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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．