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中型优质H型钢LF精炼工艺优化实践
赵圣功
(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司,莱芜;271104)
摘 要:为提高莱钢中型H型钢钢水洁净度及产品质量,炼钢厂通过开发新型转炉渣改质剂、研究快速铝脱氧技术、优化LF精炼渣系、研究硼微合金化技术、优化钢水夹杂物去除工艺,缩短了精炼周期,实现了炉机匹配,满足了优质H型钢的质量要求,提高了钢水洁净度,稳定了轧材性能。
关 键 词:H型钢;铝脱氧;渣系
0 前言
莱钢炼钢厂老区4号转炉—4号LF炉—4号连铸机生产线,主要配套中型H型钢生产,如Q345C、Q345D、Q345EL等一系列抗低温冲击优质H型钢。由于H型钢轧制断面不规则,对钢水的洁净度要求较高。4号转炉冶炼及4号连铸机浇注周期较短(平均25min),LF精炼时间紧迫,生产中常因工序衔接紧张,LF快速造白渣困难,夹杂物上浮时间难以保证,铸坯质量波动较大,质量控制能力不够强,不利于开发高端H型钢产品。为此,莱钢炼钢厂对供H型钢品种钢的4号转炉—4号LF炉—4号连铸机生产线进行工艺优化,研究LF快速精炼法,以提高生产节奏及钢水洁净度,满足高附加值品种钢的生产要求,从而提升公司利润上升空间。
1 生产线主要概况及存在问题
1.1 生产线主要概况
炼钢厂老区4号转炉—4号LF炉—4号连铸机是国内最高效的大矩形坯H型钢生产线,公称吨位60t,但冶炼周期仅25min,年产量120万t。工艺流程为:铁水预脱硫—混铁炉—4号转炉(60t氧气顶吹转炉)—4号LF精炼炉(60t)—4号连铸机(3机3流矩形坯连铸机)。
1.2 存在的主要问题
此生产线在生产品种钢过程中,由于传统的LF精炼工艺周期较长,无法与转炉冶炼及连铸浇注周期相匹配,不能大批量生产,因此每次只能采用压钢方式进行小批量(不足500t)生产。4号连铸机全流满包浇注周期为25min,而4号LF精炼炉无法在较短的时间内达到较好的脱氧、脱硫及夹杂物去除效果。炉—机生产节奏难以匹配,钢水“三恒”浇注稳定性较差,铸坯质量波动,无法满足批量生产要求。具体如下:
1)LF精炼周期30~40min,品种钢生产批量小(小于500t)。
2)LF精炼渣(FeO+MnO)≥2.0%,R<2.5。
3)成品硫在0.015%~0.025%,全氧含量60~100ppm。
4)硼合金回收率低,平均仅有35%,硼成分波动大,轧材低温冲击功不稳定,部分炉次不合格。
2 工艺优化措施
2.1 开发新型转炉渣改质剂
供中型H型钢4号转炉—4号LF炉—4号连铸机生产线主要生产中低碳钢(Q345C、Q345D、Q345EL、D级钢、DH36及一些欧标钢种),对碳的要求较为严格。因此改质剂选择要避免增碳。同时结合生产实际,认为降低钢包顶渣的(FeO)含量和钢水含氧量并提高钢水脱硫率是改质工艺的关键。
综合考虑上述条件,自主开发了Al基钢包顶渣改质剂,本着高效实用、成本低廉、环境友好的原则,最终确定钢包顶渣改质剂的组成成分,见表1。

