宣鋼45號(hào)圓鋼質(zhì)量的控制研究

孫巧梅

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司， 河北 宣化 075100）

宣鋼采用鐵水預(yù)處理→LD轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→連鑄→軋鋼工藝生產(chǎn)45號(hào)圓鋼。最近宣鋼生產(chǎn)的45號(hào)圓鋼下游用戶在使用過(guò)程中出現(xiàn)鍛打開裂、硬度不夠和裂紋等質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在鋼材表面質(zhì)量不穩(wěn)定，熱頂鍛產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在現(xiàn)有工藝條件下，針對(duì)宣鋼現(xiàn)行45號(hào)圓鋼的生產(chǎn)工藝流程，通過(guò)跟蹤實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)取樣、低倍檢驗(yàn)、金相顯微鏡分析、大樣電解分析、掃描電鏡分析等方法，對(duì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)開展了研究工作，并通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣、優(yōu)化精煉渣料、加強(qiáng)保護(hù)澆注等措施提高鋼水潔凈度，進(jìn)一步提高和穩(wěn)定圓鋼產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求[1]。

1 宣鋼45號(hào)圓鋼質(zhì)量現(xiàn)狀分析

1.1 圓鋼表面缺陷分析

Φ50圓鋼加工過(guò)程中內(nèi)部發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋。熱頂鍛試樣，腳部裂紋呈簇狀分布，長(zhǎng)短不一，最長(zhǎng)約30 mm，并延伸至底面下。宏觀觀察，試樣側(cè)面有兩條成平行分布的縱向裂紋存在，裂紋內(nèi)側(cè)個(gè)別部位有氧化鐵皮存在，從宏觀尺寸看，裂紋很有可能在煉鋼工序形成。

金相檢驗(yàn)表明，試樣表面發(fā)現(xiàn)暫無(wú)明顯的脫碳現(xiàn)象。

1.2 鑄坯缺陷分析

鑄坯的質(zhì)量調(diào)研采用現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、取樣、酸洗的方法，記錄了多個(gè)爐次的鑄坯表面和內(nèi)部缺陷。

1.2.1 鑄坯表面缺陷

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面有一定程度的劃傷。劃傷的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，有時(shí)貫穿整個(gè)鑄坯，分布在矩形坯的寬面和窄面；寬度一般為幾毫米到幾厘米，深小于3 mm。

1.2.2 鑄坯內(nèi)部缺陷

經(jīng)多個(gè)爐次調(diào)研，鑄坯的內(nèi)部缺陷主要表現(xiàn)為級(jí)別較低的皮下裂紋和中心縮孔。大多爐次會(huì)在距離表面4～20 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生皮下裂紋，皮下裂紋一般分布在靠近鑄坯的內(nèi)弧和窄面，裂紋級(jí)別較低，一般為0.5級(jí)，寬度小于2 mm，長(zhǎng)度小于5 mm。

2 研究方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析相結(jié)合的方式，對(duì)45號(hào)圓鋼的各環(huán)節(jié)氧氮值進(jìn)行分析，系統(tǒng)研究45號(hào)圓鋼潔凈度水平和夾雜物的主要來(lái)源、組成及演變規(guī)律并分析現(xiàn)行工藝條件下影響鑄坯潔凈度的主要因素，提出針對(duì)性的工藝改進(jìn)措施。45號(hào)圓鋼的化學(xué)成分見表1[2]。

表1 45號(hào)圓鋼的化學(xué)成分 %

2.1 試驗(yàn)工藝流程

宣鋼轉(zhuǎn)爐45號(hào)圓鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水脫硫扒渣→120 t轉(zhuǎn)爐→130 t LF精煉爐→連鑄機(jī)。本次試驗(yàn)調(diào)查僅從轉(zhuǎn)爐到連鑄坯為止。

2.2 取樣方案

取樣針對(duì)LF爐→中間包→鑄坯的流程進(jìn)行跟蹤取樣，連續(xù)取6爐，每爐的取樣方案具體如下。

2.2.1 氧氮含量分析

取樣工位為L(zhǎng)F爐-中間包-鑄坯。用Φ40 mm×100 mm的真空小提桶在LF爐進(jìn)站、鈣處理后、LF出站以及中間包的第8流鑄坯，然后切割出Φ5 mm×40 mm的氣體樣進(jìn)行檢測(cè)；在第8流鑄坯中直接加工氣體樣。

2.2.2 顯微夾雜分析

取樣工位與氧氮分析的工位相同，通過(guò)從所取的小提桶樣中切割出15 mm×15 mm×15 mm的金相樣，進(jìn)行顯微夾雜物分析。

2.2.3 大型夾雜物分析

取樣的工位為L(zhǎng)F爐-中間包-鑄坯。用Φ80 mm×180 mm的大提桶在LF爐進(jìn)站、鈣處理后、LF出站以及中間包的第8流和第12流取大提樣然后加工成Φ50 mm×150 mm電解大樣；在第8流和第12流鑄坯內(nèi)弧部位取電解大樣，使其包括夾雜物最多的內(nèi)弧1/4處。

