含硫鋼生產(chǎn)工藝研究與實(shí)踐

(1.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

20MnV6S、E355S等含硫含鋁易切削鋼用于生產(chǎn)機(jī)加工用管，為提高產(chǎn)品的機(jī)加工性能，對(duì)硫含量提出了范圍要求，為細(xì)化晶粒，通常對(duì)此類鋼種加入一定量的鋁，一般鋁含量控制為0.020%～0.050%。如何精確地控制硫含量及防止因Al2O3與CaS夾雜物生成而造成的水口結(jié)瘤，是此類鋼種生產(chǎn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1-3]。針對(duì)這一難題，國(guó)內(nèi)外冶金工作者也進(jìn)行了大量相關(guān)研究。

陳宣宇[4]等介紹了國(guó)內(nèi)外易切削鋼的研究現(xiàn)狀和主要的類型、特點(diǎn),總結(jié)了易切削鋼的優(yōu)缺點(diǎn),提出了未來(lái)易切削鋼的發(fā)展方向。朱兆順[5]等對(duì)12L14易切削鋼的特性及用途進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，制定了易切削鋼熱軋盤條的生產(chǎn)試制工藝，分析了生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果。王華[6]介紹了造成水口堵塞的原因,并利用掃面電鏡,具體分析了南京鋼鐵聯(lián)合有限公司含硫含鋁鋼浸入式水口內(nèi)壁結(jié)瘤物的成分,結(jié)果顯示其主要為Al2O3夾雜。孫彪[7]通過(guò)對(duì)含硫鋼浸入式水口結(jié)瘤物物相組成、結(jié)瘤產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，采用精煉過(guò)程鈣處理工藝、加強(qiáng)連鑄保護(hù)澆鑄等措施后，水口結(jié)瘤物厚度由平均10 mm減少至4 mm。張惠杰[8]等通過(guò)控制電爐終點(diǎn)碳含量≥0.07%，按目標(biāo)成分控制w([S])、w([Al])及w(Ca)/ω(AL)值，連鑄鋼水過(guò)熱度25～40 ℃等工藝措施，避免了連鑄過(guò)程的水口堵塞，提高了連鑄連澆爐次數(shù)。馬富平[9]等通過(guò)控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w([O])≤600×10-6，RH-OB脫碳后加鋁粒脫氧等工藝措施,基本避免超低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼水口堵塞,連澆爐數(shù)得到提高。本文針對(duì)衡鋼含硫鋼造成水口結(jié)瘤而中斷連澆問(wèn)題，進(jìn)行了分析研究。

1 衡鋼含硫鋼生產(chǎn)工藝存在的問(wèn)題

衡鋼在生產(chǎn)含硫含鋁鋼初期，因工藝不成熟，成品硫元素控制極不穩(wěn)定，且因鋼水可澆注性差，生產(chǎn)過(guò)程極易造成水口結(jié)瘤而中斷連澆，連澆爐數(shù)≤3爐。

1.1 初步工藝方案

(1)出鋼終點(diǎn)控制：w(C)≥0.05%，w(P)≤0.010%，T≥1 620 ℃。

(2)出鋼時(shí)鋼包渣料及脫氧材料加入：精煉合成渣1.5 kg/t，石灰5.0 kg/t。鋁1.4 kg/t。

(3)精煉過(guò)程用碳化鈣和碳粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，分批均勻加入，保持良好的還原氣氛。

(4) VD前喂鋁線，喂鋁線后喂入純鈣線1.0 m/t。

(5)純鈣線喂入后加入硫鐵，硫含量按0.025%～0.035%控制(硫鐵含硫量42%，收得率按80%計(jì))。

(6)破空后補(bǔ)喂線鈣線0.8 m/t(連澆爐號(hào)不補(bǔ)喂)，取樣，并根據(jù)硫含量情況補(bǔ)加硫鐵。

(7)吊包硫按工藝要求下限+0.005%～下限+0.015%目標(biāo)控制。

1.2 生產(chǎn)過(guò)程情況

按此方案先后組織了兩次試生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程存在較多問(wèn)題：

(1)第一次只試生產(chǎn)了1爐鋼，LF終點(diǎn)w(S)=0.005%，加硫鐵7.5kg/t鋼，計(jì)劃VD前w(S)按0.035%目標(biāo)控制，VD后取樣w(S)=0.006%，增w(S)=0.001%，說(shuō)明在VD前加硫鐵增硫收得率太低。

(2)第二次試生產(chǎn)了5爐鋼，為穩(wěn)定硫鐵收得率，硫鐵均改在VD后加入，此5爐鋼過(guò)程硫含量及硫鐵加入情況見表1。

表1 VD后硫含量及硫鐵加入情況表

從表1看：使用VD后加硫鐵的方式增硫，硫收得率仍不穩(wěn)定，硫鐵綜合收得率最低為12.05%(精煉過(guò)程加硫鐵最低收得率僅為4.63%)，最高為40.16%，一般在15%左右。

