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SWRCH22A冷镦钢100t LF精炼造渣制度的分析和工艺优化
发布时间: 2016-07-29 來源:東北特鋼 浏覽人數:18171
 
  水城钢铁集团公司(水钢)采用“100t顶底复吹转炉-LF精炼-150×150mm方坯连铸-铸坯加热-高速线材轧制”工艺生产的Φ5.5mm SWRCH22A冷镦钢用于制作螺钉、销钉等标准件。由于采用冷镦制作标准件时变形速度快、变形量大、变形很不均匀,对冷镦用钢的质量要求很高,对钢中夹杂物控制很严格,特别要求高熔点Al2O3夾雜物要少。在冶煉過程中,冷镦鋼相對于高碳鋼而言,鋼中硫的活度系數低,不利于脫硫。因此對LF精煉渣來說,一方面要保證較好的脫硫效果滿足成品鋼硫含量要求,其次具有合適的熔點和粘度以利于對上浮夾雜物的同化和吸收,精煉渣宜采用CaO-Al2O3基渣系以滿足脫硫和夾雜物控制要求。
  此外,由于鋼采用鋁脫氧,爲防止水口的結瘤,需要鈣處理以改變Al2O3夾雜的存在形態,同時在連鑄過程要防止鋼水二次氧化。鈣處理反應産物應按Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3方向進行。爲確保夾雜物變形處理,必須控制加入鋼水的鈣含量,如Ca不足,則Al2O3無法轉變爲液態鋁酸鈣;Ca加入量過大,有可能生成CaS造成水口堵塞或導致洗水口,以及塞棒控流失效。
 鋼中夾雜物鈣處理的相關熱力學計算
1.1  [Ca]-[Al]平衡
  表1爲所選取的5爐SWRCH22A鋼種的LF精煉終點成分。
表1  5炉SWRCH22A冷镦钢的LF精炼终点成分和氧活度

爐號
成分/%
氧活度α[o]/10-6
C
Si
Mn
P
S
Ca
B
Als
Alt
291-09194
0.18
0.055
0.85
0.014
0.006
-
0.0010
0.036
0.037
-
292-08862
0.19
0.044
0.89
0.013
0.008
-
0.0010
0.061
0.067
2.0
092-08863
0.19
0.058
0.85
0.012
0.009
0.0040
0.0010
0.088
0.096
2.5
092-08864
0.19
0.062
0.85
0.014
0.006
0.0040
0.0010
0.057
0.063
3.5
211-02006
0.20
0.058
0.85
0.015
0.007
0.0032
0.0007
0.011
0.012
19.0
平均值
0.19
0.0554
0.858
0.0136
0.0072
0.0037
0.0009
0.0506
0.055
6.75

 
  圖1爲計算的1873K時[Ca]與[Al]的平衡關系曲線及實測的5爐鋼中的[Ca]-[Al]值。
 
 
 
图1  1873K时[Ca]與[Al]的平衡關系曲線及實測的5爐鋼中的[Ca]-[Al]值
  從圖1可以看出:
  (1)所選取的5爐鋼實測的LF精煉終點的[Ca]-[Al]值均在12CaO·7Al2O3平衡態附近,這說明鋼中形成的鈣鋁酸鹽夾雜大部分都是低熔點物質,即鋼液的鈣處理效果較好;
  (2)要生成12CaO·7Al2O3低熔點夾雜,則隨著[Al]的增加,[Ca]/[Al]比值逐漸減小,所以實際生産中不能在鈣處理時將[Ca]/[Al]確定爲一個定值作爲評價鈣處理效果的指標,要根據[Al]變化確定最佳比值。
  實際精煉時要生成12CaO·7Al2O3低熔點夾雜,不僅鋼液要滿足[Ca]-[Al]平衡,同時要滿足[Al]-[O]以及[Al]-[S]等的平衡。
1.2  [Al]-[O]平衡
 