2.2.4 渣樣分析

取樣工位為L(zhǎng)F進(jìn)站渣層、LF出站渣層。分別用作化學(xué)分析和其他性能的測(cè)定。

3 宣鋼45號(hào)圓鋼各工序的潔凈度研究

3.1 各工序氮氧含量分析

對(duì)各工位加工的氣體棒樣進(jìn)行氧氮含量的分析，檢測(cè)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 各工位中氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）變化 10-6

表3 各工位中氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）變化 10-6

分析表2、表3可知，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)有的爐次終點(diǎn)下渣量不穩(wěn)定，導(dǎo)致鋼水終點(diǎn)氧含量幅度較大，鋼水中T[O]含量在鈣處理后不減反增，說(shuō)明鋼水出現(xiàn)二次氧化產(chǎn)生了新的氧化物；在中間包階段鋼水發(fā)生了二次氧化，產(chǎn)生了新的夾雜物。鋼水從大包到中間包雖然時(shí)間短，但增氮量大，這也間接證明了鋼水發(fā)生了二次氧化[3]。

3.2 各工序顯微夾雜分析

從LF進(jìn)站—中間包—鑄坯各工位將從6爐45號(hào)圓鋼所取的試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光后，在顯微鏡下觀察夾雜物的形貌、尺寸、類型，放大倍數(shù)為800倍，按夾雜物尺寸分為＜1.25 μm、1.25～2.5 μm、2.5～5 μm、5～10 μm、＞10 μm 五級(jí)，用直線法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表4。

表4 各工位夾雜物數(shù)量變化（I值） 個(gè)/mm2

單位面積上當(dāng)量直徑為B的夾雜物的個(gè)數(shù)：

式中：I為單位面積上夾雜物的當(dāng)量個(gè)數(shù)，個(gè)/mm2；d為夾雜物直徑，mm；n為夾雜物個(gè)數(shù)；B為視域直徑，μm；D為夾雜物當(dāng)量直徑，μm；N為視域總數(shù)。

3.3 各工序大型夾雜物分析

3.3.1 LF進(jìn)站

夾雜物類型主要有以SiO2為主的復(fù)合夾雜物，是由渣子卷入所致；有形狀不規(guī)則的幾乎純的CaO-MgO復(fù)合夾雜物，是由耐火材料剝落所致；另外還有Al2O3-CaO/CaS-TiO2-SiO2-MnO/MnS多種組合的復(fù)合夾雜物。它們的當(dāng)量直徑大小多數(shù)分布在140～300 μm之間，占總的 86.36%。

3.3.2 LF喂鈣線后

分析到的大型夾雜物有純SiO2和以SiO2為主的復(fù)合夾雜物、Cu-Si-Ca-Al復(fù)合夾雜物（Cu元素的來(lái)源可能是廢鋼）、Si-Al-Ca-Mg復(fù)合夾雜物以及MgO-CaO復(fù)合氧化物等。同樣，它們的當(dāng)量直徑大小多數(shù)分布在140～300 μm之間，占總量的71.43%。

3.3.3 LF爐出站

典型的大型夾雜物主要有純SiO2、Al2O3-CaO/CaS-SiO2-TiO2復(fù)合夾雜物和Al2O3-SiO2-MnO復(fù)合夾雜物。經(jīng)過(guò)20 min的軟吹，一部分大型夾雜物得到去除，類型基本無(wú)變化。

3.3.4 中間包

分析到的夾雜物主要為純SiO2、Al2O3-SiO2-CaO復(fù)合夾雜物和Al2O3-MnO-SiO2-TiO2復(fù)合夾雜物等。夾雜物大多為球形或橢球形，其當(dāng)量直徑大小75%分布在140～300 μm之間。

3.3.5 鑄坯

鑄坯中檢測(cè)到的夾雜物主要有以SiO2為主的復(fù)合夾雜物，尺寸約300 μm，是由外來(lái)的渣子卷入導(dǎo)致的；有以Al2O3為主的Al-Ca-Mg復(fù)合夾雜物，尺寸約為100 μm，源于塞棒絮流物或浸入式水口結(jié)瘤物（發(fā)現(xiàn)多爐連澆后塞棒侵蝕嚴(yán)重）；還有形狀不規(guī)則的MgO-CaO復(fù)合夾雜物，屬于耐材剝落所致；另外，還發(fā)現(xiàn)了含Na2O為10.20%的大型夾雜物，有的甚至含K2O，形狀不規(guī)則，來(lái)源于結(jié)晶器卷入的保護(hù)渣[4]。