(3)第二次試生產(chǎn)在澆次第二爐鋼即出現(xiàn)了嚴(yán)重水口結(jié)瘤現(xiàn)象，生產(chǎn)被迫中斷，5爐分成2個(gè)澆次進(jìn)行生產(chǎn)。整個(gè)澆次結(jié)晶器液位波動(dòng)明顯，塞棒開啟度曲線處于上升趨勢(shì)，各個(gè)流次水口有結(jié)瘤走勢(shì)，各個(gè)流次的澆鑄曲線如圖1所示。

圖1 各流次的澆鑄曲線

2 含硫鋼生產(chǎn)過(guò)程水口結(jié)瘤物分析

(1)按初步方案生產(chǎn)的含硫鋼，VD前加硫鐵增硫，因LF終渣堿度較高(見表2)，VD抽氣過(guò)程脫硫能力強(qiáng)，故VD后硫距目標(biāo)值相差較大，VD后仍需補(bǔ)加大量硫鐵。

表2 初步方案LF終渣

(2)因硫鐵較輕(密度較小，約5.2×103kg/m3),VD后加入時(shí)難以沉入鋼液中，故收得率仍低，且極不穩(wěn)定，其收得率與VD后的爐渣流動(dòng)性、稀薄、及氬氣開啟大小等均有較大關(guān)系。

(3) VD后使用硫鐵增硫，為使硫鐵充分進(jìn)入鋼液(提高硫鐵收得率)，加完硫鐵后，需開大Ar氣攪拌。此5爐鋼喂絲情況及吊包硫、鈣含量等情況見表3。

從表4看：①爐號(hào)2，吊包鈣22×10-6，w(S)=

表3 初步方案喂絲量及吊包硫、鈣含量等情況

0.048%，吊包硫含量超內(nèi)控要求，且遠(yuǎn)高于其他爐號(hào)；②此5爐鋼吊包酸溶鋁比在92%～96%，而其它鋼種酸溶鋁比基本在96%～99%，說(shuō)明VD后加大量硫鐵對(duì)鋼水質(zhì)量有一定影響，VD后(吊包前)鋼中氣體含較高，氧含量達(dá)到了40×10-6；③第二次生產(chǎn)的第一個(gè)澆次吊包硫、鈣含量均較高，出現(xiàn)了嚴(yán)重水口結(jié)瘤現(xiàn)象，水口結(jié)瘤物見圖2。

水口結(jié)瘤物電鏡分析，情況見圖3。

從以上分析看，水口結(jié)瘤物成分主要為：Al2O3、CaO·6Al2O3、CaO·2 Al2O3、MgO·Al2O3和CaS等高熔點(diǎn)物質(zhì)。

圖2 浸入式水口結(jié)瘤物

3 水口結(jié)瘤改善的含硫鋼生產(chǎn)工藝研究

3.1 改善水口結(jié)瘤機(jī)理分析

(1) VD后使用硫鐵增硫收得率不穩(wěn)定，且對(duì)鋼水質(zhì)量影響較大，故必須使用直接從鋼中喂入硫線的方式增硫以提高硫收得率，并減少增硫過(guò)程對(duì)鋼水質(zhì)量的影響。

(2)降低爐渣堿度，且LF及VD過(guò)程合理開啟氬氣，以保證夾雜物充分上浮的基礎(chǔ)上減少VD過(guò)程硫損。

(3)從水口結(jié)瘤物成分看有高熔點(diǎn)的Al2O3、CaO·6 Al2O3、CaO·2Al2O3等復(fù)合夾雜物，故提高電爐終點(diǎn)碳含量，降低電爐鋼水初始氧含量；改進(jìn)出鋼脫氧方式，由鋁脫氧方式改為硅脫氧方式，減少鋼中Al2O3含量，是預(yù)防水口結(jié)瘤的重點(diǎn)。

(4)此種含鋁含硫鋼進(jìn)行鈣處理的目的將高熔點(diǎn)的 Al2O3轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)的 12CaO·7 Al2O3( C12A7)。鈣的喂入量太少，不足以將 Al2O3轉(zhuǎn)化為 C12A7，喂入量過(guò)多( 當(dāng)鋼水中含有一定數(shù)量的硫時(shí))，又會(huì)生產(chǎn)CaS。CaS 與Al2O3一樣也會(huì)使水口堵塞。故鈣處理量必須合適，避免生產(chǎn)CaS。

(5)鈣處理必須保證一定的軟吹氬時(shí)間，再進(jìn)行增硫操作，以保證變性后的夾雜物充分上浮，并避免生產(chǎn)CaS夾雜。

(6)增硫操作后應(yīng)保證足夠的軟吹氬時(shí)間，以使各類夾雜物充分上浮。

(7)加強(qiáng)澆注過(guò)程氬封保護(hù)，減少澆注過(guò)程二次氧化。

3.2 含硫鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化

(1)出鋼終點(diǎn)控制：w(C)≥0.07%。

(2)出鋼時(shí)鋼包渣料及脫氧材料加入：精煉合成渣1.5 kg/t，石灰5.0 kg/t、瑩石1.0 kg/t，硅3.5 kg/t。

(3)精煉過(guò)程用碳粉、碳化鈣、碳化硅進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，LF吊包轉(zhuǎn)VD前渣中w(FeO)≤0.80%，二元堿度約2.5。

