低成本冶煉SPHE工藝分析及策略

王新志 王中岐 張振申 厚健龍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

SPHE 為日標優(yōu)質冷軋基料，當前國內應用廣泛。該鋼種從生產(chǎn)工藝而言目前已非常成熟，但是如何在保證鋼水冶煉質量的前提下，實現(xiàn)低成本生產(chǎn)依然是國內許多企業(yè)探討分析的熱點;從冶煉難度而言鋼水潔凈度控制、回［Si］回［P］控制及鋼水可澆性［1－2］是保證品種生產(chǎn)的關鍵，在冶煉生產(chǎn)過程中如何將成本和質量統(tǒng)籌兼顧，需要對整個冶煉過程做詳細的辯證分析，以其能找到較佳的解決方案。

1 主要工藝裝備及可選流程

安鋼的主要冶煉設備有:1300 t 混鐵爐1 座、170 t 脫硫站2 座、150 t 復吹轉爐3 座、170 t 吹氬站3 個、170 t LF 爐3 座、170 t RH 真空精煉爐2 座(雙工位)、雙機雙流常規(guī)板坯連鑄機2 臺等。

安鋼在生產(chǎn)SPHC 鋼種時可選擇的工藝流程比較靈活，可有三條生產(chǎn)工藝路線選擇，即:

1)鐵水預處理→復吹轉爐→吹氬站→雙機雙流常規(guī)板坯連鑄機→入庫;

2)鐵水預處理→復吹轉爐→吹氬站→LF→雙機雙流常規(guī)板坯連鑄機→入庫;

3)鐵水預處理→復吹轉爐→吹氬站→RH→雙機雙流常規(guī)板坯連鑄機→入庫。

2 工藝論證分析

2．1 成分設計

2．1．1 產(chǎn)品成分及工藝力學性能要求

在滿足日標JIS G3131 要求下，基本成分及工藝力學性能要求見表1。

表1 SPHE 化學成分控制要求

作為優(yōu)質冷軋基料SPHE 需具備良好的深沖性能，其主要工藝力學性能要求見表2。

表2 SPHE 主要工藝力學性能要求

2．1．2 成分設計論證

在做具體的冶煉成分設計時，主要從四個方面考慮:(1)滿足標準范圍;(2)產(chǎn)品材料的可靠性;(3)生產(chǎn)成本的經(jīng)濟性;(4)現(xiàn)場生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可行性。

［C］:從保證材料的深沖性能要求而言，期望越低越好;但從轉爐冶煉的保證能力及控制吹損上考慮［C］又不適宜控制太低，若要考慮真空工藝脫碳完成［C］的控制，又會增加生產(chǎn)成本，故可將控制目標確定在0．05%以內。

［Si］:主要是控制爐渣回［Si］及合金增［Si］的問題，期望越低越好。

［Mn］:可以提高鋼的強度和淬透性，但此鋼種最主要的考慮應在固［S］上，一般認為合適的Mn/S比不應低于20，保證合適的Mn/S 比可以控制加熱晶界脆化［3］以及控制含硫脆性夾雜物的生成，Mn/S在小于10 時，板坯經(jīng)加熱初軋后表面開裂(如圖1、圖2 所示)，整個板面呈擴展性開裂，造成坯料報廢。從生產(chǎn)控制的穩(wěn)定性上講，若放開［S］的控制可減少脫［S］成本，但就要相應的增加固［S］元素錳合金的成本，故需綜合考慮成分設計的可行性。一般認為將轉爐［S］控制在0．015%以內相對比較容易做到，由此認為［Mn］的設計至少應在0．20% ～0．30%為宜。

由此最終確定SPHE 的成份設計范圍，見表3。

表3 SPHE 化學成分設計控制范圍

圖1 板坯粗軋開裂圖片

圖2 金相組織分析

2．2 成本分析

從成本控制分析看，工藝路線越長工序過程能耗就愈高，意味著增加生產(chǎn)成本，單純從成本控制對比分析不同工藝路線的下的生產(chǎn)成本見表4。

表4 不同工藝路線下的主要生產(chǎn)成本項估算對比

從表4 可以看出，工藝路線(1)對應的生產(chǎn)成本最低，工藝路線(2)比工藝路線(1)噸鋼增加成本約30 元/t，而工藝路線(3)比工藝路線(1)噸鋼增加成本在50 元/t ～60 元/t。

2．3 工藝路線的選擇

最佳的工藝路線應是滿足產(chǎn)品質量需求下的相對簡潔的、可實現(xiàn)的、性價比高的工藝路線。下面對比三條工藝路線的優(yōu)缺點。

從生產(chǎn)成本對比分析，工藝路線(1)最低;從脫硫和控制夾雜物上分析，工藝路線(2)優(yōu)勢明顯，因LF 具備脫硫和造渣優(yōu)勢，但也存在一定不足，如過程溫度損失、二次氧化、造渣回［Si］增［C］等不利因素;從控制夾雜物、抑制回［Si］、進一步脫［C］上分析，工藝路線(3)效果最好，但是成本也相對最高。

