重軌鋼全鋁控制

趙帥，李旭，潘瑞寶，楊輝，李澤林

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著高速鐵路建設的發(fā)展，人們對鋼軌使用性能的要求越來越嚴格。重軌鋼鐵標（TB/T3276-2011）要求鋼軌中B類（氧化鋁）夾雜物≤1.5級，Als含量≤40×10-6，T[O]含量≤20×10-6。 B 類夾雜脆而堅固，在鋼軌軋制過程中易損傷鋼的基體，產(chǎn)生空隙裂紋，從而誘發(fā)疲勞[1]。B類夾雜物主要是鋼中存在的Al2O3類脆性氧化物夾雜[2]，而鋼水中的全鋁含量直接反應其含量的高低。因此，高速重軌鋼冶煉生產(chǎn)要嚴格控制鋼中全鋁含量。

雖然多數(shù)重軌鋼生產(chǎn)廠已采取無鋁脫氧生產(chǎn)工藝，但仍無法完全消除鋼水中的殘鋁。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠（以下簡稱“一分廠”）生產(chǎn)的重軌鋼缺陷率為0.3%，檢驗分析后發(fā)現(xiàn)80%鋼軌缺陷是B類夾雜物造成。因此，必須針對重軌鋼中B類夾雜物進行控制，即對如何降低鋼水中全鋁含量進行研究分析，以采取相應措施，降低鋼軌缺陷率，滿足重軌鋼的生產(chǎn)要求。

1 重軌鋼生產(chǎn)流程

一分廠重軌鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→90 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（LF）→真空脫氣（VD）→大方坯連鑄（280 mm×380 mm）。 轉(zhuǎn)爐出鋼采用硅鈣鋇脫氧，硅鐵、硅錳合金調(diào)整成分。LF精煉進行造白渣脫氧、脫硫，VD真空處理進行脫氣及成分、溫度微調(diào)。

2 重軌鋼缺陷分析

缺陷出現(xiàn)在鋼軌頭部，圖1為鋼軌中夾雜物掃描電鏡形貌。采用線切割方法在缺陷中心沿垂直于軋制方向切開，磨制、拋光后對夾雜物進行分析。表1為夾雜物能譜成分。

圖1 夾雜物掃描電鏡形貌Fig.1 Morphology of Inclusions by Scanning Electron Microscope

表1 夾雜物能譜成分Table 1 Compositions in Inclusions Analyzed by Energy Spectrum %

由表1看出，夾雜物主要以鋁的氧化物為主。因此認為B類夾雜物Al2O3超標是產(chǎn)生缺陷的直接原因。

2.1 鋼水中鋁的來源分析

重軌鋼鋼水中的鋁主要來源于以下4個方面：轉(zhuǎn)爐下渣、合金、鋼水罐、VD屏蔽蓋殘鋼，影響最大的是合金和鋼水罐。

2.1.1 合金對鋁含量的影響

一分廠試驗生產(chǎn)U75V和U75VG時使用不同類型硅鐵合金。生產(chǎn)U75V時使用硅鐵或低鋁硅鐵，生產(chǎn)U75VG時使用低碳硅鐵或硅鐵L，使用量均為5.5 kg/t。表2為不同硅鐵合金中的鋁含量。

表2 不同硅鐵合金中的鋁含量Table 2 Content of Aluminium in Various Ferro-Silicon Alloys %

圖2為不同硅鐵合金對重軌鋼成品鋁含量的影響。由圖2可以看出，U75V鋼成品鋁含量平均為 52×10-6，U75VG鋼成品鋁含量平均為32×10-6。由此看出，轉(zhuǎn)爐使用不同類型的硅鐵合金對重軌鋼成品鋁含量有直接影響。

圖2 不同硅鐵合金對重軌鋼成品鋁含量的影響Fig.2 Effect of Various Ferro-Silicon Alloys on Content of Aluminium in Finished Heavy Rail Steel Products

2.1.2 鋼水罐對鋁含量的影響

鋼水罐中的鋁來源于罐襯的耐火材料和罐襯、罐底殘留的上次盛鋼后殘留的含鋁鋼渣，后者直接污染鋼水。轉(zhuǎn)爐使用相同合金冶煉生產(chǎn)相同鋼種時，使用不同鋼水罐對成品鋁含量的影響見圖3。

圖3 不同鋼水罐對成品鋁含量的影響Fig.3 Effect of Various Ladles on Content of Aluminium in Finished Products

