45#鋼生產工藝的優化實踐

李仕雄,周建勇

(中南大學冶金科學與工程學院,湖南長沙 410083)

45#鋼生產工藝的優化實踐

李仕雄,周建勇

(中南大學冶金科學與工程學院,湖南長沙 410083)

冶煉45#鋼使用LF爐精練工藝或者鐵水預處理脫硫結合優化脫氧合金化技術,對這兩種生產工藝方案進行了分析。綜合考慮夾雜物控制、脫硫效果、鑄坯質量和成本控制情況,選擇鐵水預處理-轉爐-連鑄作為生產工藝路線。

45#鋼;LF爐;成分控制;成本控制

隨著鐵礦石、焦炭等主要原材料大幅度提價,鋼鐵企業的利潤空間不斷縮小,加上海外銷售受阻以及國外鋼鐵向內地大量傾銷,造成了當前鋼鐵行業處于零利潤甚至嚴重虧損的邊緣。在這種大背景下,如何解決技術創造效益及成本控制問題是決定企業生存和產品市場競爭力的根本。在保證產品質量的條件下,優化冶煉工藝、節約成本是重要舉措之一。某廠依據現有設備條件,通過對45#鋼的兩種生產工藝進行對比研究,優化了工藝控制要點,獲得了質量不受影響、生產成本低于國內同類鋼材的生產成本的優勢。

1 主要原料和設備條件

1.1 主要原料:鐵水、廢鋼、石灰

因受原材料的質量影響以及煉鐵系統技術水平的限制,鐵水成分波動較大,成分如表1所示,鐵水溫度1 285～1 330℃。

表1 鐵水成分情況%

1.2 設備條件

主要生產設備有鐵水預處理工位一座、900 t混鐵爐一座、50 t頂底復吹轉爐二座、LF精煉爐一座、5機5流170×170方坯弧形連鑄機二臺。

2 45#鋼的兩套生產工藝路線

根據現有的設備和技術操作水平,先后分別進行了兩套工藝路線。在實驗階段采取了一般優特鋼工藝組織生產,工藝流程如圖1所示(以下簡稱工藝1)。

圖1 LF精煉冶煉45#鋼工藝流程

工藝1雖然滿足45#鋼的生產和質量要求,但投入成本較大,主要是LF精煉投入大,同時冶煉周期明顯加大,不能很好地滿足單爐配單機的生產模式。為力求成本下降,同時滿足質量要求,并充分發揮900 t混鐵爐的作用,對工藝重新進行了優化,其工藝路線如圖2所示(以下簡稱工藝2)。

圖2 非精煉冶煉45#鋼工藝流程

工藝1、2的主要區別在于脫硫工序的變化,工藝1中LF爐精煉對成分微調和去除夾雜物有比較穩定的作用,因此工藝2中充分利用混鐵爐對鐵水成分的調節功能,對鐵水硫進行了控制,要求入爐鐵水硫必須小于0.035%,且對廢鋼質量也進行了控制,要求選擇不含磁選渣鋼、生鐵塊及鑄鐵件的加工廢鋼入爐。另外工藝2中調整了爐后脫氧合金化過程,增加吹氣時間和出鋼過程進行全程吹氣來促進夾雜物的充分上浮。

3 冶煉化學成分控制

通過轉爐吹煉和脫氧合金化后,進入鋼包底吹氣站進行成分微調和鋼水除夾雜,鋼水成分如表2

所示。

表2 45#鋼轉爐冶煉后鋼水化學成分表(工藝2)

4 冶煉結果分析與討論

4.1 轉爐脫磷分析

在冶煉45#鋼工藝1與工藝2中均采取大渣量單渣法、前期積極供氧、后期適當高槍位化渣并保證充足壓槍時間的操作控制方法。

在采取單渣法冶煉中,視鐵水Si的波動改變石灰用量,以保證渣樣堿度R:2.8～3.0。石灰加入量遵從理論石灰配加公式,其公式如式(1):