在出钢脱氧合金化完毕后,将改质剂加入到钢包顶部,参考加入量50~100kg/炉次,在钢包到达4号吹氩位采用氩气搅拌,保证改质剂的充分熔化和有效地参加反应,对钢水提前进行预脱氧、脱硫,缩短精炼前期成渣时间。
2.2 LF单次集中快速铝脱氧技术的研究
2.2.1 单次集中铝脱氧机理
氧气顶吹转炉出钢钢水自由氧含量较高,采用铝脱氧如果以一批方式加入钢液,主要形成Al2O3簇夹杂物,这些夹杂物尺寸大,碰撞结合力大,很容易浮出进入渣中,只有少量紧密簇状物和单个Al2O3颗粒滞留在钢液中,其尺寸小于30μm。如果以两批或多批方式加入,会出现一些板型Al2O3夹杂物,夹杂物颗粒小,尺寸在5~20μm,上浮去除较为困难,所以加入铝时应尽可能快地单次集中加入,以减少小的有害Al2O3夹杂物的数量。
2.2.2 铝脱氧方式
改变以往的硅钙钡、硅铝钙钡脱氧,采用铝质脱氧剂脱氧。尽管铝有很强的脱氧能力,但在高氧位时,因其密度小,在出钢过程中加入易在钢水表面燃烧,利用率极低,加之其价格高,因此并不经济。所以选择在出钢完毕钢水到达吹氩位时,在低氧位条件下加入(顶渣改质后的钢水氧位变低),采用钢包喂铝线法可使铝迅速溶于钢液,显著提高铝回收率,脱氧效果良好。为缩短精炼时间,确保含铝夹杂物充分排除,在精炼进站前一次性喂入一定量的铝线(Φ12mm,Al≥98%,米重330g/m)进行强脱氧,以减少难以去除的板型Al2O3夹杂的产生。
2.3 钙处理工艺
2.3.1 钙处理机理
经铝脱氧的钢液中存在的Al2O3夹杂物多数熔点很高,在连铸温度下呈固态,很容易在中间包水口处聚积引起堵塞,因此向铝脱氧的钢液中加入钙,能够改变铝氧化物夹杂的形态。钙是强脱氧剂且沸点低,进入钢液后很快成为蒸汽,在上浮过程中与钢中氧作用生成钙的氧化物。钙处理过程中,随着夹杂物中钙的增加,夹杂物将沿着Al2O3-CaO·6Al2O3-CaO·2Al2O3-12CaO·7Al2O3-CaO·Al2O3-3CaO·Al2O3的路线改变性质[1]。各钙铝酸盐夹杂物的性质,见表2。

根据表2可以看出,CaO和Al2O3生成的五个中间相性质差异较大,应控制钢中钙含量,避免生成中间相CaO·6Al2O3、CaO·2Al2O3、CaO·Al2O3而生成液相12CaO·7Al2O3,有利于夹杂物上浮,12CaO·7Al2O3熔点很低(1415℃),而且密度小,在钢液中集聚上浮排入炉渣,就可以使大量的这类脱氧产物在进入中间包之前从钢液中上浮去除,不仅可以减轻中间包水口堵塞问题,保证连铸顺利进行,改善钢液的浇铸性能,而且可以提高钢水清洁度、改善钢的质量。
2.3.2 钙处理方式
1)为有效减少粉剂包芯线(硅钙线、钙铁线)中有害元素(S、P、C、Si)带入钢液,提高钙回收率,降低生产成本,同时满足脱氧、脱硫、改变夹杂形态、促进夹杂物上浮、净化钢液的目的,采用实芯纯钙线(理化指标见表3)对钢液进行钙处理。

2)根据钢水中[Al]与[Ca]的含量关系进行钙化处理,要求[Ca]/[Al]为0.10~0.15,使钢中铝夹杂物形成12CaO·7Al2O3并聚合上浮,达到去除夹杂物的目的,保证连铸顺利浇注。按照铝回收率30%、钙回收率30%确定钢水中的[Ca]/[A1]在合适范围,由此确定喂硅钙线标准。
3)钙处理前要求钢水溶解氧含量低于10ppm,硫含量低于0.010%,顶渣为泡沫黄白渣,为减轻喂钙线过程钢水翻腾严重,喂线速度1.2~1.7m/s,钙处理完毕采用智能吹氩模式(流量控制在20~50NL/min)进行软吹,软吹过程采用碳花稻壳覆盖钢液面,要求钢液面微动不裸漏,时间不低于10min。
2.4 CaO-Al2O3-SiO2精炼渣系快速生成技术研究
在LF精炼过程中,为合理快速地造白泡沫渣,营造出炉内稳定的还原性气氛,达到深脱硫、脱氧的目的,以充分吸收钢水中的夹杂物并对夹杂物进行变性处理,综合考虑渣中各组分对造渣的影响,将精炼终渣的成分(%)设计为:CaO=50%~60%,SiO2=15%~25%,Al2O3=10%~20%,MgO=5%~10%,见表4。

