高效率生產優質45鋼工藝實踐

周 詳，景琳琳

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 勉縣 724200）

45鋼是一種常見的優質碳素結構鋼，應用面廣、需求量大、機械性能好，經過適當的熱處理，可獲得具有一定韌性和高耐磨性的優質材料。45鋼被廣泛應用于各個領域，尤其是機械行業的主要原料，可用于軸件、制絲、制釘、鋼絲繩、電纜線、雨傘骨架等。隨著工業的發展，45鋼市場需求量在大幅增加，其市場價格高于建筑用鋼［1-2］，為了適應市場需求和快速轉型升級的步伐，陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司結合棒材生產工藝，研制開發Φ20～50 mm的45優質碳素結構鋼。

1 工藝裝備

該公司煉鋼廠工藝裝備處于同行業領先水平，各車間配備了先進的設備，在轉爐車間應用了副槍、投彈、紅外線下渣檢測等系統。在連鑄車間配備首段、凝固末端電磁攪拌、自動加渣等裝置。目前該公司已具備生產優質精品鋼材的設備保障能力，工藝設備見表1。

表1 各工序裝備配置情況

2 生產工藝流程

生產45鋼關鍵點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，這些是影響鋼坯質量和成品性能的主要因素。為此，在研制開發過程中，針對性地制定了轉爐終點控制、脫氧合金化、LF爐渣系優化、軟吹制度以及低過熱度澆注、窄區間調拉速、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 鋼種內控要求

鋼水熔煉成分控制是高效連續生產的重要一環，根據客戶需求制定嚴于國家標準的公司內部判定標準。鋼種轉爐按要求進行冶煉控制，冶煉過程重點控制鋼水碳、磷含量，檢化驗中心按標準進行檢驗判定。具體成分見表2，其中：（1）重點控制C、P含量按目標值控制；（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 提質關鍵工藝環節

4.1 轉爐工藝控制

4.1.1 裝入量的確定

為滿足精煉生產需要轉爐裝入量確定150 t，根據鐵水、廢鋼條件，適當調整廢鋼配比及噸位。對100爐45鋼裝入量進行統計見表3。

表3 轉爐裝入量

4.1.2 終點控制

對于中高碳，轉爐終點控制方法有兩種，即低拉碳增碳法和高拉碳補吹法。高拉碳法增碳量小，鋼中氧含量低，成品碳偏析小，但對鐵水磷、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，轉爐實行一罐制，主要采用低拉碳法冶煉45鋼。出鋼碳含量≥0.06%、磷≤0.015%時，鋼中氧含量控制在500μg/g以內，可有效降低鋼中夾渣物和有害元素含量，提高鋼材質量。

4.1.3 渣量控制

冶煉45鋼時主要采用雙渣留渣法，減少過程產渣量，提高冶煉前期脫磷率。轉爐出鋼下渣量必須嚴格控制，目前用一、二次擋渣對出鋼下渣量進行控制，出鋼過程采用紅外下渣檢測來判定是否下渣，可大大提高擋渣命中率，減少下渣量。

4.1.4 優化脫氧及成分窄區間控制

轉爐主要使用硅鈣、硅錳進行脫氧，出鋼1/4時開始加入硅鈣合金進行脫氧，出至3/4時合金加完，出鋼過程全程吹氬，確保鋼水成分、溫度均勻。逐步調整使用強脫氧劑對轉爐鋼水進行脫氧，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。制定轉爐成份窄區間控制方案，C：0.37%～0.41%、Si：0.16%～0.23%、Mn：0.51%～0.66%，達到精煉成分準確控制，截止目前成分達標率達到70%以上。

4.2 LF精煉爐工藝控制

4.2.1 轉爐、LF高效率配合

煉鋼廠主要產品為建筑用棒材、線材，工藝路徑為轉爐直上連鑄。隨著新品開發頻次增加，要求轉爐-LF精煉爐-連鑄相互緊密配合。LF爐處理時間40min左右，這對各工序的銜接提出了更高的要求，各工序嚴格執行上一道工序為下一道工序提供合格產品原則。提高生產效率及保證產品質量。

LF精煉爐對轉爐冶煉工藝要求：（1）出鋼帶渣量≤50 mm，做好一次和二次擋渣嚴禁下渣，堿度≥2.0；（2）鋼水溫度合適，一旦轉爐低溫出鋼造成精煉爐處理時間延長，影響生產節奏，要求到站溫度大于液相線40℃；（3）轉爐鋼水化學成分穩定控制，因合金結塊、配碳偏差都將影響LF精煉過程成分調整；（4）轉爐出鋼過程采取預造渣（石灰∶螢石＝5∶1）渣料按200 kg/爐加入包內；（5）轉爐鋼水異常情況應及時傳遞信息至LF爐；（6）LF上鋼溫度窄控制（±5℃）實現連鑄低過熱度澆注。

