降低轉爐直上連鑄鋼水夾雜物的應用實踐

李軍輝，張永亮，方偉偉，何 琨，畢麗燕

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 前 言

隨著對鋼材潔凈度要求的提高，夾雜物控制技術已成為現代潔凈鋼冶煉的主要內容之一，不同鋼種對夾雜物的性質、成分、數量、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夾雜物的尺寸、數量和夾雜物去除的控制上，而對夾雜物的成分和形態的控制關注不夠。本文主要結合熱軋部煉鋼線轉爐鋼水不用精煉，通過采取有效的工藝優化措施，使夾雜物含量及形態得到了有效控制，滿足鋼水不用采取精煉能夠生產精品鋼的目標，同時降低了生產成本。

2 主要夾雜物對鋼質量的影響機理

鋼的性能主要取決于鋼的化學成分和組織。目前，用戶對鋼的強度、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惡化，而且還能降低鋼的機械性能和疲勞性能。

2.1 Al2O3夾雜

此類夾雜物為鋼中內生夾雜物。在鎮靜鋼中，采用有Al 脫氧工藝，即用Fe-Al 或Al 脫氧時Al2O3是常見氧化物夾雜中對鋼質影響最大的一類，它屬于脆性不變形夾雜物，與基體的熱變能力差異較大，在熱加工的應力作用下，大塊的Al2O3等脆性夾雜，經變形破碎成具有尖銳菱角的夾雜，并成鏈狀分布在集體中。這些堅硬的形狀不規則的Al2O3夾雜物能將基體劃傷，并在夾雜物周圍產生應力集中場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夾雜在周期應力的作用下會成為疲勞源，最終因疲勞裂紋的擴展造成大塊金屬脫落導致鋼的斷裂。根據國內客車運行和制動條件，應用斷裂力學理論計算表明，當Al2O3夾雜＞26 μm時，也可使之成為疲勞裂紋源，因此在重軌的有關標準中，對非金屬夾雜物Al要求特別嚴，即“B類夾雜物≯I級”。

2.2 硅酸鹽及鈣的鋁酸鹽夾雜

此類夾雜物成分復雜，他的產生受鋼液脫氧工藝、鋼水條件及澆注系統中耐火材料使用情況等的影響，有內生的，也有外來的，還有內外共同作用的。在軋制過程中，這些夾雜物保持原來的球點狀，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，某些液態硅酸鹽來不及結晶，其全部或部分以過冷液體即玻璃態的形式存在，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，此類夾雜物會使盤條塑、韌性降低，或引起鋼帶分層。

3 當前熱軋部煉鋼線的現狀及調整方案

山東泰山鋼鐵集團熱軋部煉鋼轉爐工序現有60 t轉爐兩座，主要冶煉工藝技術流程如圖1所示。

圖1 轉爐工藝流程

目前轉爐工藝受生產成本及配套設施的制約，80%鋼種采用轉爐直上連鑄的組織模式。本生產模式有利于生產成本降低，但對鋼水潔凈度，鋼種夾雜物的達標率造成很大制約，特別是1.0 級夾雜物達標率2018 年完成66.17%。為改變此前局面，優化工藝技術方案，進一步降低直上鋼種夾雜物級別達標率，特對技術方案進行優化。調整后的工藝方案如圖2所示。

圖2 優化調整后轉爐工藝流程

3.1 滑板擋渣技術應用

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（鋼包鈣處理）創造良好的運行條件。通過引進轉爐滑板擋渣技術和設備，為實現鋼包渣層的良好控制提供了保證，目前鋼包渣層達標率由原來的95%提高至99.9%。

3.2 渣洗劑的加入

轉爐出鋼加入渣洗劑，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。乳化的渣隨鋼流攪動的同時不斷碰撞合并長大上浮，排出夾雜物，從而達到充分脫氧、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，其脫氧的化學模式有以下幾種：

但是在喂入鋁線的時候要面對較嚴重的問題是鋁熱反應。鋁熱反應是以鋁和氧化鐵為主要反應物的發熱反應，當溫度超過1 250 ℃時，鋁激烈氧化燃燒，放出大量的熱能，這種放熱反應的溫度可以達到3 000 ℃以上，但作用時間短。但對鋼水有一定影響，通過實踐發現，當喂入鋁線＞100 m 時，鋼水溫度會提升5～10 ℃。

脫氧產物對鋼水的影響。大量使用鋁粒脫氧產生的氧化鋁夾雜物多數熔點較高，在連鑄溫度下呈固態，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分布，從而造成嚴重的缺陷。Al2O3系夾雜物的密度比鋼水密度小，如果能夠控制鋁脫氧產物的形態使其在煉鋼連鑄溫度下呈液態，就可以使大量的這類脫氧產物在進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行，而且可以增加鋼的清潔度，提高鋼的夾雜物達標率。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，從而達到對Al2O3夾雜物的改進。通過對標不銹鋼碳鋼線工藝操作流程，發現其已經在使用這種方法進行夾雜物的吸附，但其鋼水通過繼續精煉而進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，關閉滑板（滑板擋渣）會有部分鋼水滯留在爐子內，無論從生產成本還是濺渣護爐的方面考慮都是不利因素。實際生產中，這部分鋼水還是要放進鋼包內的，這股鋼水是鋼渣混合的，是不利于鋼水質量控制的，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%，從而細化晶粒把夾雜物控制在一個較低的水平。

3.5 過程吹氬12～15 min

通過實踐發現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。結合出鋼過程中的鋼水動力攪拌，渣洗劑的鈣處理，鋁粒的放熱反應，合金的合金化，此時的鋼包已經變成了一個反應釜。大量產生氣體，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，從而促使夾雜物進一步上浮吸收。

4 實際應用效果

通過改進操作方法，實際上把爐后吹氬站變成了一個簡單化的精煉爐，出鋼過程中渣洗劑、合金的加入，形成了一個精煉造渣過程，再通過吹氬初期的鋁線喂入更加強了成渣因素，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為現在的玻璃渣，提高了爐渣吸附夾雜能力。

實施前夾雜物達標率完成情況：夾雜物級別≤1.0級完成79.87%，夾雜物級別≤0.5級完成57.5%。

實施后夾雜物達標率完成情況：夾雜物級別≤1.0 級完成95.1%，夾雜物級別≤0.5 級完成90.1%。同時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，實現效益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%，價格10 660元，成本居高不下，而鋁粒、鋁線價格13 025元但鋁含量99%，在同樣脫氧的條件下，成本明顯降低，2020 年累計創效605.55萬元。

通過此種工藝優化，熱軋部直上鋼種夾雜物級別大大降低，產品質量取得質的飛躍，碳鋼夾雜物控制水平處于全國先進水平，為潔凈鋼平臺的最終建立打下了堅實基礎，同時也使泰鋼品牌得到進一步提升。