 
图2  1873K时a[O]與[Al]的平衡關系曲線及實測的5爐鋼中的a[O]-[Al]值
  由圖2可以看出,所選取的5爐鋼在精煉結束時有3爐氧活度遠在CaO·Al2O3平衡態之上,造成鋼水中鋁的嚴重二次氧化,生成高熔點Al2O3,導致水口堵塞。而實際生産中氧活度較高的這3爐在澆鑄的時候出現了堵水口。這種LF精煉結束時氧活度過高是喂鈣線時鋼水沸騰劇烈的結果。
1.3  [Al]-[S]平衡
  從圖3可以看出,所選取的5爐鋼的[S]-[Al]值主要在12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3低熔點物質對應的[S]-[Al]值之間,更接近12CaO·7Al2O3。说明在精炼结束[S]-[Al]值基本满足生成12CaO·7 Al2O3低熔點夾雜。
 
 
图3  1873K时[S]與[Al]的平衡關系曲線及實測的5爐鋼中的[S]-[Al]值
1.4  [Ca]-[S]平衡
  從圖4可以看出,所選取5爐鋼的[Ca]-[S]值基本都在1873K平衡態之下,鈣含量較低,鋼液中不易生成CaS夾雜物。
 
 
图4  1823~1923K [Ca]-[S]的平衡关系曲线及实测的5炉钢的[Ca]-[S]值
 
  爲了保證鈣處理效果,從熱力學上需要同時滿足[Ca]-[Al]、[O]-[Al]、[S]-[Al]、[Ca]-[S]要求的指標,不能單純從[Ca]/[Al]比來判斷夾雜物是否處于低熔點鋁酸鈣區域。
1.5  氧氮分析
  從表2可以看出:
表2  SWRCH22A钢不同工位點的氧氮含量

爐號
氧氮含量/10-6
工位點
吹氩平台
軟吹3min
連鑄中間包10min
212-03333
T[O]
16.25
14.99
64.17
[N]
13.61
33.30
50.56
213-01007
T[O]
43.99
24.83
16.66
[N]
16.31
27.96
33.67

 
  (1)兩爐鋼在LF精煉過程氧含量逐漸降低,精煉結束全氧含量都在20×10-6以下,說明LF精煉過程夾雜總量控制得都比較理想。但從前面熱力學分析討論可知,鋼中Al2O3夾雜控制不理想。
  (2)整個LF精煉過程氮含量都逐漸升高,說明精煉過程氣氛保護不好,不斷吸氧。
  (3)从表2可见212-03333炉軟吹3min到連鑄中間包10min工位之间,氧氮含量大幅增加,说明钢液在该过程二次氧化较为严重。
 造渣制度的優化
2.1  精煉終渣成分的确定
  冷镦鋼對鋼中夾雜物控制比較嚴格,特別要求高熔點Al2O3夾雜物要少,以防止冷镦過程的開裂;對精煉渣來說,一方面要保證較好的脫硫效果滿足成品鋼硫含量要求,其次具有合適的熔點和粘度以利于對上浮夾雜物的同化和吸收。由于鋼水采用鋁脫氧,爐渣中Al2O3含量較高,精煉終渣成分實際上是CaO-Al2O3基渣系,渣中較高的Al2O3和較低的SiO2對防止鋼水再氧化和增矽是必要的。根據CaO-Al2O3相圖,對中高碳鋼,可以將CaO/Al2O3控制在1.3~1.6,爐渣在較寬的範圍內具有較低的熔點,有利于平衡的夾雜物球化。對于低碳鋼,由于硫的活度系數較低,相對中高碳鋼脫硫困難,因此可以將CaO/Al2O3控制在1.5~1.9,這時爐渣熔點較高,可以加入少量螢石使其進入熔化區域。通過熱力學計算和分析,最終取MgO爲6%,SiO2<6%,CaO/Al2O3控制在1.6~1.8,如圖5所示。
 