4.2.2 埋弧降本操作

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

4.2.3 分鋼種優化渣系

合理設計渣系，不同的鋼種選擇不同渣系，能達到預期的精煉效果和降低成本的目的。目前，廣泛應用的渣系為：CaO-SiO2-Al2O3三元渣系，具有較好的精煉效果。不過三元渣系成本高，該公司主要生產不含鋁鋼，此渣系不適合目前工藝要求［5］。經過摸索和對標學習，選擇渣系為：Cao-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系，堿度R：2.5～3.5，白渣保持時間15～20 min。冶煉過程加入預熔渣：100～200 kg/爐，石灰：360～680 kg/爐，電石：60～130 kg/爐，螢石：50～160 kg/爐等物料進行造渣。經過生產實踐100爐獲得了良好的預期精煉效果。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，通常在大氣壓環境下進行精煉，爐內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。爐內還原氣氛和惰性氣體攪拌使爐內壓力處于微正壓，阻止了外界及爐氣中的氧向鋼液傳遞［6］。此外，通過調整除塵風量控制閥的開度保證爐內正壓，埋弧渣也可以有效防止鋼水吸收空氣，當爐內加入發泡劑會形成一定厚度的泡沫渣覆蓋在電弧區域，防止從電極孔等部位進入空氣而污染鋼液。在全程吹氬條件下，制定合理吹氬制度，減少鋼水大翻頻次，裸露時間過長，會增加氧、氮氣體吸收。從不同澆次100爐取樣分析氧、氮含量，數據見表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］。在實際生產中鋼水到站后大氣量“破殼”，轉爐渣和出鋼時加入的預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性、吸附夾雜能力的初期渣，冶煉過程氬氣量控制在150～200 L/min，頭批料加入后，結合鋼水溫度，主要以化渣為目的短弧操作。后期爐渣形成后，送電檔位調整為長弧操作達到快速升溫的目的，加熱處理結束后進行軟吹處理，氬氣流量控制在100～150 L/min或鋼水液面微動、不裸露為標準，軟吹時間保持10～16 min。夾雜物與軟吹時間的關系圖如圖2所示，從圖2可以看出當軟吹8 min時夾雜物指數明顯降低，軟吹10～16 min后夾雜物指數下降緩慢，當超過16 min時夾雜物從爐渣中返回到鋼中有增加的趨勢。

圖2 夾雜物與軟吹時間的關系

4.3 連鑄工藝

45鋼屬中高碳鋼，因其凝固間隔較大，加之固態導熱系數較高，容易形成柱狀晶，同時在凝固后期存在快速凝固區間，連鑄坯中心部位通常出現疏松、夾雜，以及不同程度的縮孔、裂紋等缺陷。以45鋼常見的連鑄坯缺陷及工藝事故為導向，分析鑄坯缺陷及工藝事故產生的機理，找出產生的原因，實現45鋼連鑄的順利澆鑄及生產出無缺陷鑄坯是非常有必要的［7］。

4.3.1 低過熱度澆注

澆注過程采用大包長水口、中包侵入式水口保護澆注，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程的二次氧化，有利于中包溫度穩定，實現連鑄低過熱度澆注，低過熱度澆注是獲得良好的內部質量的關鍵因素。但實際操作中過熱度過低會造成水口結瘤現象。因此為保證生產的連續性，結合實際情況，過熱度要求見表6。

表6 中間包溫度及過熱度控制情況 ℃

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程中會產生較大的體積收縮和線收縮，坯殼在進一步冷卻凝固過程中對熱應力及機械應力較敏感，易產生內部裂紋［8］。生產前嚴格測量結晶器水縫寬度，保證四面水縫均勻。銅管鍍層無大面積劃傷和脫落，銅管過鋼量≤5 000 t；嚴格二冷室各段噴淋管的對中，生產前必須清理過濾器和各段噴嘴，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，各段采用自動配水。

4.3.3 窄區間調拉速控制

根據低過熱度澆注工藝制定合理的拉速來匹配生產，確保初生坯殼的安全厚度，結晶器應用自動加渣裝置將專用保護渣均勻的加入結晶器。專用保護渣具有熔點低、良好的潤滑作用，杜絕因為拉速不匹配導致的漏鋼及質量問題，為此制定了低過熱度澆注的窄區間拉速控制范圍；拉速：1.8～2.2 m/min，液面波動＜±1 mm，目標拉速1.9 m/min。

4.3.4 鋼坯質量分析

為了提高連鑄坯質量、減少鑄坯內部缺陷在澆注首段和凝固末端應用了電磁攪拌技術，結合以上工藝控制環節得到的連鑄坯表面質量無嚴重缺陷，鼓度、脫方、縮孔等缺陷在可控范圍內，合格率99.98%，并對連鑄坯做低倍樣分析，分析結果見表7。

表7 鑄坯低倍組織分析

5 結論

1.經過生產實踐，陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司45鋼質量控制取得到了良好的效果，成品鋼材性能完全符合國家相關標準。

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

3.基于現有工藝流程和過程控制水平，加強對標學習，不斷優化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，進一步提升產品質量和降本增效。

4.確保轉爐-LF爐-連鑄緊密銜接，生產45鋼應充分發揮設備的冶金功能，為今后開發更多優質產品積累寶貴的經驗。