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30t EAF-LF-VOD VHD流程冶炼MHT10Ta钢钽含量控制的工藝实践
发布时间: 2016-03-28 來源:東北特鋼 浏覽人數:18125
 

  不同的合金元素在鋼中具有不同的作用,鋼中加入钽,可有效提高鋼的高溫強度和耐熱性能。研究表明,鋼中钽含量從0.027%增加到0.059%時,鋼的強度和高溫持久性將大幅提高。钽在元素周期表中位于第VB族,和铌一樣,钽是強碳、氮化物形成元素。具有密度大(16.65g/cm3)、熔點高(2996℃)、耐蝕、優異的高溫強度及低的韌-脆性轉化溫度等特點,被廣泛應用于電子、化工、高溫合金等領域。目前钽在煉鋼中應用較少,钽是僅次于鎢、铼的第3個最難熔金屬,加熱到高于500℃則加速氧化生成Ta2O5,钽和氮在300℃以上開始反應生成固溶體和氮化合物。在高溫下,能與多種物質反應。

  1 主要工藝設備和生産工藝
  抚顺特钢第二炼钢厂钢锭生产工藝为:30t EAR→LF→VOD/CHD→模鑄(下注),抚顺特钢第二炼钢厂主要裝備參數如表1所示。
表1  第二炼钢厂主要准备參數
裝備
項目
參數
EAF
電弧爐公稱容量/t
30
變壓器容量/MVA
12.5
電弧爐平均出鋼量/t
31
LF
額定處理容量/t
30
鋼液升溫速度/(℃·min-1
≥4
電極直徑/mm
300
VOD/VHD
公稱容量/t
30
最小鋼水處理量/t
23
最大鋼水處理量/t
35
最大氧流量/(m3·h-1
1500
極限真空度/Pa
20
鋼包自由空間/mm
570-775-1075
電極直徑/mm
350
變壓器公稱容量/KVA
10000
鋼液加熱速度/(℃·min-1
3~4
鋼包底吹氩氣流量/(L·min-1
25~250
模鑄
鋼錠重量/t
0.71~27
澆注方式
模鑄(下注法)
 
  MHT10Ta钢的标准化学成分,如表2。工藝流程为:装料→30t電弧爐初煉→30t LF精煉→30t VOD/VHD吹氧精煉→模鑄。
表2 MHT10Ta鋼化學成分,9爐/%
項目
C
Mn
Si
S
P
Cr
W
V
Mo
Nb
N
Co
Ta
B
電極內控
0.10
~
0.18
0.10
~
0.25
0.15
~
0.30
0.005
0.012
10.00
~
10.75
1.70
~
1.85
0.15
~
0.25
0.65
~
0.75
0.04
~
0.06
0.010
~
0.035
3.00
~
3.50
0.07
~
0.13
0.007
~
0.009
目標
0.15
0.18
0.20
10.50
1.80
0.20
0.70
0.05
0.030
3.25
0.10
0.008
均值
0.126
0.159
0.189
0.001
0.007
10.300
1.780
0.197
0.690
0.05
0.025
3.22
0.089
0.008
 
  1.1 電弧爐初煉
  電弧爐采用氧化法冶煉,爐料由生鐵和優質廢鋼組成。配C量在1.55%左右,保證電弧爐的去碳量和快速升溫,電弧爐氧化至P≤0.004%,Si≤0.20%,溫度T≥1690℃,扒淨氧化渣。出鋼條件:C≤0.60%,溫度T≥1630℃。
  1.2 LF精煉
  電弧爐出鋼後,吊扒渣台扒淨氧化渣。LF到位加入白灰、螢石、鋁鈣渣,給電燒渣大于10min,過程采用純C粉進行擴散脫氧,渣白取樣全分析,樣回調成分。T≥1650℃,各成分符合下部工序要求,吊至VOD扒渣台扒渣。
  1.3 VOD/VHD工藝
  VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)到位扒净初炼渣,入罐取成分样,裸露钢水面80%以上,确认好钢水量。Ar气流量20~50L/min,设定真空度2.0×104~2.5×104Pa,開E5A-E4A泵,氧槍下降高度1200~1400mm,當真空度≤2.0×104Pa,開始吹氧,氧氣流量設定300~360m3/h,然後根據實際情況進行逐漸提高,氧氣流量最大不超過720m3/h,氧利用率設定65%左右。
  在吹氧後期,開啓極限真空泵。同時提高Ar氣流量30~50L/min,逐漸降低氧氣流量。當MTA碳氧分析儀曲線下降,實際吹氧量與理論耗氧量相當時,停止吹氧。停氧後,真空度≤100Pa,進行真空碳脫氧,保持3~5min。真空碳脫氧後,測溫(吹後溫度≥1600℃),加入渣料(白灰、螢石)及脫氧劑粉、Ca-Si塊及部分合金料。開E5A-E1至極限真空度,提高Ar氣流量至100L/min,真空度≤67Pa保持15min,破真空,取樣。VOD還原渣主要成分和堿度見表3。
表3 VOD還原渣主要組分和堿度

渣的組成/%
堿度(R)
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
17.7
16.62
52.35
9.18
1.0
2.97