由圖3看出，使用重軌罐時，成品鋼中鋁含量平均為48×10-6，使用非重軌罐時，成品鋼中鋁含量平均為57×10-6。分析認為，一分廠使用的非重軌罐多為上次生產(chǎn)含鋁的鋼種，鋼包內(nèi)的含鋁鋼渣在轉(zhuǎn)爐出鋼過程和精煉處理過程會污染鋼水，造成鋼水鋁含量的增加。

2.2 出鋼碳含量對鋁含量的影響

為了分析轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量對鋼中鋁含量的影響，統(tǒng)計了高、中、低碳 （碳含量分別為0.361%、0.128%、0.065%）三種出鋼方式下，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)U75V各工序鋼水中氧、鋁含量的變化情況，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 各工序氧含量變化情況Fig.4 Changes in Oxygen Content in Different Procedures

圖5 各工序鋁含量變化情況Fig.5 Changes in Content of Aluminium in Different Procedures

由圖4和圖5看出，三種出鋼方式中間包鋼水氧含量均在12×10-6以下，低碳出鋼的鋼水在各工序的全鋁含量相對更低，說明降低轉(zhuǎn)爐出鋼碳能降低鋼中鋁含量，同時對成品氧含量影響不大。分析認為，降低出鋼碳含量后，轉(zhuǎn)爐鋼水氧值增加，在轉(zhuǎn)爐合金化過程能將合金帶入的鋁進一步氧化，導致進LF爐以后鋼水鋁含量偏低[3]。轉(zhuǎn)爐合金化時沉淀脫氧效果較好，能將鋼中氧含量降至（25～45）×10-6。LF 爐處理過程時擴散脫氧再一次降低鋼中氧含量至（11～18）×10-6，在 VD 真空條件下，氧含量降低到極限。所以降低轉(zhuǎn)爐出鋼碳能降低鋼軌鋁含量，對成品氧含量沒有影響。

2.3 LF頂渣堿度對鋁含量的影響

精煉過程中，精煉渣的冶金性能及處理工藝對于降低鋼中夾雜物的數(shù)量、控制夾雜物的形態(tài)具有重要作用，而連鑄工藝是控制鋼中大型夾雜物的重要環(huán)節(jié)，重軌鋼B類夾雜物控制易偏標準上限。轉(zhuǎn)爐通過降低出鋼碳含量在一定程度上能控制成品鋁含量，但圖5反映出LF處理過程鋼中鋁含量處于上升趨勢，因此需要進一步研究精煉過程中鋼水鋁含量的變化規(guī)律并探討控制方法。

試驗鋼種為U75V，精煉造白渣，單罐白灰加入量300～900 kg，控制精煉渣頂渣二元堿度為1.5～3.0，白渣保持時間≥15 min，以此來降低鋼中氧、硫及夾雜物的含量。圖6為LF搬出鋁含量和頂渣堿度的關(guān)系，圖7為LF脫硫量和頂渣堿度的關(guān)系，圖8為LF頂渣中MgO含量和頂渣堿度的關(guān)系。

圖6 LF搬出鋁含量和頂渣堿度的關(guān)系Fig.6 Relationship between Content of Aluminium Discharged from LF and Top Slag Alkalinity

圖7 LF脫硫量和頂渣堿度的關(guān)系Fig.7 Relationship between Desulphurizing Capacity by LF and Top Slag Alkalinity

圖8 LF頂渣中MgO含量和頂渣堿度的關(guān)系Fig.8 Relationship between Content of MgO in Top Slag in LF and Top Slag Alkalinity

由圖6、7、8看出，隨著精煉頂渣堿度的增大，LF搬出鋁含量呈上升趨勢，頂渣脫硫效果得到明顯提高，但是渣中MgO含量逐漸減小，意味著低堿度渣會加重對罐襯的侵蝕。精煉高堿度頂渣能夠明顯提高鋼水脫氧和脫硫的能力，當頂渣堿度超過2.5后，鋼中鋁含量明顯增加，對控制鋼中Al2O3含量不利。 從脫氧角度考慮，要求爐渣有較高堿度，而從夾雜物控制的角度考慮，要求爐渣有較低堿度[4]。當頂渣堿度控制在 2.0～2.5，可以有效控制鋼中Al2O3含量的同時，也能夠滿足鋼水脫硫的需求，且對鋼包罐襯侵蝕也不嚴重。

