降低轉(zhuǎn)爐直上連鑄鋼水夾雜物的應(yīng)用實(shí)踐

李軍輝，張永亮，方偉偉，何 琨，畢麗燕

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100）

1 前 言

隨著對(duì)鋼材潔凈度要求的提高，夾雜物控制技術(shù)已成為現(xiàn)代潔凈鋼冶煉的主要內(nèi)容之一，不同鋼種對(duì)夾雜物的性質(zhì)、成分、數(shù)量、粒度和分布有不同的要求。在過去，人們的注意力主要集中在對(duì)夾雜物的尺寸、數(shù)量和夾雜物去除的控制上，而對(duì)夾雜物的成分和形態(tài)的控制關(guān)注不夠。本文主要結(jié)合熱軋部煉鋼線轉(zhuǎn)爐鋼水不用精煉，通過采取有效的工藝優(yōu)化措施，使夾雜物含量及形態(tài)得到了有效控制，滿足鋼水不用采取精煉能夠生產(chǎn)精品鋼的目標(biāo)，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

2 主要夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量的影響機(jī)理

鋼的性能主要取決于鋼的化學(xué)成分和組織。目前，用戶對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性、加工性能等要求日趨提高。鋼種夾雜物主要以非金屬化合物形態(tài)存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，造成鋼的組織不均勻，而且他們的幾何形狀、化學(xué)成分、物理因素等不僅使鋼的冷熱加工性能和某些物理指標(biāo)惡化，而且還能降低鋼的機(jī)械性能和疲勞性能。

2.1 Al2O3夾雜

此類夾雜物為鋼中內(nèi)生夾雜物。在鎮(zhèn)靜鋼中，采用有Al 脫氧工藝，即用Fe-Al 或Al 脫氧時(shí)Al2O3是常見氧化物夾雜中對(duì)鋼質(zhì)影響最大的一類，它屬于脆性不變形夾雜物，與基體的熱變能力差異較大，在熱加工的應(yīng)力作用下，大塊的Al2O3等脆性夾雜，經(jīng)變形破碎成具有尖銳菱角的夾雜，并成鏈狀分布在集體中。這些堅(jiān)硬的形狀不規(guī)則的Al2O3夾雜物能將基體劃傷，并在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中場(chǎng)直至在交界面處形成空隙和裂紋。在中高碳鋼，尤其在重軌鋼中，Al2O3夾雜在周期應(yīng)力的作用下會(huì)成為疲勞源，最終因疲勞裂紋的擴(kuò)展造成大塊金屬脫落導(dǎo)致鋼的斷裂。根據(jù)國(guó)內(nèi)客車運(yùn)行和制動(dòng)條件，應(yīng)用斷裂力學(xué)理論計(jì)算表明，當(dāng)Al2O3夾雜＞26 μm時(shí)，也可使之成為疲勞裂紋源，因此在重軌的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)非金屬夾雜物Al要求特別嚴(yán)，即“B類夾雜物≯I級(jí)”。

2.2 硅酸鹽及鈣的鋁酸鹽夾雜

此類夾雜物成分復(fù)雜，他的產(chǎn)生受鋼液脫氧工藝、鋼水條件及澆注系統(tǒng)中耐火材料使用情況等的影響，有內(nèi)生的，也有外來的，還有內(nèi)外共同作用的。在軋制過程中，這些夾雜物保持原來的球點(diǎn)狀，特別是硅酸鹽夾雜，他在鋼的凝固過程中，由于冷卻速度較快，某些液態(tài)硅酸鹽來不及結(jié)晶，其全部或部分以過冷液體即玻璃態(tài)的形式存在，在800～1 300 ℃，塑性以其組成不同變化很快。在低碳鋼特別是沸騰鋼中，此類夾雜物會(huì)使盤條塑、韌性降低，或引起鋼帶分層。