式中W為噸鋼石灰加入量/kg·t-1;ω[Si]為鐵水中硅的質量分數/%;R為堿度,ω(CaO)/ω(SiO2); ω(CaO有效)為石灰中的有效CaO的質量分數/%;2.14為SiO2/Si的分子質量之比。

采取大渣量單渣法操作實現了45#鋼較低磷的要求,完全滿足成分控制需求。在渣樣堿度基本變化不大的情況下,高Si鐵水冶煉45#鋼其成品P略高于低Si鐵水冶煉45#鋼成品P。其主要原因在于鐵水Si高石灰用量大,帶來渣量大,化渣困難,渣料難以化透,脫磷動力學、熱力學條件受到限制,導致脫磷受到限制。

4.2 夾雜物控制

工藝1方案中因有LF精煉的作用,有足夠的時間促進夾雜物的上浮,爐后脫氧合金化按一般先弱后強的脫氧合金化原則進行脫氧。但工藝2中因其氧含量較高,形成大量的氧化物夾雜物,就必須控制其生成和有效去除的問題,工藝2中脫氧合金化方法為:出鋼前在鋼包底部加入一定量碳粉和少量碳化硅,碳化硅埋入碳粉下面,在出鋼1/4時間開始加入錳硅合金,至3/4出鋼時間全部加完,碳化硅的加入視出鋼量合理加入,保證Mn/Si≥2,并同時對準鋼液中心流加入高堿度覆蓋劑(含碳)和渣洗料進行渣洗工藝。嚴禁鋼液下渣,渣氧化性較高,且富含磷化合物,在脫氧合金化過程中因氧化氣氛破壞,磷化合物分解產生鋼液回磷現象。這些措施在一定程度上遏制了夾雜物生成量。

在出鋼過程中采取全程吹氣,并適當延長吹氣時間,控制好吹氣流量。吹氣時間由工藝1中的無具體要求提高到工藝2中的11 min以上,吹氣大小以不裸露鋼液面為基準,適當增大吹氣流量,促進夾雜物的上浮。

非金屬夾雜物等級是衡量鑄坯質量的關鍵性因素,也是夾雜物過程控制程度的重要衡量標準,表3給出了工藝1與工藝2的非金屬夾雜物的等級分布情況,其連鑄條件基本不變,即不考慮連鑄工藝對夾雜物的影響。

表3 兩種工藝條件下鑄坯非金屬夾雜物等級

從表3可看出,工藝2的非金屬夾雜物等級基本在0.5～1.0波動,基本滿足軋制要求,工藝1顯然是LF爐對鋼水凈化的作用,鋼水比較純凈。但工藝2更具有成本優勢且鋼水質量相對穩定。

4.3 脫硫分析

工藝1采用LF爐精煉作用來有效控制成分要求,而工藝2采用鐵水預處理控制鐵水中的硫來達到45#鋼對硫含量的要求。

4.3.1 LF爐精煉脫硫分析

45#生產實驗期采用LF爐精煉脫硫,主要利用活性石灰以及電石(CaC2)造強還原性渣[1]。在加熱位向鋼包內加入精煉造渣脫氧劑3～4包,精煉劑3包,在鋼水定氧表明鋼水氧含量＞20μg/g時,立即對準鋼包內鋼水翻騰處加入鋁粒5 kg。并且根據爐渣氧化性強弱往渣面上撒投鋁粒3～5 kg,按爐渣堿度2.8～3.0配加石灰350～500 kg,并加入埋弧渣200 kg,螢石80～100 kg,經過LF精煉后,其脫硫能達到成分設計要求,其成品硫分布情況如圖3所示。

