低能耗長(zhǎng)澆次優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45 鋼生產(chǎn)實(shí)踐

盧春光，王春鋒，張俊路，樊寶華

（陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45 鋼具有一定的強(qiáng)度、塑性和韌性，采用正火或調(diào)質(zhì)處理后可獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在機(jī)械零件加工等行業(yè)應(yīng)用極為廣泛[1]。結(jié)合目前市場(chǎng)和用戶要求，既要滿足下游用戶機(jī)加工質(zhì)量需求，又要有利潤(rùn)空間。這就需要生產(chǎn)低成本、高品質(zhì)的45 鋼，對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分、爐后硅錳復(fù)合脫氧及合金化技術(shù)、精煉爐高效率成渣分批脫氧及非金屬夾雜物控制技術(shù)、連鑄可澆性、連鑄坯內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行了研究。通過(guò)硅錳復(fù)合脫氧工藝實(shí)施、鋼渣界面的擴(kuò)散脫氧，降低了鋼中80%的B 類夾雜數(shù)量，大幅度降低了水口處夾雜物的黏結(jié)能力，解決了小方坯鋁脫氧水口可澆性差的技術(shù)難題，達(dá)到了高效率、低成本、長(zhǎng)澆次生產(chǎn)，從而滿足用戶需求。

1 成分設(shè)計(jì)及工藝路線

45 鋼冶煉連鑄工藝流程：120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→LF 精煉爐→R10 m 弧形連鑄機(jī)→165 mm×165 mm 連鑄坯→精整→堆冷。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及用戶需求，結(jié)合GB/T 699—2015，化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 45 鋼化學(xué)成分內(nèi)控指標(biāo)

2 冶煉關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐

2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 穩(wěn)定裝入量

轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定裝入量在148～150 t，鐵水對(duì)入量穩(wěn)定控制在123～125 t，配入廢鋼23～25 t，保證轉(zhuǎn)爐冶煉周期穩(wěn)定在25 min 左右，出鋼量穩(wěn)定在135～138 t，以便轉(zhuǎn)爐到LF 成分的精準(zhǔn)控制，為精煉爐高效、低成本生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2.1.2 脫氧方式選擇

由于陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院有限公司的小方坯采用定徑水口澆鑄，含Al 鋼中的Als 含量與水口直徑關(guān)系如圖1 所示。鋼中w（Als）＝0.02%，水口直徑大于30 mm 不堵水口；鋼中w（Als）＝0.01%，水口直徑＞20 mm 不堵水口。但是公司采用的水口直徑為15～16 mm，鋼中w（Als）必須小于0.006%才不會(huì)堵水口，因此采用非鋁脫氧生產(chǎn)。

圖1 影響水口堵塞的因素圖

2.1.3 轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)合理控制槍位高度、供氧強(qiáng)度，采用低吹高拉碳、復(fù)吹工藝，保證終點(diǎn)w（C）在0.08%～0.18%，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐低w（O）冶煉，出鋼投用滑板擋渣，下渣量控制在10 kg/t 以內(nèi)。出鋼過(guò)程：見(jiàn)鋼流加入碳粉60 kg 預(yù)脫氧，在出鋼時(shí)間的1/4 時(shí)加入合金順序?yàn)楣桠}合金→硅錳合金，加完合金后加入精煉預(yù)熔渣200 kg/爐、石灰500 kg/爐；出鋼時(shí)間≥4 min，出鋼過(guò)程全程大氬氣攪拌，快速混勻合金及化渣，形成流動(dòng)性良好的初渣，利用出鋼過(guò)程中大面積接觸和鋼渣強(qiáng)烈攪拌，起到渣洗的效果，從而促進(jìn)大部分夾雜物充分上浮。

2.1.4 初煉窄控成分精細(xì)控制

穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐裝入量，確保出鋼量的穩(wěn)定性，對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳合理控制，保證轉(zhuǎn)爐初煉成分按表2 范圍控制，平均進(jìn)線率達(dá)到95%以上，這給高效精煉創(chuàng)造了條件。