3 當(dāng)前熱軋部煉鋼線的現(xiàn)狀及調(diào)整方案

山東泰山鋼鐵集團(tuán)熱軋部煉鋼轉(zhuǎn)爐工序現(xiàn)有60 t轉(zhuǎn)爐兩座，主要冶煉工藝技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐工藝流程

目前轉(zhuǎn)爐工藝受生產(chǎn)成本及配套設(shè)施的制約，80%鋼種采用轉(zhuǎn)爐直上連鑄的組織模式。本生產(chǎn)模式有利于生產(chǎn)成本降低，但對(duì)鋼水潔凈度，鋼種夾雜物的達(dá)標(biāo)率造成很大制約，特別是1.0 級(jí)夾雜物達(dá)標(biāo)率2018 年完成66.17%。為改變此前局面，優(yōu)化工藝技術(shù)方案，進(jìn)一步降低直上鋼種夾雜物級(jí)別達(dá)標(biāo)率，特對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)整后的工藝方案如圖2所示。

圖2 優(yōu)化調(diào)整后轉(zhuǎn)爐工藝流程

3.1 滑板擋渣技術(shù)應(yīng)用

擋渣效果直接影響夾雜物控制，尤其是C類夾雜物，保證合適的鋼包渣層，既能保證成分控制，又能為鋼包頂渣改質(zhì)（鋼包鈣處理）創(chuàng)造良好的運(yùn)行條件。通過引進(jìn)轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)和設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)鋼包渣層的良好控制提供了保證，目前鋼包渣層達(dá)標(biāo)率由原來的95%提高至99.9%。

3.2 渣洗劑的加入

轉(zhuǎn)爐出鋼加入渣洗劑，能有效的降低鋼中的氧、硫和非金屬夾雜物含量，它可以把氧降至0.002%，硫降至0.005%之內(nèi)。乳化的渣隨鋼流攪動(dòng)的同時(shí)不斷碰撞合并長(zhǎng)大上浮，排出夾雜物，從而達(dá)到充分脫氧、脫硫、排雜的作用。

3.3 鋼包喂線

用純度非常高的鋁線脫氧，鋁是非常好的脫氧劑，其脫氧的化學(xué)模式有以下幾種：

但是在喂入鋁線的時(shí)候要面對(duì)較嚴(yán)重的問題是鋁熱反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)是以鋁和氧化鐵為主要反應(yīng)物的發(fā)熱反應(yīng)，當(dāng)溫度超過1 250 ℃時(shí)，鋁激烈氧化燃燒，放出大量的熱能，這種放熱反應(yīng)的溫度可以達(dá)到3 000 ℃以上，但作用時(shí)間短。但對(duì)鋼水有一定影響，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喂入鋁線＞100 m 時(shí)，鋼水溫度會(huì)提升5～10 ℃。

脫氧產(chǎn)物對(duì)鋼水的影響。大量使用鋁粒脫氧產(chǎn)生的氧化鋁夾雜物多數(shù)熔點(diǎn)較高，在連鑄溫度下呈固態(tài)，很容易在中間包水口處聚積引起堵塞。而且殘留在鋼中的Al2O3夾雜物與鋼的基體相比呈硬脆性，在軋制過程中很容易破碎并且延軋制方向連續(xù)分布，從而造成嚴(yán)重的缺陷。Al2O3系夾雜物的密度比鋼水密度小，如果能夠控制鋁脫氧產(chǎn)物的形態(tài)使其在煉鋼連鑄溫度下呈液態(tài)，就可以使大量的這類脫氧產(chǎn)物在進(jìn)入中間包之前從鋼水中上浮去除，不僅可以減輕中間包水口的堵塞問題保證連鑄順利進(jìn)行，而且可以增加鋼的清潔度，提高鋼的夾雜物達(dá)標(biāo)率。在此種情況下，最好的辦法就是鈣處理。通過向鋼水中加入鈣使其與鋁氧化物形成Cao-Al2O3系化合物，從而達(dá)到對(duì)Al2O3夾雜物的改進(jìn)。通過對(duì)標(biāo)不銹鋼碳鋼線工藝操作流程，發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)在使用這種方法進(jìn)行夾雜物的吸附，但其鋼水通過繼續(xù)精煉而進(jìn)一步完成夾雜物的吸附和排除，顯然這是熱軋部無法具備的先決條件，所以泰鋼熱軋部通過加入渣洗劑替代石灰完成夾雜物的吸附作用。

