低能耗長澆次優質碳素結構鋼45 鋼生產實踐

盧春光，王春鋒，張俊路，樊寶華

（陜鋼集團產業創新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

優質碳素結構鋼45 鋼具有一定的強度、塑性和韌性，采用正火或調質處理后可獲得優良的綜合力學性能，在機械零件加工等行業應用極為廣泛[1]。結合目前市場和用戶要求，既要滿足下游用戶機加工質量需求，又要有利潤空間。這就需要生產低成本、高品質的45 鋼，對轉爐終點成分、爐后硅錳復合脫氧及合金化技術、精煉爐高效率成渣分批脫氧及非金屬夾雜物控制技術、連鑄可澆性、連鑄坯內在質量進行了研究。通過硅錳復合脫氧工藝實施、鋼渣界面的擴散脫氧，降低了鋼中80%的B 類夾雜數量，大幅度降低了水口處夾雜物的黏結能力，解決了小方坯鋁脫氧水口可澆性差的技術難題，達到了高效率、低成本、長澆次生產，從而滿足用戶需求。

1 成分設計及工藝路線

45 鋼冶煉連鑄工藝流程：120 t 頂底復吹轉爐→吹氬站→LF 精煉爐→R10 m 弧形連鑄機→165 mm×165 mm 連鑄坯→精整→堆冷。根據市場調研及用戶需求，結合GB/T 699—2015，化學成分設計如表1 所示。

表1 45 鋼化學成分內控指標

2 冶煉關鍵技術實踐

2.1 轉爐冶煉關鍵技術

2.1.1 穩定裝入量

轉爐穩定裝入量在148～150 t，鐵水對入量穩定控制在123～125 t，配入廢鋼23～25 t，保證轉爐冶煉周期穩定在25 min 左右，出鋼量穩定在135～138 t，以便轉爐到LF 成分的精準控制，為精煉爐高效、低成本生產創造條件。

2.1.2 脫氧方式選擇

由于陜鋼集團產業創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%才不會堵水口，因此采用非鋁脫氧生產。

圖1 影響水口堵塞的因素圖

2.1.3 轉爐過程控制

轉爐生產過程應合理控制槍位高度、供氧強度，采用低吹高拉碳、復吹工藝，保證終點w（C）在0.08%～0.18%，實現轉爐低w（O）冶煉，出鋼投用滑板擋渣，下渣量控制在10 kg/t 以內。出鋼過程：見鋼流加入碳粉60 kg 預脫氧，在出鋼時間的1/4 時加入合金順序為硅鈣合金→硅錳合金，加完合金后加入精煉預熔渣200 kg/爐、石灰500 kg/爐；出鋼時間≥4 min，出鋼過程全程大氬氣攪拌，快速混勻合金及化渣，形成流動性良好的初渣，利用出鋼過程中大面積接觸和鋼渣強烈攪拌，起到渣洗的效果，從而促進大部分夾雜物充分上浮。

2.1.4 初煉窄控成分精細控制

穩定轉爐裝入量，確保出鋼量的穩定性，對轉爐終點碳合理控制，保證轉爐初煉成分按表2 范圍控制，平均進線率達到95%以上，這給高效精煉創造了條件。

表2 轉爐到位成分控制要求

2.2 高效低成本精煉爐冶煉技術

2.2.1 快速成渣

轉爐鋼水到達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，促進渣料快速熔化，加強精煉效果，提升精煉效率，降低成本及能耗，減少碳排放量。在給電過程中快速補充電石、碳化硅進行擴散脫氧，視渣況補加石灰、預熔渣，促進泡沫渣的形成，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 爐白渣精煉時間越長，MgO·Al2O3形成的越多，堵水口嚴重。硅脫氧的白渣精煉時間不應太長；LF 精煉過程中，根據渣況、還原氣氛保持情況，加入碳化硅0.8 kg/t、碳粉0.2 kg/t 擴散脫氧劑，精煉白渣保持時間在12～15 min，總精煉時間控制在35～45 min，通過氬氣攪拌加速鋼-渣之間物質傳遞，利于鋼液脫氧、脫硫反應。吹氬加速夾雜物上浮速度，將LF 爐3 根電極插入渣層中進行埋弧加熱，輻射熱小，對包襯有保護作用，熱效率高[3]，浸入渣中石墨與渣中氧化物反應為：C+FeO=Fe+CO，C+MnO=Mn+CO。