圖3 LF精煉后硫值分布圖

由圖3可知,LF精煉后硫值分布較低,其平均值達到0.013%左右,滿足45#鋼的成分設計水平,其脫硫率如圖4所示。

圖4 LF爐精煉脫硫率與鋼液中硫的關系

由圖4可知,對于冶煉45#鋼,LF爐可脫鋼液中硫能達到0.080%。

4.3.2 鐵水預處理脫硫

鐵水預處理脫硫采用單噴鎂法在鐵水包內進行脫硫,鎂粒經噴槍進入鐵水罐中是一個高速、復雜的物理化學過程。就脫硫而言,首先濃相氣流(帶鎂顆粒的氮氣流)噴入鐵水中,瞬間鎂顆粒即受熱熔化、蒸發,體積成百倍擴張,部分鎂蒸氣溶于鐵水中,大部分鎂氣泡上浮并帶動鐵水上升,新的鐵水從周圍補充進來,鎂在上升過程中繼續溶于鐵水,并與鐵中硫反應生成硫化鎂上浮至鐵渣中,強烈的攪動與環流使反應區域迅速擴大,波及至全罐[2]。

噴鎂脫硫主要存在兩種化學反應機制,如式(2)和(3)所示:

45#鋼冶煉要求入爐鐵水S≤0.035%,對于0.040%＞鐵水S＞0.035%可采取選擇線上低S鐵水進行摻兌入爐處理,而對鐵水S高(≥0.040%)均需要經過鐵水預處理進行脫硫。

圖5、圖6反映出了鐵水預處理脫硫后鐵水硫分布及脫硫率情況(虛線表示均線脫硫率變化)。

圖5 鐵水脫硫后硫分布圖

圖6 鐵水預處理脫硫率的變化關系

從圖5、圖6可看出鐵水預處理脫硫后硫值分布不是很穩定,脫硫率未達到理論設計要求,這來自于多方面的影響,Mg粉質量、操作控制水平以及噴吹速度、深度等因素的影響。但鐵水預處理后硫值是滿足冶煉45#鋼入爐鐵水硫要求的。對于滿足要求的預處理后鐵水硫(≤0.035%)按工藝2方案進行轉爐冶煉45#鋼,其成品硫分布如圖7所示。

圖7 45#鋼成品S分布情況(鐵水S≤0.035%)

由圖7可知,經鐵水預處理后的鐵水冶煉45#鋼是符合成分控制要求的,即工藝2中方案是可行的。

4.3.3 工藝1與工藝2脫硫的對比分析

通過以上分析可知,工藝1與工藝2均能實現45#鋼脫硫的需要,前者脫硫率較高,成品硫分布較穩定,后者脫硫率波動較大,但成品硫分布基本在成分設計水平以內。鐵水預處理工藝降低鐵水硫含量有如下優勢:鐵水C和Si高,S的活度系數大,易于脫硫,處理時間快,對生產節奏影響小,對鋼水質量無污染,對其他質量方面沒有影響。

4.4 鑄坯質量分析

4.4.1 鑄坯低倍宏觀分析

兩種工藝是在連鑄設備、配水機制、拉速控制基本相同的條件下實現的,通過對兩種工藝路線冶煉45#鋼的鑄坯大量取樣進行低倍分析,選取具有典型代表性低倍宏觀特征以作分析,其鑄坯低倍圖如圖8、圖9所示。

圖8 LF爐精煉后鑄坯低倍圖(×50倍)

圖9 鐵水預處理工藝鑄坯低倍圖(×50倍)

圖8試驗結果評定:縮孔0.5級;中間裂紋0.5級;非金屬夾雜物0.5級。

圖9試驗結果評定:中心疏松1.5級;中間裂紋1.5級;皮下裂紋1.5級;非金屬夾雜物0.5級。

從評定結果來看,LF精煉樣品的低倍宏觀組織明顯好于鐵水預處理樣品的低倍宏觀組織。其主要原因在于LF爐爐后溫度控制較準確,實際上經工藝1后連鑄中間包溫度能穩定在1 625～1 630℃,而經工藝2后連鑄中間包溫度不平穩,甚至超過1 640℃,在連鑄一冷、二冷配水機制、電磁攪拌相同的條件下,溫度過高,就會造成柱狀晶發達,出現搭橋現象較嚴重,相對消弱了電磁攪拌促進鑄坯質量改善的功能,但達到了軋制要求的鑄坯質量要求。