3 重軌鋼澆注過程絮流分析

重軌鋼在澆注過程若發(fā)生絮流，鋼坯很容易產(chǎn)生缺陷。重軌鋼的絮流比例將近2%，普通鋼種在精煉過程中會采取鈣處理的方法來避免絮流，但重軌鋼無法采用這種方法，因為鈣處理后所產(chǎn)生的硅酸鹽類夾雜物會降低重軌鋼坯疲勞性能。重軌鋼水口絮流物宏觀形貌及能譜分析見圖9。

圖9 重軌鋼水口絮流物宏觀形貌及能譜分析Fig.9 Macroscopic Appearance of Flocculent Flow at Nozzle and Analysis Results by Energy Spectrum

由圖9看出絮流物主要為鋁的氧化物，分析認為是非澆注過程中間包或其它耐材對鋼水造成污染導致的絮流，隨著澆注過程鋼液溫度不斷降低，鋁鎂尖晶石相不斷析出，在水口結(jié)瘤，而結(jié)瘤物的脫落將導致鋼軌產(chǎn)生嚴重缺陷[5]。統(tǒng)計一段時間內(nèi)重軌鋼發(fā)生過絮流的 37個澆次，共計產(chǎn)生94罐絮流。不同罐序發(fā)生絮流數(shù)量如圖10所示。

圖10 不同罐序發(fā)生絮流數(shù)量Fig.10 Number of Flocculent Flow Occurred at Different Ladles in Order

由圖10可以看出，第7～12罐是絮流發(fā)生的 主要時間段。分析認為，前6罐多使用非重軌鋼包罐，鋼包內(nèi)的非重軌鋼鋼渣，尤其是含鋁鋼渣會直接污染鋼水；重軌鋼絮流沒有集中在前幾罐發(fā)生，說明絮流是逐漸產(chǎn)生的。分析認為，重軌鋼與低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)生絮流情況不同，低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼某一罐改質(zhì)不當時，當罐即會在澆注時發(fā)生絮流。重軌鋼在發(fā)生明顯絮流之前的幾罐已有澆注變差趨勢，經(jīng)過幾罐的累積造成滑板開度逐漸變大，導致絮流降速。

實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋼水過熱度對絮流有很大影響，為了分析這兩者的關(guān)系，統(tǒng)計發(fā)生絮流前3罐的鋼水過熱度數(shù)據(jù)，如圖11所示。由圖11看出，低過熱度（15～20℃）更易發(fā)生絮流，占絮流比例中的71%；高過熱度（25～30℃）澆注不易產(chǎn)生絮流，僅占絮流比例中的3%。分析認為重軌鋼是高碳鋼，液相線溫度低，夾雜物在低溫下更容易析出。高過熱度由于鋼水流動性較好，夾雜物有充分的上浮條件，因此絮流物不會在水口內(nèi)壁大量聚集引發(fā)絮流。

圖11 鋼水過熱度對絮流的影響Fig.11 Effect of Overheat Degree of Molten Steel on Flocculent Flow

4 措施及效果

結(jié)合上述分析，采取了如下措施：轉(zhuǎn)爐低碳出鋼并使用低鋁合金冶煉，使用重軌專用罐盛鋼，優(yōu)化 LF 頂渣堿度為 2.0～2.5，高過熱度（25～30 ℃）澆注，精煉渣優(yōu)化前后重軌鋼中夾雜物情況及缺陷率見表3。

表3 精煉渣優(yōu)化前后重軌鋼中夾雜物情況及缺陷率Table 3 Condition of Inclusions in Molten Steel for Heavy Rails and Ratio of Defect before and after Optimization of Refining Slag

由表3看出，鋼中夾雜物的數(shù)量和尺寸得到較大改善。采取上述各項措施后，重軌鋼鋼水中的鋁含量能穩(wěn)定控制在25×10-6以內(nèi)，絮流比例控制在0.9%以內(nèi)，缺陷率由0.30%降低到0.25%以內(nèi)，滿足了重軌鋼生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)語

針對鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠重軌鋼缺陷率高的問題，分析了合金和鋼水罐、出鋼碳含量、LF頂渣堿度對鋼水中Al含量的影響，并對重軌鋼澆注過程中的絮流現(xiàn)象進行了分析。采取了轉(zhuǎn)爐低碳出鋼和低鋁合金冶煉，使用重軌專用罐盛鋼，優(yōu)化LF頂渣堿度為2.0～2.5和高過熱度（25～30℃）澆注等措施。重軌鋼鋼水中的鋁含量穩(wěn)定控制在 25×10-6以內(nèi)，絮流比例控制在0.9%以下，缺陷率由0.30%降低到0.25%以下，滿足了重軌鋼生產(chǎn)的要求。