3.4 45號(hào)圓鋼精煉渣成分分析

宣鋼45號(hào)鋼LF爐精煉渣成分見表5。

表5 LF爐精煉渣成分表%

4 提高宣鋼45號(hào)圓鋼質(zhì)量的工藝改進(jìn)

4.1 煉鋼工序的優(yōu)化

4.1.1 轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)用可塑性擋渣泥塞代替擋渣球

針對(duì)擋渣球擋渣效果差，容易下渣影響鋼水潔凈度的問題，宣鋼對(duì)張家口市宣化盛安制造有限公司生產(chǎn)的可塑性擋渣泥塞進(jìn)行試驗(yàn)。該擋渣塞使用后，能夠控制吹煉過(guò)程鋼渣從出鋼口流出及前期渣進(jìn)入鋼包，擋成率達(dá)到100%[5]。

4.1.2 調(diào)整轉(zhuǎn)爐頂渣的加入

1）將LF精煉所用的白灰及螢石全部放到轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程加入，并減少了螢石用量。加入時(shí)間要求從出鋼1/5開始加入，到擋渣車開動(dòng)前加完。

2）頂渣加入量為白灰1 400 kg，螢石200 kg，為保證料熔化，按三批進(jìn)行組批，頭兩批為白灰500 kg，螢石70 kg，最后一批為白灰400 kg，螢石60 kg。

4.2 精煉工序的優(yōu)化

4.2.1 優(yōu)化精煉渣料結(jié)構(gòu)

1）確定 45號(hào)圓鋼最佳渣系組成為：w（CaO）=50%～55%，w（SiO2）=10%～15%，w（Al2O3）=18%～22%，w（MgO）=5%～8%，w（CaF2）＜5%。

2）對(duì)精煉脫氧劑加入順序和氬氣流量控制進(jìn)行了規(guī)范，同時(shí)延長(zhǎng)了上電時(shí)間（增加5 min），從精煉渣樣直觀效果和分析結(jié)果看，白渣效果有明顯進(jìn)步，w（FeO）＋w（MnO）的平均值≤1%，增強(qiáng)了爐渣吸附夾雜物的能力，降低了鋼中夾雜物含量。

4.2.2 改善吹氬和鈣處理效果

重新設(shè)計(jì)鋼包底吹位置，優(yōu)化鋼包流場(chǎng)，有效消除“死區(qū)”，縮短鋼液混勻時(shí)間，均勻溫度成分、有利于夾雜物上浮去除。

4.3 連鑄工序的優(yōu)化

設(shè)計(jì)中包離線對(duì)中裝置，嚴(yán)格按流間距安裝中包坐磚，以保證中包水口的對(duì)中。操作中保證了浸入式水口與結(jié)晶器的中心線偏差不超過(guò)20 mm，插入鋼液面深度100～130 mm。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)宣鋼45號(hào)圓鋼連鑄坯、圓鋼進(jìn)行取樣分析，得出鑄坯皮下氣泡和裂紋導(dǎo)致了45號(hào)圓鋼熱頂鍛開裂，其主要原因?yàn)殇撘好撗醪涣?，結(jié)晶器卷渣和大顆粒夾雜物。

2）在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)使用可塑性擋渣塞代替擋渣球擋渣，減少鋼水下渣量，降低鋼水氧化性。將LF精煉所用的白灰及螢石全部放到轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程加入，做到提早化渣，提高爐渣吸附夾雜能力。

3）優(yōu)化精煉渣料，重新制定得45號(hào)圓鋼渣系增強(qiáng)了爐渣吸附夾雜物的能力，降低了鋼中夾雜物含量。

4）連鑄工序通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中包離線對(duì)中裝置和中包液面高度，保證夾雜物充分上浮，定期排渣，避免了結(jié)晶器卷渣的現(xiàn)象。

[1]蔡開科.連鑄坯質(zhì)量控制[M].北京：北京工業(yè)出版社，2010.

[2]姜碧濤，閆衛(wèi)兵，林騰昌.圓鋼表面裂紋產(chǎn)生原因的遺傳性試驗(yàn)研究[J].工業(yè)加熱，2015，44（4）:34-35．

[3]張江山，李京社，楊樹峰.鑄坯表面劃傷在圓鋼軋制過(guò)程的演變研究[J].軋鋼，2014，31（6）：28-30．

[4]靳星，何烈云，張悅.圓鋼熱頂鍛合格率攻關(guān)實(shí)踐[J].南鋼科技與管理，2013（4）：22-27．

[5]馬志偉，孫貴平，易華.45號(hào)圓鋼鑄坯缺陷控制生產(chǎn)實(shí)踐[J].中國(guó)冶金，2012，22（Z1）：106-109．