非金屬夾雜物等級(jí)是衡量鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵性因素,也是夾雜物過(guò)程控制程度的重要衡量標(biāo)準(zhǔn),表3給出了工藝1與工藝2的非金屬夾雜物的等級(jí)分布情況,其連鑄條件基本不變,即不考慮連鑄工藝對(duì)夾雜物的影響。

表3 兩種工藝條件下鑄坯非金屬夾雜物等級(jí)

從表3可看出,工藝2的非金屬夾雜物等級(jí)基本在0.5～1.0波動(dòng),基本滿(mǎn)足軋制要求,工藝1顯然是LF爐對(duì)鋼水凈化的作用,鋼水比較純凈。但工藝2更具有成本優(yōu)勢(shì)且鋼水質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

4.3 脫硫分析

工藝1采用LF爐精煉作用來(lái)有效控制成分要求,而工藝2采用鐵水預(yù)處理控制鐵水中的硫來(lái)達(dá)到45#鋼對(duì)硫含量的要求。

4.3.1 LF爐精煉脫硫分析

45#生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)期采用LF爐精煉脫硫,主要利用活性石灰以及電石(CaC2)造強(qiáng)還原性渣[1]。在加熱位向鋼包內(nèi)加入精煉造渣脫氧劑3～4包,精煉劑3包,在鋼水定氧表明鋼水氧含量＞20μg/g時(shí),立即對(duì)準(zhǔn)鋼包內(nèi)鋼水翻騰處加入鋁粒5 kg。并且根據(jù)爐渣氧化性強(qiáng)弱往渣面上撒投鋁粒3～5 kg,按爐渣堿度2.8～3.0配加石灰350～500 kg,并加入埋弧渣200 kg,螢石80～100 kg,經(jīng)過(guò)LF精煉后,其脫硫能達(dá)到成分設(shè)計(jì)要求,其成品硫分布情況如圖3所示。

圖3 LF精煉后硫值分布圖

由圖3可知,LF精煉后硫值分布較低,其平均值達(dá)到0.013%左右,滿(mǎn)足45#鋼的成分設(shè)計(jì)水平,其脫硫率如圖4所示。

圖4 LF爐精煉脫硫率與鋼液中硫的關(guān)系

由圖4可知,對(duì)于冶煉45#鋼,LF爐可脫鋼液中硫能達(dá)到0.080%。

4.3.2 鐵水預(yù)處理脫硫

鐵水預(yù)處理脫硫采用單噴鎂法在鐵水包內(nèi)進(jìn)行脫硫,鎂粒經(jīng)噴槍進(jìn)入鐵水罐中是一個(gè)高速、復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。就脫硫而言,首先濃相氣流(帶鎂顆粒的氮?dú)饬?噴入鐵水中,瞬間鎂顆粒即受熱熔化、蒸發(fā),體積成百倍擴(kuò)張,部分鎂蒸氣溶于鐵水中,大部分鎂氣泡上浮并帶動(dòng)鐵水上升,新的鐵水從周?chē)a(bǔ)充進(jìn)來(lái),鎂在上升過(guò)程中繼續(xù)溶于鐵水,并與鐵中硫反應(yīng)生成硫化鎂上浮至鐵渣中,強(qiáng)烈的攪動(dòng)與環(huán)流使反應(yīng)區(qū)域迅速擴(kuò)大,波及至全罐[2]。

噴鎂脫硫主要存在兩種化學(xué)反應(yīng)機(jī)制,如式(2)和(3)所示:

45#鋼冶煉要求入爐鐵水S≤0.035%,對(duì)于0.040%＞鐵水S＞0.035%可采取選擇線上低S鐵水進(jìn)行摻兌入爐處理,而對(duì)鐵水S高(≥0.040%)均需要經(jīng)過(guò)鐵水預(yù)處理進(jìn)行脫硫。

