高效率生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)45鋼工藝實(shí)踐

周 詳，景琳琳

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 勉縣 724200）

45鋼是一種常見(jiàn)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用面廣、需求量大、機(jī)械性能好，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚色@得具有一定韌性和高耐磨性的優(yōu)質(zhì)材料。45鋼被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是機(jī)械行業(yè)的主要原料，可用于軸件、制絲、制釘、鋼絲繩、電纜線、雨傘骨架等。隨著工業(yè)的發(fā)展，45鋼市場(chǎng)需求量在大幅增加，其市場(chǎng)價(jià)格高于建筑用鋼［1-2］，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求和快速轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司結(jié)合棒材生產(chǎn)工藝，研制開發(fā)Φ20～50 mm的45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

1 工藝裝備

該公司煉鋼廠工藝裝備處于同行業(yè)領(lǐng)先水平，各車間配備了先進(jìn)的設(shè)備，在轉(zhuǎn)爐車間應(yīng)用了副槍、投彈、紅外線下渣檢測(cè)等系統(tǒng)。在連鑄車間配備首段、凝固末端電磁攪拌、自動(dòng)加渣等裝置。目前該公司已具備生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)精品鋼材的設(shè)備保障能力，工藝設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 各工序裝備配置情況

2 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)45鋼關(guān)鍵點(diǎn)在于有效控制鋼坯中的夾雜物、有害元素偏析、中心疏松以及鋼中氣體等，這些是影響鋼坯質(zhì)量和成品性能的主要因素。為此，在研制開發(fā)過(guò)程中，針對(duì)性地制定了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制、脫氧合金化、LF爐渣系優(yōu)化、軟吹制度以及低過(guò)熱度澆注、窄區(qū)間調(diào)拉速、合理二冷配水等工藝制度。主要煉鋼工藝流程如圖1所示。

圖1 主要煉鋼工藝流程

3 鋼種內(nèi)控要求

鋼水熔煉成分控制是高效連續(xù)生產(chǎn)的重要一環(huán)，根據(jù)客戶需求制定嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的公司內(nèi)部判定標(biāo)準(zhǔn)。鋼種轉(zhuǎn)爐按要求進(jìn)行冶煉控制，冶煉過(guò)程重點(diǎn)控制鋼水碳、磷含量，檢化驗(yàn)中心按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)判定。具體成分見(jiàn)表2，其中：（1）重點(diǎn)控制C、P含量按目標(biāo)值控制；（2）鋼中Ni≤0.30%；（3）鋼材氣體含量參考要求：［N］≤0.008%。

表2 45鋼熔煉成分控制要求 %

4 提質(zhì)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)

4.1 轉(zhuǎn)爐工藝控制

4.1.1 裝入量的確定

為滿足精煉生產(chǎn)需要轉(zhuǎn)爐裝入量確定150 t，根據(jù)鐵水、廢鋼條件，適當(dāng)調(diào)整廢鋼配比及噸位。對(duì)100爐45鋼裝入量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)爐裝入量

4.1.2 終點(diǎn)控制

對(duì)于中高碳，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制方法有兩種，即低拉碳增碳法和高拉碳補(bǔ)吹法。高拉碳法增碳量小，鋼中氧含量低，成品碳偏析小，但對(duì)鐵水磷、硫要求較高；低拉碳法增碳量大，鋼中氧含量高，碳偏析大，對(duì)鐵水磷、硫要求較寬，利于磷、硫的去除［3-4］。

目前該公司鐵水磷、硫含量較高，轉(zhuǎn)爐實(shí)行一罐制，主要采用低拉碳法冶煉45鋼。出鋼碳含量≥0.06%、磷≤0.015%時(shí)，鋼中氧含量控制在500μg/g以內(nèi)，可有效降低鋼中夾渣物和有害元素含量，提高鋼材質(zhì)量。