2.5 硼微合金化技术的研究
2.5.1 硼元素的性质及对钢性能的影响
硼的熔点2300℃,沸点2550℃,硼在室温下比较稳定,即使在盐酸或氢氟酸中长期煮沸也不起作用。硼能和卤族元素直接化合,形成卤化硼。从各元素氧化性顺序(Re-Zr-Ca-Al-Ti-B-Si-C-P-Nb-V-Mn-Cr-W/Mo/Fe-Co-Ni-Cu)中可以看出,硼在钢中化学性质极其活泼,能与钢中的氧、氮、硫、磷发生化学反应,高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应,形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度:耐熔、高电导率和化学惰性的物质,常具有特殊的性质。
微量(≤0.005%)的硼可以大幅提高钢的淬透性,能够提高钢的热强性能,硼微合金化可以实现细化晶粒、降低屈服强度,提高深冲性能[2]。
2.5.2 硼微合金化方式
鉴于硼元素化学性质极为活泼,极易与钢水中的氧、氮等发生反应,因此选择在LF精炼工序进行硼微合金化,合金化时机选择在精炼后期,钢水脱氧完全时采用喂硼铁线(硼含量18%,米重520g/m)的方式进行合金化。
2.6 钢水夹杂物去除工艺的优化
2.6.1 优化碱性覆盖剂配方
软吹过程采用碱性覆盖剂覆盖钢水表面,以提高吸收Al2O3夹杂物。根据CaO-SiO2-Al2O3三元相图,优化碱性覆盖剂配方,成分如表5所示,使其吸收Al2O3夹杂能力明显优于酸性和中性覆盖剂,且吸收Al2O3夹杂后覆盖剂的熔点降低,尤其是表面张力降低70%,有利于钢液的进一步净化。此碱性覆盖剂保温性能较好,吸附夹杂能力强。工业应用表明,与酸性覆盖剂相比,平均温降仅为0.32℃/min,铸坯夹杂物含量降低约15%~25%,铸坯质量明显改善。

2.6.2 强化软吹时间
为进一步缩短冶炼周期,实现炉—机匹配,充分利用LF精炼大包回转台设备功能,改进吹氩管路,在一炉钢精炼完毕后将钢包转出进行软吹,同时将下一炉钢水转至精炼位进行冶炼,从而可提高生产节奏5~8min,同时满足了软吹时间8~12min。为进一步延长弱搅拌时间,促进微细夹杂物的上浮,增上连铸大包浇注过程软吹设备,在浇注前、中期对钢水进行软吹,有效促进夹杂物上浮。
3 工艺优化后效果
1)通过LF快速精炼技术的研究应用,使纯精炼时间由原来的35~40min缩短至25min以内,满足了炉—机匹配,实现了Q345C、Q345D、Q345EL、DH36、D级钢及欧标H型钢的大批量生产,由每批次不足500t提升至2000t以上,产品质量满足了用户要求,提升了利润空间。
2)通过开发新型Al基钢包渣改质剂,使其发挥了最佳的预脱氧、脱硫能力,降低了精炼进站钢水顶渣氧化性,缩短了精炼前期成渣时间,同时含有较多量的CaO有效防止了回磷。顶渣改质前后效果对比情况,如表6所示。

3)研究LF炉单次集中快速铝脱氧技术,通过对不同的钢水进站情况确定合适的铝线喂入量标准,大幅度提高了深脱氧能力,控制合理的[Ca]/[Al],钢水洁净度进一步提高,轧材全氧含量稳定在50ppm以下。
4)通过研究CaO-Al2O3-SiO2精炼渣系快速生成技术,提高了钢水流动性及顶渣埋弧效果,促进了快速脱氧、脱硫及夹杂物的去除,成品硫稳定在0.010%以下。
5)优化硼合金化方式,制定精准硼合金化标准,稳定了硼回收率(70%左右)及硼成分,提高了各品种钢的低温冲击性能。
6)通过LF炉快速精炼技术的研究应用,缩短了精炼周期,精炼电极消耗由0.53kg/t钢降低到0.35kg/t钢;精炼平均电耗由42kWh/t钢降低到28kWh/t钢。
4 结语
莱钢炼钢厂通过研究LF快速精炼法并应用于H型钢生产,使纯LF精炼时间由原来的35~40min缩短至25min以内,满足了炉—机匹配,钢水的洁净度得到进一步提高,成品硫含量控制在0.010%以下,轧材全氧含量稳定在50ppm以下,低温冲击性能满足要求,Q345C、Q345D、Q345EL、DH36、D级钢及欧标H型钢实现了批量生产,产品质量满足了用户要求,提升了利润空间。
参 考 文 献:
[1] 李晶.LF精炼技术[M].北京:冶金工业出版社,2009:49—52.
[2] 王檀.转炉炼钢500问[M].北京:中国计量出版社,1992:436.