圖5、圖6反映出了鐵水預(yù)處理脫硫后鐵水硫分布及脫硫率情況(虛線表示均線脫硫率變化)。

圖5 鐵水脫硫后硫分布圖

圖6 鐵水預(yù)處理脫硫率的變化關(guān)系

從圖5、圖6可看出鐵水預(yù)處理脫硫后硫值分布不是很穩(wěn)定,脫硫率未達(dá)到理論設(shè)計(jì)要求,這來(lái)自于多方面的影響,Mg粉質(zhì)量、操作控制水平以及噴吹速度、深度等因素的影響。但鐵水預(yù)處理后硫值是滿(mǎn)足冶煉45#鋼入爐鐵水硫要求的。對(duì)于滿(mǎn)足要求的預(yù)處理后鐵水硫(≤0.035%)按工藝2方案進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉45#鋼,其成品硫分布如圖7所示。

圖7 45#鋼成品S分布情況(鐵水S≤0.035%)

由圖7可知,經(jīng)鐵水預(yù)處理后的鐵水冶煉45#鋼是符合成分控制要求的,即工藝2中方案是可行的。

4.3.3 工藝1與工藝2脫硫的對(duì)比分析

通過(guò)以上分析可知,工藝1與工藝2均能實(shí)現(xiàn)45#鋼脫硫的需要,前者脫硫率較高,成品硫分布較穩(wěn)定,后者脫硫率波動(dòng)較大,但成品硫分布基本在成分設(shè)計(jì)水平以?xún)?nèi)。鐵水預(yù)處理工藝降低鐵水硫含量有如下優(yōu)勢(shì):鐵水C和Si高,S的活度系數(shù)大,易于脫硫,處理時(shí)間快,對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏影響小,對(duì)鋼水質(zhì)量無(wú)污染,對(duì)其他質(zhì)量方面沒(méi)有影響。

4.4 鑄坯質(zhì)量分析

4.4.1 鑄坯低倍宏觀分析

兩種工藝是在連鑄設(shè)備、配水機(jī)制、拉速控制基本相同的條件下實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)對(duì)兩種工藝路線冶煉45#鋼的鑄坯大量取樣進(jìn)行低倍分析,選取具有典型代表性低倍宏觀特征以作分析,其鑄坯低倍圖如圖8、圖9所示。

圖8 LF爐精煉后鑄坯低倍圖(×50倍)

圖9 鐵水預(yù)處理工藝鑄坯低倍圖(×50倍)

圖8試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定:縮孔0.5級(jí);中間裂紋0.5級(jí);非金屬夾雜物0.5級(jí)。

圖9試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定:中心疏松1.5級(jí);中間裂紋1.5級(jí);皮下裂紋1.5級(jí);非金屬夾雜物0.5級(jí)。

從評(píng)定結(jié)果來(lái)看,LF精煉樣品的低倍宏觀組織明顯好于鐵水預(yù)處理樣品的低倍宏觀組織。其主要原因在于LF爐爐后溫度控制較準(zhǔn)確,實(shí)際上經(jīng)工藝1后連鑄中間包溫度能穩(wěn)定在1 625～1 630℃,而經(jīng)工藝2后連鑄中間包溫度不平穩(wěn),甚至超過(guò)1 640℃,在連鑄一冷、二冷配水機(jī)制、電磁攪拌相同的條件下,溫度過(guò)高,就會(huì)造成柱狀晶發(fā)達(dá),出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象較嚴(yán)重,相對(duì)消弱了電磁攪拌促進(jìn)鑄坯質(zhì)量改善的功能,但達(dá)到了軋制要求的鑄坯質(zhì)量要求。

4.4.2 金相組織分析

因45#鋼是該廠高碳鋼系列的主要產(chǎn)品,本節(jié)僅對(duì)工藝2中成品材(軋制后試樣)進(jìn)行取樣、打磨、酸洗,在100倍電子顯微鏡下觀察其組織特征,經(jīng)過(guò)大量的圖片特征分析,經(jīng)分析金相組織為F+P(鐵素體+珠光體),邊緣有輕微的脫碳和淬火,未發(fā)現(xiàn)裂紋,其典型代表性組織如圖10、圖11所示。