4.1.3 渣量控制

冶煉45鋼時(shí)主要采用雙渣留渣法，減少過(guò)程產(chǎn)渣量，提高冶煉前期脫磷率。轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量必須嚴(yán)格控制，目前用一、二次擋渣對(duì)出鋼下渣量進(jìn)行控制，出鋼過(guò)程采用紅外下渣檢測(cè)來(lái)判定是否下渣，可大大提高擋渣命中率，減少下渣量。

4.1.4 優(yōu)化脫氧及成分窄區(qū)間控制

轉(zhuǎn)爐主要使用硅鈣、硅錳進(jìn)行脫氧，出鋼1/4時(shí)開始加入硅鈣合金進(jìn)行脫氧，出至3/4時(shí)合金加完，出鋼過(guò)程全程吹氬，確保鋼水成分、溫度均勻。逐步調(diào)整使用強(qiáng)脫氧劑對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼水進(jìn)行脫氧，降低鋼水氧化性，使精煉白渣提早形成，提高精煉脫硫和去除夾渣物能力。制定轉(zhuǎn)爐成份窄區(qū)間控制方案，C：0.37%～0.41%、Si：0.16%～0.23%、Mn：0.51%～0.66%，達(dá)到精煉成分準(zhǔn)確控制，截止目前成分達(dá)標(biāo)率達(dá)到70%以上。

4.2 LF精煉爐工藝控制

4.2.1 轉(zhuǎn)爐、LF高效率配合

煉鋼廠主要產(chǎn)品為建筑用棒材、線材，工藝路徑為轉(zhuǎn)爐直上連鑄。隨著新品開發(fā)頻次增加，要求轉(zhuǎn)爐-LF精煉爐-連鑄相互緊密配合。LF爐處理時(shí)間40min左右，這對(duì)各工序的銜接提出了更高的要求，各工序嚴(yán)格執(zhí)行上一道工序?yàn)橄乱坏拦ば蛱峁┖细癞a(chǎn)品原則。提高生產(chǎn)效率及保證產(chǎn)品質(zhì)量。

LF精煉爐對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝要求：（1）出鋼帶渣量≤50 mm，做好一次和二次擋渣嚴(yán)禁下渣，堿度≥2.0；（2）鋼水溫度合適，一旦轉(zhuǎn)爐低溫出鋼造成精煉爐處理時(shí)間延長(zhǎng)，影響生產(chǎn)節(jié)奏，要求到站溫度大于液相線40℃；（3）轉(zhuǎn)爐鋼水化學(xué)成分穩(wěn)定控制，因合金結(jié)塊、配碳偏差都將影響LF精煉過(guò)程成分調(diào)整；（4）轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程采取預(yù)造渣（石灰∶螢石＝5∶1）渣料按200 kg/爐加入包內(nèi)；（5）轉(zhuǎn)爐鋼水異常情況應(yīng)及時(shí)傳遞信息至LF爐；（6）LF上鋼溫度窄控制（±5℃）實(shí)現(xiàn)連鑄低過(guò)熱度澆注。

4.2.2 埋弧降本操作

轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)向鋼包加入預(yù)造渣材料，到精煉爐送電可快速形成初期渣，加入發(fā)泡劑之后形成一定厚度的泡沫渣，覆蓋鋼液面和電弧區(qū)域，提高熱效率，有效地降低冶煉過(guò)程電能的消耗和對(duì)鋼包耐材的熱輻射，目前LF爐電能消耗指標(biāo)為：45 kWh/t，鋼包壽命達(dá)到120爐，LF爐升溫速率≥5℃/min。在冶煉中電石既可以當(dāng)埋弧劑使用，也做脫氧劑用，與硅鐵配合使用，每次加入量不能超過(guò)50 kg，單爐次控制在60～130 kg。