 
  入VHD(Vacuum Heat Degassing),小電流加熱,溫度T≥1640,爐中[Al]控制在≥0.02%,按0.125%加入钽條,加入金屬钽時大氩氣攪拌,確保钽條加入到氩氣流上,攪拌15~20min後取樣分析,若攪拌後溫度偏低,可小電流加熱。
  理論耗氧量=(入罐C%-預計C%)×鋼水量+0.93/碳氧利用率(0.6~0.8)+入罐Si%×鋼水量×0.80/矽氧利用率(0.90)+入罐Al%×鋼水量×0.63/鋁氧利用率(0.9)。
  1.4 澆鑄
  澆鑄前15min进行模内充Ar,全程采用Ar气保护澆鑄,澆鑄锭型为Φ250mm(单重0.64t)电极棒,每锭盘12支,全炉澆鑄42~45支。
  2 實驗結果及分析
  采用EAF→LF→VOD/VHD→640kg模鑄工藝共生产9炉Φ250mm圆电极棒。
  由表4可以看出,9炉MHT10Ta钢的成品平均钽含量0.089%,最大值0.105%,最小值0.080%,钽的平均收得率为58.88%,最大值69.49%,最小值47.43。后期逐渐对过程參數进行了优化,钽的收得率稳定在60%左右。
表4 MHT10Ta鋼中鋁、氮、氧、钽的收得率
爐號
成品成分/%
鋼水量/t
加钽溫度/℃
钽條加入量/(kg·爐-1
钽收得率/%
[Al]
[N]
[O]
[Ta]
121250
0.017
0.0232
0.0019
0.087
31.0
1630
52.90
50.98
121482
0.029
0.0240
0.0013
0.105
32.0
1636
48.35
69.49
121591
0.033
0.0235
0.0023
0.080
33.2
1617
56.00
47.43
121649
0.042
0.0253
0.0019
0.085
34.5
1643
19.50
59.24
121653
0.041
0.0253
0.0018
0.086
28.4
1652
42.00
58.15
121682
0.044
0.0232
0.0017
0.083
32.4
1641
46.40
57.96
121687
0.055
0.0253
0.0014
0.090
30.7
1640
45.60
60.59
121764
0.044
0.0251
0.0018
0.099
33.4
1644
51.00
64.84
121787
0.022
0.0247
0.0022
0.090
34.0
1647
50.00
61.20
平均
0.040
0.0244
0.0018
0.089
32.2
1639
19.08
58.88
 
  2.1 Ar氣攪拌對钽收得率的影響
  氩氣可有效改善冶金反應的動力學條件,加快鋼水脫氧、脫硫、溫度和成分的均勻。但是底吹氩流量大小、吹氩時間難以把握。如果吹氩流量過大,會造成裸露鋼水面,過小起不到良好的攪拌效果,針對加钽時的氩氣流量,通過摸索確定在100L/min左右爲最佳。能確保钽最大限度的快速熔化,同時不造成鋼水大面積裸露。
  2.2 氮含量對钽收得率的影響
  由于钽的化學性質很活潑,可以與許多非金屬元素形成具有良好機械性能的化合物。钽和氮在300℃以上開始反應生成固溶體和氮化合物。
  由圖1(b)可見,隨鋼中氮含量增加,钽的收得率呈現下降趨勢。由于此鋼種有氮含量要求,氮含量必須控制在規格範圍內。因此通過先進行氮的合金化,後加钽的方式來保正钽的收得率。
  2.3 氧含量對钽收得率的影響
  由圖1(b)可以看出,鋼中氧含量越高,钽的收得率越低。在實際冶煉過程中,鋼水中[Al]≥0.020%時,對應的[O]溶解≤4.0×10-6,将钢中残余铝控制在0.02%~0.05%,通过底吹氩气搅拌,改善冶金反应的动力学条件,可将钢中氧含量控制在极低的水平。在VOD精煉后期,根据炉中实际[Al],適量向鋼中加入鋁粒,保證加钽前爐中[Al]≥0.02%等措施,最大限度降低鋼中氧含量。
 
 
 
圖1 鋼中氮含量(a)、氧含量(b)和鋼液溫度(c)對钽收得率的影響
  2.4 溫度對钽收得率的影響
  對于密度大、熔點高的金屬,溫度越高越有利于其溶解,但是溫度過高則會加快鋼液的吸氧、吸氣,對穩定鋼中易氧化元素不利,同時溫度過高,會加速鋼包耐火材料的其實與剝落。
  由圖1(c)可以看出,隨著加钽時爐中溫度的提高,钽的收得率逐漸提高,但當溫度大于1645℃時,钽的收得率又開始呈現下降趨勢,因此,控制加钽時爐中溫度在1635~1645℃,對钽的收得率最有利。
  3 結論
  (1)MHT10Ta鋼生産時,加钽時控制爐中[Al]≥0.02%,最大限度的降低鋼中氧含量,可穩定提高钽的收得率。
  (2)改善冶金反應的動力學條件,調整底吹氩氣流量至100L/min左右,可強化鋼液攪拌效果,同時,溫度控制在1635~1645℃,可有效提高钽的收得率。
  (3)先進行氧的合金化(VOD底吹氮或加氮化鉻),後加钽,可有效穩定钽的收得率。
  (4)通過(1)~(3)的各項控制措施,钽的收得率可穩定在60%以上。
 
 
 
摘選自《特殊鋼》2016年第2期
 

 

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