表2 轉(zhuǎn)爐到位成分控制要求

2.2 高效低成本精煉爐冶煉技術(shù)

2.2.1 快速成渣

轉(zhuǎn)爐鋼水到達(dá)LF 精煉爐工位后，精煉前期采用高電壓、短弧操作，控制氬氣流量在300～500 L/min，促進(jìn)渣料快速熔化，加強(qiáng)精煉效果，提升精煉效率，降低成本及能耗，減少碳排放量。在給電過(guò)程中快速補(bǔ)充電石、碳化硅進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，視渣況補(bǔ)加石灰、預(yù)熔渣，促進(jìn)泡沫渣的形成，利于脫氧及夾雜物充分上浮。硅脫氧工藝石灰加入不要過(guò)量，保持堿度在2.0～3.0，吸收MgO，防止連鑄絮流。精煉爐爐渣成分控制情況如表3 所示。

表3 精煉爐爐渣控制情況

2.2.2 高效脫氧

在LF 爐還原氣氛和低w（O）條件下，鋼包渣或MgO-C 磚中釋放出Mg 形成MgO·Al2O3，堵塞水口[2]。LF 爐白渣精煉時(shí)間越長(zhǎng)，MgO·Al2O3形成的越多，堵水口嚴(yán)重。硅脫氧的白渣精煉時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)；LF 精煉過(guò)程中，根據(jù)渣況、還原氣氛保持情況，加入碳化硅0.8 kg/t、碳粉0.2 kg/t 擴(kuò)散脫氧劑，精煉白渣保持時(shí)間在12～15 min，總精煉時(shí)間控制在35～45 min，通過(guò)氬氣攪拌加速鋼-渣之間物質(zhì)傳遞，利于鋼液脫氧、脫硫反應(yīng)。吹氬加速夾雜物上浮速度，將LF 爐3 根電極插入渣層中進(jìn)行埋弧加熱，輻射熱小，對(duì)包襯有保護(hù)作用，熱效率高[3]，浸入渣中石墨與渣中氧化物反應(yīng)為：C+FeO=Fe+CO，C+MnO=Mn+CO。

上述反應(yīng)不僅提高了渣的還原性，而且還提高了合金回收率，生成的CO 使LF 爐內(nèi)氣氛更具有還原性。

2.2.3 軟吹控制

軟吹以渣液面蠕動(dòng)、不裸露鋼水為標(biāo)準(zhǔn)；軟吹氬氣流量控制在50～100 L/min。軟吹時(shí)間控制在10～15 min，保證溫度、成分均勻性及利于夾雜物充分上浮，保證鋼液純凈度，滿足連鑄澆鑄的要求。

2.2.4 成品成分精確控制

為了保證鋼材批次之間質(zhì)量均質(zhì)化，要求精煉爐45 鋼的化學(xué)成分按目標(biāo)成分精準(zhǔn)控制，將各爐次之間鋼中的w（C）波動(dòng)控制在0.02%以內(nèi)，w（Mn）波動(dòng)控制在0.03%以內(nèi)，w（Si）波動(dòng)控制在0.05%以內(nèi)，成品內(nèi)控成分及目標(biāo)成分控制要求如表4 所示。

表4 成品內(nèi)控成分及目標(biāo)成分控制要求

2.3 連鑄關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 全程保護(hù)澆鑄

為防止二次氧化，全程保護(hù)澆注，連鑄增w（N）≤5×10-6，中間包使用堿性包襯，中間包密封充Ar，使用堿性覆蓋劑，進(jìn)行黑渣面澆鑄，減輕澆鑄環(huán)節(jié)的二次氧化，保證鋼液潔凈度，利于長(zhǎng)澆次穩(wěn)定澆鑄。