4.2.3 分鋼種優(yōu)化渣系

合理設(shè)計(jì)渣系，不同的鋼種選擇不同渣系，能達(dá)到預(yù)期的精煉效果和降低成本的目的。目前，廣泛應(yīng)用的渣系為：CaO-SiO2-Al2O3三元渣系，具有較好的精煉效果。不過(guò)三元渣系成本高，該公司主要生產(chǎn)不含鋁鋼，此渣系不適合目前工藝要求［5］。經(jīng)過(guò)摸索和對(duì)標(biāo)學(xué)習(xí)，選擇渣系為：Cao-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系，堿度R：2.5～3.5，白渣保持時(shí)間15～20 min。冶煉過(guò)程加入預(yù)熔渣：100～200 kg/爐，石灰：360～680 kg/爐，電石：60～130 kg/爐，螢石：50～160 kg/爐等物料進(jìn)行造渣。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐100爐獲得了良好的預(yù)期精煉效果。精煉渣堿度平均R：2.81。不同澆次100爐精煉渣平均成分見(jiàn)表4。

表4 45鋼精煉渣成分 %

4.2.4 鋼中氣體控制

LF精煉爐不具備真空功能，通常在大氣壓環(huán)境下進(jìn)行精煉，爐內(nèi)還原氣氛主要靠鋼包包沿與水冷爐蓋間的氣幕起到隔離空氣的作用。爐內(nèi)還原氣氛和惰性氣體攪拌使?fàn)t內(nèi)壓力處于微正壓，阻止了外界及爐氣中的氧向鋼液傳遞［6］。此外，通過(guò)調(diào)整除塵風(fēng)量控制閥的開度保證爐內(nèi)正壓，埋弧渣也可以有效防止鋼水吸收空氣，當(dāng)爐內(nèi)加入發(fā)泡劑會(huì)形成一定厚度的泡沫渣覆蓋在電弧區(qū)域，防止從電極孔等部位進(jìn)入空氣而污染鋼液。在全程吹氬條件下，制定合理吹氬制度，減少鋼水大翻頻次，裸露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增加氧、氮?dú)怏w吸收。從不同澆次100爐取樣分析氧、氮含量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 45鋼樣氣體（O、N）含量分析μg/g

4.2.5 吹氬制度對(duì)鋼水凈化效果

吹氬制度是LF爐重要的精煉手段之一，良好的吹氬能有效地促進(jìn)鋼水夾雜物上浮被爐渣吸附而去除，有利于溫度、成分的均勻［6］。在實(shí)際生產(chǎn)中鋼水到站后大氣量“破殼”，轉(zhuǎn)爐渣和出鋼時(shí)加入的預(yù)造渣料得到充分的攪拌，氬氣流量控制在500～800 L/min；開始送電后快速形成一定流動(dòng)性、吸附夾雜能力的初期渣，冶煉過(guò)程氬氣量控制在150～200 L/min，頭批料加入后，結(jié)合鋼水溫度，主要以化渣為目的短弧操作。后期爐渣形成后，送電檔位調(diào)整為長(zhǎng)弧操作達(dá)到快速升溫的目的，加熱處理結(jié)束后進(jìn)行軟吹處理，氬氣流量控制在100～150 L/min或鋼水液面微動(dòng)、不裸露為標(biāo)準(zhǔn)，軟吹時(shí)間保持10～16 min。夾雜物與軟吹時(shí)間的關(guān)系圖如圖2所示，從圖2可以看出當(dāng)軟吹8 min時(shí)夾雜物指數(shù)明顯降低，軟吹10～16 min后夾雜物指數(shù)下降緩慢，當(dāng)超過(guò)16 min時(shí)夾雜物從爐渣中返回到鋼中有增加的趨勢(shì)。

圖2 夾雜物與軟吹時(shí)間的關(guān)系

4.3 連鑄工藝

45鋼屬中高碳鋼，因其凝固間隔較大，加之固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)較高，容易形成柱狀晶，同時(shí)在凝固后期存在快速凝固區(qū)間，連鑄坯中心部位通常出現(xiàn)疏松、夾雜，以及不同程度的縮孔、裂紋等缺陷。以45鋼常見(jiàn)的連鑄坯缺陷及工藝事故為導(dǎo)向，分析鑄坯缺陷及工藝事故產(chǎn)生的機(jī)理，找出產(chǎn)生的原因，實(shí)現(xiàn)45鋼連鑄的順利澆鑄及生產(chǎn)出無(wú)缺陷鑄坯是非常有必要的［7］。