4.4.2 金相組織分析

因45#鋼是該廠高碳鋼系列的主要產品,本節僅對工藝2中成品材(軋制后試樣)進行取樣、打磨、酸洗,在100倍電子顯微鏡下觀察其組織特征,經過大量的圖片特征分析,經分析金相組織為F+P(鐵素體+珠光體),邊緣有輕微的脫碳和淬火,未發現裂紋,其典型代表性組織如圖10、圖11所示。

圖10 中心組織圖(×100)

采取隨機抽樣方式進行取樣,對試樣進行切割拋光,在100倍率的金相顯微鏡下觀察,進行表面檢驗。從金相圖中可看出,其組織中未出現裂紋現象,晶粒度較高,未出現較大顆粒的非金屬夾雜物,能滿足客戶需求。從圖11中可以發現,試樣邊緣弧面較光滑,沒有出現鋸齒狀弧面,也未發現試樣存在表面裂紋。

4.5 力學性能分析

采用工藝2生產的45#鋼線材成品經送檢技術部門做力學性能分析,平均屈服強度達到510 MPa,對應平均抗拉強度達到737 MPa,對應平均延伸率在22.13%左右波動,對應平均斷面收縮率在38.5%左右波動,其材質完全滿足客戶熱處理要求。

5 兩種工藝成本對比分析

圖11 邊緣組織圖(×100)

在獲得基本相等質量條件下,優化工藝,降低成本是企業生存的需求。工藝1中僅LF工作站就耗費噸鋼成本70元/t,而工藝2中鐵水預處理噸鋼成本為34元/t鋼,成本較LF精煉成本節約36元/t鋼,而且這是在100%鐵水脫硫生產45#的基礎上的成本比較,實質上,低硫鐵水(硫＜0.035%)冶煉工藝是不需要預處理就可直接上轉爐的,由此可知鐵水預處理比LF精煉具有很強的成本優勢。

6 結 論

1.鐵水預處理-轉爐-連鑄工藝中成品S值分布較轉爐-LF爐精煉-連鑄工藝中成品S值稍高,但在45#鋼成分設計水平之內,且具有很大的成本優勢。

2.鐵水預處理-轉爐-連鑄工藝中鑄坯質量較轉爐-LF爐精煉-連鑄工藝的鑄坯質量略差,但鑄坯質量可以滿足軋制要求。

3.通過現場兩種工藝路徑實現了該廠新鋼種的成功開發并批量生產,并確定了有選擇性的鐵水預處理脫硫-轉爐冶煉-爐后脫氧合金化控制-連鑄的工藝路線為45#鋼生產的主要冶煉工藝。

[1] 黃靜,陳壽紅.60#鋼開發與生產實踐[J].河南冶金,2008, (5):47-49.

[2] 劉志敏,李懷成.鐵水的爐外脫硫[J].山西冶金,2007,(1):64 -65.

Abstract:The two production technology programs of refining techniques employing LF furnace and molten iron pretreatment&desulfurization with technology of deoxidizing and alloying are analyzed in the process of melting iron.And the production process route of molten iron pretreatment,convertor and continuous casting is chose synthetically considering the factors of inclusion control,desulfurization effect,slabs quality and cost control.

Key words:45#steel;LF furnace;composition control;cost control

Optimization and Practice of 45#Steel Production Technology

LI Shi-xiong,ZHOU Jian-yong
(School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China)

TF71

A

1003-5540(2012)02-0042-05

2012-03-02

李仕雄(1954-),男,教授,主要從事貴金屬與重金屬新工藝研究。