圖10 中心組織圖(×100)

采取隨機(jī)抽樣方式進(jìn)行取樣,對(duì)試樣進(jìn)行切割拋光,在100倍率的金相顯微鏡下觀察,進(jìn)行表面檢驗(yàn)。從金相圖中可看出,其組織中未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象,晶粒度較高,未出現(xiàn)較大顆粒的非金屬夾雜物,能滿(mǎn)足客戶(hù)需求。從圖11中可以發(fā)現(xiàn),試樣邊緣弧面較光滑,沒(méi)有出現(xiàn)鋸齒狀弧面,也未發(fā)現(xiàn)試樣存在表面裂紋。

4.5 力學(xué)性能分析

采用工藝2生產(chǎn)的45#鋼線材成品經(jīng)送檢技術(shù)部門(mén)做力學(xué)性能分析,平均屈服強(qiáng)度達(dá)到510 MPa,對(duì)應(yīng)平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到737 MPa,對(duì)應(yīng)平均延伸率在22.13%左右波動(dòng),對(duì)應(yīng)平均斷面收縮率在38.5%左右波動(dòng),其材質(zhì)完全滿(mǎn)足客戶(hù)熱處理要求。

5 兩種工藝成本對(duì)比分析

圖11 邊緣組織圖(×100)

在獲得基本相等質(zhì)量條件下,優(yōu)化工藝,降低成本是企業(yè)生存的需求。工藝1中僅LF工作站就耗費(fèi)噸鋼成本70元/t,而工藝2中鐵水預(yù)處理噸鋼成本為34元/t鋼,成本較LF精煉成本節(jié)約36元/t鋼,而且這是在100%鐵水脫硫生產(chǎn)45#的基礎(chǔ)上的成本比較,實(shí)質(zhì)上,低硫鐵水(硫＜0.035%)冶煉工藝是不需要預(yù)處理就可直接上轉(zhuǎn)爐的,由此可知鐵水預(yù)處理比LF精煉具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 論

1.鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-連鑄工藝中成品S值分布較轉(zhuǎn)爐-LF爐精煉-連鑄工藝中成品S值稍高,但在45#鋼成分設(shè)計(jì)水平之內(nèi),且具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。

2.鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐-連鑄工藝中鑄坯質(zhì)量較轉(zhuǎn)爐-LF爐精煉-連鑄工藝的鑄坯質(zhì)量略差,但鑄坯質(zhì)量可以滿(mǎn)足軋制要求。

3.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)兩種工藝路徑實(shí)現(xiàn)了該廠新鋼種的成功開(kāi)發(fā)并批量生產(chǎn),并確定了有選擇性的鐵水預(yù)處理脫硫-轉(zhuǎn)爐冶煉-爐后脫氧合金化控制-連鑄的工藝路線為45#鋼生產(chǎn)的主要冶煉工藝。

[1] 黃靜,陳壽紅.60#鋼開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)實(shí)踐[J].河南冶金,2008, (5):47-49.

[2] 劉志敏,李懷成.鐵水的爐外脫硫[J].山西冶金,2007,(1):64 -65.

Abstract:The two production technology programs of refining techniques employing LF furnace and molten iron pretreatment&desulfurization with technology of deoxidizing and alloying are analyzed in the process of melting iron.And the production process route of molten iron pretreatment,convertor and continuous casting is chose synthetically considering the factors of inclusion control,desulfurization effect,slabs quality and cost control.

Key words:45#steel;LF furnace;composition control;cost control

Optimization and Practice of 45#Steel Production Technology

LI Shi-xiong,ZHOU Jian-yong
(School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)

TF71

A

1003-5540(2012)02-0042-05

2012-03-02

李仕雄(1954-),男,教授,主要從事貴金屬與重金屬新工藝研究。