4.3.1 低過(guò)熱度澆注

澆注過(guò)程采用大包長(zhǎng)水口、中包侵入式水口保護(hù)澆注，中包液面控制≥800 mm，渣層厚度80～120 mm，有效降低鋼水在澆注過(guò)程的二次氧化，有利于中包溫度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)連鑄低過(guò)熱度澆注，低過(guò)熱度澆注是獲得良好的內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵因素。但實(shí)際操作中過(guò)熱度過(guò)低會(huì)造成水口結(jié)瘤現(xiàn)象。因此為保證生產(chǎn)的連續(xù)性，結(jié)合實(shí)際情況，過(guò)熱度要求見(jiàn)表6。

表6 中間包溫度及過(guò)熱度控制情況 ℃

4.3.2 冷卻效率及配水制度

中高碳鋼凝固特性決定了在澆鑄過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的體積收縮和線收縮，坯殼在進(jìn)一步冷卻凝固過(guò)程中對(duì)熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力較敏感，易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋［8］。生產(chǎn)前嚴(yán)格測(cè)量結(jié)晶器水縫寬度，保證四面水縫均勻。銅管鍍層無(wú)大面積劃傷和脫落，銅管過(guò)鋼量≤5 000 t；嚴(yán)格二冷室各段噴淋管的對(duì)中，生產(chǎn)前必須清理過(guò)濾器和各段噴嘴，保證噴水均勻；二冷比水量1.0～1.3 L/kg，二冷k值控制1.3～1.5，各段采用自動(dòng)配水。

4.3.3 窄區(qū)間調(diào)拉速控制

根據(jù)低過(guò)熱度澆注工藝制定合理的拉速來(lái)匹配生產(chǎn)，確保初生坯殼的安全厚度，結(jié)晶器應(yīng)用自動(dòng)加渣裝置將專用保護(hù)渣均勻的加入結(jié)晶器。專用保護(hù)渣具有熔點(diǎn)低、良好的潤(rùn)滑作用，杜絕因?yàn)槔俨黄ヅ鋵?dǎo)致的漏鋼及質(zhì)量問(wèn)題，為此制定了低過(guò)熱度澆注的窄區(qū)間拉速控制范圍；拉速：1.8～2.2 m/min，液面波動(dòng)＜±1 mm，目標(biāo)拉速1.9 m/min。

4.3.4 鋼坯質(zhì)量分析

為了提高連鑄坯質(zhì)量、減少鑄坯內(nèi)部缺陷在澆注首段和凝固末端應(yīng)用了電磁攪拌技術(shù)，結(jié)合以上工藝控制環(huán)節(jié)得到的連鑄坯表面質(zhì)量無(wú)嚴(yán)重缺陷，鼓度、脫方、縮孔等缺陷在可控范圍內(nèi)，合格率99.98%，并對(duì)連鑄坯做低倍樣分析，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 鑄坯低倍組織分析

5 結(jié)論

1.經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司45鋼質(zhì)量控制取得到了良好的效果，成品鋼材性能完全符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.推進(jìn)留渣、少渣冶煉工藝，提高終點(diǎn)碳和終點(diǎn)磷命中率，降低鋼水氧化性，提高金屬收得率。

3.基于現(xiàn)有工藝流程和過(guò)程控制水平，加強(qiáng)對(duì)標(biāo)學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化LF精煉渣料配加、埋弧升溫操作，探索出適合45鋼脫硫、去夾雜的渣系，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和降本增效。

4.確保轉(zhuǎn)爐-LF爐-連鑄緊密銜接，生產(chǎn)45鋼應(yīng)充分發(fā)揮設(shè)備的冶金功能，為今后開發(fā)更多優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。