3.4 吹氬前期喂入鋁線

在出鋼完成后，關(guān)閉滑板（滑板擋渣）會(huì)有部分鋼水滯留在爐子內(nèi)，無論從生產(chǎn)成本還是濺渣護(hù)爐的方面考慮都是不利因素。實(shí)際生產(chǎn)中，這部分鋼水還是要放進(jìn)鋼包內(nèi)的，這股鋼水是鋼渣混合的，是不利于鋼水質(zhì)量控制的，所以在吹氬初期就喂入鋁線使鋼水中的Als 含量控制在0.008%～0.01%，從而細(xì)化晶粒把夾雜物控制在一個(gè)較低的水平。

3.5 過程吹氬12～15 min

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)出鋼過程中就開始吹氬是最有利于夾雜物的上浮和吸附的。結(jié)合出鋼過程中的鋼水動(dòng)力攪拌，渣洗劑的鈣處理，鋁粒的放熱反應(yīng)，合金的合金化，此時(shí)的鋼包已經(jīng)變成了一個(gè)反應(yīng)釜。大量產(chǎn)生氣體，脫氧，合金和侵蝕夾雜物。通過氬氣的吹入使部分氣體夾雜、脫氧夾雜通過渦流剪切上浮粉碎，從而更好的去除鋼中的夾雜物。進(jìn)入吹氬站之后再通過12～15 min 的分階段氣量控制大小吹氬，從而促使夾雜物進(jìn)一步上浮吸收。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

通過改進(jìn)操作方法，實(shí)際上把爐后吹氬站變成了一個(gè)簡(jiǎn)單化的精煉爐，出鋼過程中渣洗劑、合金的加入，形成了一個(gè)精煉造渣過程，再通過吹氬初期的鋁線喂入更加強(qiáng)了成渣因素，所以在吹氬6 min取的渣樣已和精煉渣樣類似，渣色由原來的黑渣變?yōu)楝F(xiàn)在的玻璃渣，提高了爐渣吸附夾雜能力。

實(shí)施前夾雜物達(dá)標(biāo)率完成情況：夾雜物級(jí)別≤1.0級(jí)完成79.87%，夾雜物級(jí)別≤0.5級(jí)完成57.5%。

實(shí)施后夾雜物達(dá)標(biāo)率完成情況：夾雜物級(jí)別≤1.0 級(jí)完成95.1%，夾雜物級(jí)別≤0.5 級(jí)完成90.1%。同時(shí)也降低了脫氧劑消耗，由原來的3.17 kg/t鋼降至1.549 kg/t鋼，實(shí)現(xiàn)效益10.88元/t鋼。

熱軋部煉鋼線2019 年之前鋼水脫氧全部用鋁錳鐵，鋁錳鐵含鋁48%，價(jià)格10 660元，成本居高不下，而鋁粒、鋁線價(jià)格13 025元但鋁含量99%，在同樣脫氧的條件下，成本明顯降低，2020 年累計(jì)創(chuàng)效605.55萬元。

通過此種工藝優(yōu)化，熱軋部直上鋼種夾雜物級(jí)別大大降低，產(chǎn)品質(zhì)量取得質(zhì)的飛躍，碳鋼夾雜物控制水平處于全國(guó)先進(jìn)水平，為潔凈鋼平臺(tái)的最終建立打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也使泰鋼品牌得到進(jìn)一步提升。