2.3.2 防止?jié)茶T過(guò)程下渣

為防止?jié)沧⑦^(guò)程下渣，使用鋼包下渣檢測(cè)及控制、中間包恒重、恒液位操作，鋼包自開(kāi)率達(dá)到99%以上，鋼包長(zhǎng)水口要求使用帶密封環(huán)的長(zhǎng)水口，使用前應(yīng)保持長(zhǎng)水口干燥，完好無(wú)損，通過(guò)中間包車(chē)上的長(zhǎng)水口機(jī)械手，將長(zhǎng)水口連接到大包水口上，并壓緊，接好氬封系統(tǒng)，大包開(kāi)澆前，開(kāi)通氬氣，開(kāi)澆前調(diào)節(jié)大包位置，保證長(zhǎng)水口垂直對(duì)中在穩(wěn)流器正上方，保證鑄坯內(nèi)在質(zhì)量。

2.3.3 提高非穩(wěn)態(tài)澆注的操作水平

應(yīng)提高非穩(wěn)態(tài)澆注的操作水平，由于換鋼包期間澆注處于非穩(wěn)態(tài)澆注過(guò)程，易產(chǎn)生安裝水口前敞開(kāi)澆注，二次氧化嚴(yán)重和拉速不減，中包液面下降，漩渦下渣。根據(jù)換包時(shí)間，合理控制澆鑄速度，以確保換包時(shí)中間包液面高度不低于800 mm。旋轉(zhuǎn)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，吹掃長(zhǎng)水口中的殘鋼，待澆鋼包到澆鑄位，快速安裝長(zhǎng)水口并開(kāi)澆，杜絕敞開(kāi)澆注，下水口與中包套管緊密接觸，并增加中包套管密封墊，減少耐材氣孔的吸氧量。使用中包套管吹氬，降低連接處附近空氣密度，減輕二次污染鋼液，提升連澆爐數(shù)。

3 工藝實(shí)踐效果

3.1 成分、性能穩(wěn)定控制

化學(xué)成分均勻性直接影響到鋼材質(zhì)量，化學(xué)成分窄精準(zhǔn)控制是確保鋼材均質(zhì)化的基礎(chǔ)條件。通過(guò)對(duì)裝入量、出鋼量的穩(wěn)定控制，并結(jié)合合金收得率，做到了成品成分精準(zhǔn)控制，控制情況如圖2 所示，化學(xué)成分的精準(zhǔn)控制使得鋼筋性能穩(wěn)定，波動(dòng)較小，性能控制情況如圖3 所示。

圖2 成品成分精準(zhǔn)控制情況

圖3 性能控制情況

3.2 連鑄連澆率明顯提升

通過(guò)轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定轉(zhuǎn)入量、出鋼量、碳氧積、爐后合金化順序控制、快速形成初渣、成分精確控制、連鑄“三恒”及下渣檢測(cè)等關(guān)鍵工藝技術(shù)的優(yōu)化實(shí)踐，全鋼種w（O）由前期平均55×10-6降低至22×10-6，夾雜物尺寸和數(shù)量明顯降低，連澆爐數(shù)由前期13 爐次穩(wěn)定到目前30 爐以上，全鋼種氧含量控制情況如圖4 所示，夾雜物尺寸數(shù)量密度情況如圖5 所示。

圖4 全氧含量對(duì)比圖

圖5 夾雜物尺寸數(shù)量密度圖

4 結(jié)論

對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分、爐后硅錳復(fù)合脫氧及合金化技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)通過(guò)精煉爐高效率成渣分批脫氧、非金屬夾雜物控制技術(shù)研究，以及硅錳復(fù)合脫氧工藝實(shí)施、鋼渣界面的擴(kuò)散脫氧[4]，降低了鋼中80%B 類夾雜數(shù)量，大幅度降低了水口處夾雜物的黏結(jié)能力，解決了小方坯鋁脫氧水口可澆性差的技術(shù)難題，連澆爐數(shù)由前期13 爐次穩(wěn)定到目前30 爐以上。