 
图5  5炉精煉終渣在CaO-Al2O3-SiO2-6%MgO相圖的位置
2.2  转炉下渣量和精煉終渣量的确定
  爲將目標精煉渣CaO/Al2O3控制在1.6~1.8,需對造渣制度進行優化調整。由渣料帶入的CaO基本不會和鋼中成分反應,而合金料帶入的Ca元素相當少,也就是合金料氧化生成的CaO少,處理時忽略不計;渣料帶入的Al2O3量和金屬鋁氧化爲Al2O3後進入渣中的量可計算得到。基于CaO和Al2O3物料平衡可計算出下渣量和精煉終渣量。方程組如下:
  渣料帶入的CaO=精煉終渣的CaO
  渣料帶入的Al2O3+金屬Al氧化進渣的Al2O3=精煉終渣Al2O3
  以SWRCH22A的292-08862爐爲例,加入渣料成分和量如表3。出鋼下渣成分、精煉終渣成分如表4。精煉終點鋼水中全鋁Alt=0.07%。鋼水量爲93t。加入含鋁合金如表5。
表3  LF精炼过程渣料加入量及其成分

渣料
加入量/kg
渣料成分/%
CaO
Al2O3
SiO2
MgO
精煉渣
500
51.07
40.87
3.11
 
石灰
700
83.00
0
0.89
 
鋁礬土
80
0
80
 
1.42
電石
50
85.0
0
 
 
總計
1330
 
 
 
 

表4  转炉出鋼下渣和精煉終渣成分/%

項目
CaO
Al2O3
SiO2
MgO
出鋼下渣
48.55
1.06
12.05
3.86
精煉終渣
58.59
30.81
5.29
3.52

表5  LF精炼过程加入的含量合金量

項目
鋁錳鐵
鋁線
鋁粒
加入量
380kg
300m
80kg
鋁含量
20%
100%
100%
純鋁量
380kg×20%=76kg
300m×0.2kg/m=60kg
80kg×100%=80kg

 
  設下渣x kg,精煉終渣y kg,根據上述方程組,
  x×48.55%+874=y×58.59%
  x×1.06%+268+(216-0.07%×93000)×10/54=y×30.8
  得出下渣量为640kg,精煉終渣量为2021kg。同理可求出其他炉次的下渣量和精煉終渣量,可知SWRCH22A钢的下渣量基本稳定在700kg左右,精煉終渣量稳定在2000kg左右。
2.3  造渣制度的确定
  加入的合金鋁被氧化進入熔渣相的Al2O3質量大致穩定,平均約爲360kg。
  用精煉終渣CaO/Al2O3评判造渣料计入量是否合适。将下渣量定为700kg,改变精煉渣和石灰的用量,调整精煉終渣CaO/Al2O3以達到設計目標。
  计算的造渣材料加入量为精煉渣550kg,石灰650kg。此计算较粗糙,且下渣控制不稳定,加入渣量随下渣量变化影响很大,因此仅提供理论上的参考,在生产现场需根据现场实时渣成分进行相应的调整。此外,为了保证尽快成渣,发挥精煉渣在脱硫特别是吸收和同化夹杂物方面的重要作用,需进行转炉出钢加入石灰和萤石进行渣洗操作,并根据终渣Al2O3的要求在精炼炉补加石灰或精煉渣调整。
 結論
  (1)爲防止水口堵塞,在精煉過程應盡量控制喂鈣線時鋼水劇烈翻騰,同時注意精煉結束到連鑄中間包過程鋼水的保護,防止二次氧化。
  (2)当精煉終渣成分中MgO为6%,SiO2<6%,並將CaO/Al2O3控制在1.6~1.8,能避免鋼渣反應,減少鋼中高熔點的Al2O3夾雜,並具有較強的脫硫能力。
  (3)为达到所需的精煉終渣的成分,一般加入精煉渣550kg,活性石灰650kg,同时在生产现场须根据实时渣成分进行相应的调整。
 
 
摘選自《特殊鋼》2016年第3期
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