(4)精煉時(shí)間≥40分鐘，白渣保持時(shí)間大于30分鐘。

(5) VD前喂鋁線1.0 m/t，鈣線0.5 m/t。

(6) VD高真空(≤67 Pa)保持時(shí)間≥10 min。極限保持時(shí)Ar流量和壓力控制以見氬氣口鋼水直徑200～300 mm左右為宜。嚴(yán)禁大氬氣攪拌，以防VD過(guò)程鋁損過(guò)大。

(7) VD后立即補(bǔ)喂鋁線，吊包鋁控制目標(biāo)0.025%～0.032%，軟吹2～3 min，喂入硫線(硫按0.018%～0.025%目標(biāo)控制)。硫線喂入后再軟吹12 min以上。

(8)中間包過(guò)熱度控制目標(biāo)：澆次第一爐過(guò)熱度按40～50 ℃控制，目標(biāo)45 ℃；連澆爐號(hào)過(guò)熱度按25～35 ℃控制，目標(biāo)30 ℃。

(9)嚴(yán)控大包下渣，全方位做好保護(hù)澆注，減輕鋼水二次氧化。

優(yōu)化后工藝與原工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)對(duì)比見表4。

表4 優(yōu)化后工藝與原工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)對(duì)比

4 工藝優(yōu)化效果

(1)通過(guò)使用VD后喂入硫線的方式增硫，硫收得率基本能穩(wěn)定在80%～90%，綜合收得率達(dá)到了87%(見表5)。

表5 硫線收得率情況

(2) 通過(guò)脫氧方式及渣料加入進(jìn)行改進(jìn)后，渣中二元堿度控制在2.5左右，見表6。

表6 精煉終渣分析

分析點(diǎn)w(O)/%w(Mg)/%w(Al)/%w(S)/%w(Ca)/%w(Fe)/%w(Ti)/%w(C)/%w(Si)/%Total/%8Mass16.951.3214.2316.7735.442.4612.84100Atom33.581.7316.7216.5728.021.391.991009Mass19.282.7418.5412.6132.152.9811.71100Atom36.403.4120.7511.8724.231.611.73100

分析點(diǎn)w(O)/%w(Mg)/%w(Al)/%w(S)/%w(Ca)/%w(Fe)/%w(Ti)/%w(C)/%w(Si)/%Total/%13Mass22.224.9625.253.6811.647.773.5620.93100Atom28.744.2219.362.376.012.880.3636.0510014Mass24.652.0421.1912.3625.706.367.70100Atom42.932.3421.8910.7517.873.171.05100

圖3 水口結(jié)瘤物電鏡分析情況

工藝優(yōu)化后，吊包上連鑄平臺(tái)前鋼中鈣含量控制在8～14×10-6，酸溶鋁比也上升至96%以上，氧含量下降至30×10-6左右(見表7)，說(shuō)明鋼水質(zhì)量大幅度提升。

表7 工藝優(yōu)化后鋼中酸溶鋁比情況

(3)工藝優(yōu)化后，連鑄生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器液位較為穩(wěn)定，液位出現(xiàn)幾次偶然性波動(dòng)應(yīng)急處理后很快變得平穩(wěn)，鋼水可澆性大為改善，連澆爐數(shù)由原來(lái)的1～3爐提高至8～10爐，最高達(dá)到了11爐。各個(gè)流次的澆鑄曲線如圖4所示。

澆后浸入式水口內(nèi)壁也明顯改善，見圖5。

(4)取各流低倍樣分析：各爐次低倍組織良好，無(wú)明顯的內(nèi)部缺陷(見圖6)。

圖4 工藝優(yōu)化后各個(gè)流次的澆鑄曲線

圖5 工藝優(yōu)化后浸入式水口內(nèi)壁

5 小 結(jié)

(1)含硫鋼用于生產(chǎn)機(jī)加工用管，為提高產(chǎn)品的機(jī)加工性能，并保證鋼的力學(xué)性能，此鋼種對(duì)硫、鋁含量均含量提出了范圍要求，故如何精確地控制硫含量及防止因三氧化二鋁及硫化鈣夾雜物生成造成的水口結(jié)瘤是此鋼種生產(chǎn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)；

(2)在生產(chǎn)此類鋼種使用喂入硫線的方式增硫，硫收得率較為穩(wěn)定，硫平均收得率達(dá)到了87%左右；

(3)通過(guò)提高電爐終點(diǎn)碳要求、改進(jìn)電爐出鋼過(guò)程脫氧方式、優(yōu)化增硫方式、優(yōu)化鈣處理量、合理控制中間包過(guò)熱度等工藝措施，鋼水的可澆性大為改善，連澆爐數(shù)由原來(lái)的1～3爐提高至8～10爐，最高達(dá)到了11爐。

圖6 低倍組織