上述反應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 爐內氣氛更具有還原性。

2.2.3 軟吹控制

軟吹以渣液面蠕動、不裸露鋼水為標準；軟吹氬氣流量控制在50～100 L/min。軟吹時間控制在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量均質化，要求精煉爐45 鋼的化學成分按目標成分精準控制，將各爐次之間鋼中的w（C）波動控制在0.02%以內，w（Mn）波動控制在0.03%以內，w（Si）波動控制在0.05%以內，成品內控成分及目標成分控制要求如表4 所示。

表4 成品內控成分及目標成分控制要求

2.3 連鑄關鍵技術

2.3.1 全程保護澆鑄

為防止二次氧化，全程保護澆注，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，進行黑渣面澆鑄，減輕澆鑄環節的二次氧化，保證鋼液潔凈度，利于長澆次穩定澆鑄。

2.3.2 防止澆鑄過程下渣

為防止澆注過程下渣，使用鋼包下渣檢測及控制、中間包恒重、恒液位操作，鋼包自開率達到99%以上，鋼包長水口要求使用帶密封環的長水口，使用前應保持長水口干燥，完好無損，通過中間包車上的長水口機械手，將長水口連接到大包水口上，并壓緊，接好氬封系統，大包開澆前，開通氬氣，開澆前調節大包位置，保證長水口垂直對中在穩流器正上方，保證鑄坯內在質量。

2.3.3 提高非穩態澆注的操作水平

應提高非穩態澆注的操作水平，由于換鋼包期間澆注處于非穩態澆注過程，易產生安裝水口前敞開澆注，二次氧化嚴重和拉速不減，中包液面下降，漩渦下渣。根據換包時間，合理控制澆鑄速度，以確保換包時中間包液面高度不低于800 mm。旋轉鋼包回轉臺，吹掃長水口中的殘鋼，待澆鋼包到澆鑄位，快速安裝長水口并開澆，杜絕敞開澆注，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。

3 工藝實踐效果

3.1 成分、性能穩定控制

化學成分均勻性直接影響到鋼材質量，化學成分窄精準控制是確保鋼材均質化的基礎條件。通過對裝入量、出鋼量的穩定控制，并結合合金收得率，做到了成品成分精準控制，控制情況如圖2 所示，化學成分的精準控制使得鋼筋性能穩定，波動較小，性能控制情況如圖3 所示。

圖2 成品成分精準控制情況

圖3 性能控制情況

3.2 連鑄連澆率明顯提升

通過轉爐穩定轉入量、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”及下渣檢測等關鍵工藝技術的優化實踐，全鋼種w（O）由前期平均55×10-6降低至22×10-6，夾雜物尺寸和數量明顯降低，連澆爐數由前期13 爐次穩定到目前30 爐以上，全鋼種氧含量控制情況如圖4 所示，夾雜物尺寸數量密度情況如圖5 所示。

圖4 全氧含量對比圖

圖5 夾雜物尺寸數量密度圖

4 結論

對轉爐終點成分、爐后硅錳復合脫氧及合金化技術進行研究，同時通過精煉爐高效率成渣分批脫氧、非金屬夾雜物控制技術研究，以及硅錳復合脫氧工藝實施、鋼渣界面的擴散脫氧[4]，降低了鋼中80%B 類夾雜數量，大幅度降低了水口處夾雜物的黏結能力，解決了小方坯鋁脫氧水口可澆性差的技術難題，連澆爐數由前期13 爐次穩定到目前30 爐以上。