現(xiàn)在需要驗證的是:若采用工藝路線(1)，能否滿足的優(yōu)質冷軋基料各項工藝性能以及對后序加工性能的需要;或者是若要滿足產(chǎn)品質量的最終要求，采用工藝路線(1)還存在哪些問題，如何更好的解決。解決好以上問題，便可實現(xiàn)低能耗、低成本下的優(yōu)質冷軋基料鋼種的轉爐鋼水直接澆鑄工藝，此工藝流程相對簡潔、工序能耗低、生產(chǎn)效率高，值得研究和推廣。

3 冶煉控制策略與實施效果

3．1 預脫硫工序

原材料條件是保證該鋼種生產(chǎn)的關鍵條件，隨機統(tǒng)計分析50 爐安鋼鐵水的基本情況，見表5。

表5 初始鐵水條件分析

從表5 可以看出，初始鐵水無論溫度及成分，均波動較大，對整個轉爐操作控制影響較大，同時由于轉爐自身的脫硫能力有限，若要穩(wěn)定保證轉爐終點目標［S］小于0．015%以內，必須采用鐵水預處理。

因此，應采取下列應對策略:(1)采用鐵水預處理將鐵水［S］控制在0．005%以內，要求扒渣干凈;(2)要求高爐調整配料比例，穩(wěn)定鐵水［P］含量在0．080% ～0．100%，［Si］含量在0．30% ～0．60%;3)穩(wěn)定出鐵溫度，控制過程鐵水溫度損失，到站鐵水在預脫硫前溫度不得低于1350 ℃。

3．2 轉爐工序

采用工藝路線(1)時轉爐工序控制非常重要。圍繞鋼種生產(chǎn)需要保證以下幾個基本條件。

3．2．1 成分控制

成分控制的難點在于出鋼［C］以及回［Si］回［P］的控制。實測安鋼復吹轉爐煉鋼的［C］×［O］=0． 0027(以500 爐取均值，轉爐爐齡8000 爐以上)，考慮轉爐出鋼后鋼包以及連鑄耐材的增碳現(xiàn)象，轉爐出鋼［C］不應超過0．04%，此時轉爐終點［O］應在700 ppm ～900 ppm?？刂妻D爐回［Si］回［P］主要從兩個方面做起，一是轉爐爐內后期回磷，主要是控制轉爐后期溫度及終渣堿度(R)，堿度控制在3．5 以上，出鋼溫度控制在1650 ℃以上。二是控制下渣量小于30 mm，轉爐氧化性終渣一旦大量下入鋼包，在爐渣脫氧后存在渣中硅和磷還原現(xiàn)象［4］。

3．2．2 溫度控制

溫度控制是根據(jù)不同的工藝路線，由鋼種液相限溫度以及生產(chǎn)節(jié)奏反推得到。在生產(chǎn)該類鋼種時還需考慮溫度對鋼水可澆性的影響，因為SPHE 鋼種合金含量少，兩相區(qū)溫度范圍較窄，一旦鋼水溫度控制不當，鋼水的可澆性會急劇變差，易造成溫低斷澆事故;同時鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)生的夾雜物會增加鋼水的粘滯力，尤其易在水口附近被捕捉，形成結瘤，提高澆鋼時的鋼水過熱度可改善鋼水的流動性，減少結瘤的產(chǎn)生。具體溫度控制時需要兼顧多因素影響，如鋼包烘烤狀況、熱負荷時間、周轉節(jié)奏、出鋼時間、澆鋼周期等，轉爐應在不同狀況下做好對應的溫度補償措施，這一點對轉爐操作要求較高，尤其在采用工藝路線(1)時需要精確控制，統(tǒng)籌兼顧，統(tǒng)計安鋼實際的溫度控制一般轉爐終點溫度控制在1640 ℃～1680 ℃之間。

3．2．3 夾雜物控制

在冶煉低碳SPHE 鋼種時轉爐終點［O］基本維持在700 ppm ～900 ppm，為控制吹損、減少夾雜物負擔，強化轉爐后期后攪很有必要，以盡力減少一次脫氧夾雜物。夾雜物的控制要點為:確保一次脫氧完全，力控二次氧化污染，因為轉爐一次脫氧產(chǎn)物量大、且較為集中，易于聚集、長大、上浮、脫除，而二次氧化產(chǎn)物細小、彌散，不易聚集長大，脫除相對困難;另外不容忽視的是轉爐終渣改質以控制鋼－渣的界面?zhèn)餮?。文獻［5］指出:在鋼包渣w(TFe + MnO)小于4．0% ～6．0%時，鋼－渣界面?zhèn)鳎跲］速度可得到有效抑制，而在此種情況下渣中硅、磷的還原反應尚未發(fā)生;這樣就可實現(xiàn)在有效抑制鋼－ 渣界面?zhèn)鳎跲］的同時實現(xiàn)回［Si］回［P］的控制。安鋼采用預熔渣洗料進行凈化鋼水和轉爐終渣改質處理，預熔渣洗料組分為CaO%:40 － 45、Al2O3%:20 － 25、Al%:8 －20、SiO2%:8 －15、CaF%:3 －5，加入量按1．0 kg/t ～1．5 kg/t，影響鋼水溫度可控制在10℃以內，總體應用效果較好，隨即抽取10 爐爐渣改質后組分分析見表6。

表6 爐渣改質后組分分析

3．3 連鑄工序

連鑄工序的關鍵在于控制非穩(wěn)態(tài)澆鑄及鑄坯質量。保持穩(wěn)態(tài)澆鑄和良好的設備工況是鑄坯質量保證的前提，尤其在連鑄生產(chǎn)中控制非穩(wěn)態(tài)澆鑄非常關鍵，除正常的開機操作外，造成非穩(wěn)態(tài)澆鑄的主要因素有中包水口/板間吸氣、結晶器液面卷渣、水口結瘤降速、溫低堵水口、耐材蝕損異常等，其中水口結瘤是該鋼種連鑄生產(chǎn)過程中常見的問題，結合以往研究的結論［6］做簡要論述，連鑄中間包澆鋼控制示意圖見圖3。連鑄出現(xiàn)上水口結瘤后關閉中間包滑板，從上水口內取出殘留鋼水棒縱剖分析、浸入式水口結瘤后分析分別見圖4、圖5。

圖3 中間包澆鋼示意圖

圖4 中間包上水口內殘樣縱剖圖

圖5 浸入式水口結瘤殘樣圖

從圖3、圖4 可以看出，一旦中間包上水口發(fā)生結瘤，塞棒位置被迫上移增加開口度方可保證正常的通鋼量，隨著結瘤程度的加劇，塞棒控流作用失效，澆鋼生產(chǎn)只能選擇降速或停澆;從圖5 看浸入式水口結瘤后在水口內壁會聚集大量灰白色的(Al2O3)夾雜物，嚴重影響澆鋼質量，因此穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的前提是鋼水潔凈度必須有保證。

3．4 實施效果

1)成分控制:SPHE 化學成分設計控制范圍見表7(隨即選取20 爐的中間包成分)。

表7 SPHE 化學成分設計控制范圍

從表7 可以看出，成份控制全部達標，完全滿足鋼種需求，未見回［Si］回［P］超標現(xiàn)象。

2)鑄坯低倍分析:該鋼種屬于低碳低硅低錳鋼種，鑄坯的熱塑性及元素偏析均較易控制，對應低倍分析評級可達到C 類0．5 級，同時未見鑄坯中間裂紋。

3)鋼中夾雜物及T［O］分析:隨即抽取10 爐進行夾雜物評級分析，同時選取5 爐中間包鋼水樣加工成φ5 mm ×6 mm 的棒樣，采用N－O 分析儀做T［O］分析，結果見表8。分析認為可以滿足產(chǎn)品對夾雜物控制的需要。

表8 夾雜物評級及鋼中T［O］分析

綜上所述，分析認為采用工藝路線(1)時，通過制定科學合理的控制策略，完全可以實現(xiàn)該鋼種的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結論

1)結合工藝路線進行成本分析認為:采用工藝路線(1)生產(chǎn)成本最低，比工藝路線(2)及工藝路線(3)分別節(jié)約成本約合噸鋼30 元和50 元～60元。

2)圍繞產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性及可靠性，針對工藝路線(1)分別進行了成分設計論證分析、生產(chǎn)成本分析、工序控制分析等，并制定了相應的優(yōu)化策略，通過實踐證明采用工藝路線(1)生產(chǎn)優(yōu)質冷軋基料的方案是可行的。

［1］張遠強，王新志，王三忠，等．低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼低成本冶煉工藝優(yōu)化［J］．鋼鐵研究，2011，39(4):16 －19．

［2］孫玉強 劉社牛 蘇伯輝．安鋼低碳低硅鋼SPHC 生產(chǎn)工藝研究［J］．河南冶金，2008，16(2):40 －42．

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［4］歐陽瑜，李力，劉海強，等． 優(yōu)質冷軋基料SPCC 生產(chǎn)工藝優(yōu)化研究［J］．中國冶金，2011，21(08):30 －33．

［5］劉中柱，蔡開科． BOF－RH－CC 生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼潔凈度研究［J］． 鋼鐵，2001，36(4):23 －26．

［6］毛盡華．采用BOF－RH －CC 工藝生產(chǎn)低碳低硅鋼［J］． 鋼鐵研究，2012，40(5):45 －48．