(1.鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，北京 100081；2.湖南華菱漣源鋼鐵集團有限公司，湖南 婁底 417009)

研究表明，煉鋼流程精煉工藝的穩(wěn)定與優(yōu)化[1]對精煉鋼液的潔凈度[2-3]、連鑄坯的質(zhì)量[4]存在著明顯的遺傳性影響，其中冶金熔池的優(yōu)化具有重要左右[5-6]。

漣鋼采用210 t BOF-LF-RH-CC流程生產(chǎn)工程機械用鋼LG960QT等品種，在生產(chǎn)中存在氧含量高且隨工藝變化波動大，連鑄坯易產(chǎn)生裂紋缺陷等質(zhì)量問題。抽檢4個爐次RH精煉后氧含量分別為(17/19)×10-6(LF加鋁量約150 kg)、(31/32)×10-6(LF加鋁量>200 kg)。漣鋼工程機械用鋼的連鑄坯夾雜物評級偏高，其中以B、D類表現(xiàn)特別明顯，B類一般在1.0級以上，D類一般在2.0級，此外部分Ds類甚至超過1.5級(見表1)。根據(jù)夾雜物的形貌可以推斷，單顆粒的夾雜物仍以鈣鋁酸鹽為主。為了控制鋼中B、D類夾雜物，控制鈣鋁酸鹽的數(shù)量和尺寸是關(guān)鍵。還必須對冶煉工位工藝參數(shù)進行細節(jié)優(yōu)化，最大化去除大顆粒鈣鋁酸鹽夾雜物[7-8]。

表1 工程機械用鋼夾雜物評級

1 LF-RH煉鋼流程的工藝優(yōu)化與效果

漣鋼在實際生產(chǎn)過程中除了冶煉參數(shù)研究調(diào)整外，還參考國內(nèi)研究成果[9-10]對精煉渣調(diào)配、保護渣選擇等進行了部分優(yōu)化。本節(jié)主要對漣鋼多開展的LF爐與RH爐工位的冶金容器流場優(yōu)化進行分析總結(jié)。

1.1 LF爐的熔池狀態(tài)數(shù)值模擬

本節(jié)對LF爐底吹氬對夾雜物的去除影響進行了數(shù)值模擬研究。表2為不同吹氬量下，透氣孔處所形成的平均氣泡直徑大小，其中假設(shè)所有透氣孔直徑小于0.8 mm。根據(jù)佐野正道等[11]學(xué)者給出的式(1)來計算透氣磚處的氣泡直徑。

(1)

表2 不同流量下的氣泡直徑

通常鋼包采用小氣量吹氬處理攪拌熔池，使鋼渣充分接觸，增大反應(yīng)界面，利于鋼液中夾雜物上浮被渣吸附去除。底吹氬氣壓力越小，透過透氣磚形成的氬氣泡直徑越小，被鋼流擊碎后更加細小彌散，氬氣泡與鋼液的接觸面積極大增加，利于吸附夾雜物顆粒。目前研究結(jié)果均認(rèn)為，底吹氬氣去除夾雜物的效率主要決定于氬氣泡和夾雜物的尺寸以及吹入鋼液的氣體量。而基于不同底吹元件的類型的吹氣量影響著鋼液中的氬氣泡尺寸，因此底吹氣量是影響夾雜物去除效果的最直接因素。

圖1是漣鋼LF鋼包在50 L/min(標(biāo)準(zhǔn))時夾雜物去除率隨時間的變化情況。由圖1可見，在初始階段夾雜物去除速率較快。隨著吹氬時間延長，夾雜物去除速率逐漸降低。其原因主要是初始時夾雜物數(shù)密度大，和氬氣泡發(fā)生碰撞幾率較大，去除率效果好；越到后期夾雜物數(shù)密度越低，和氣泡碰撞幾率降低，去除效率減小。

圖1 鋼包中夾雜物隨時間的去除率模擬結(jié)果(Q=50 L/min(標(biāo)準(zhǔn)))

圖2是漣鋼LF出站夾雜物去除率隨氬氣流量的變化。由圖2可見，隨著吹氬氣量的增加，夾雜物去除率先增大后減小，在實驗條件下90 L/min(標(biāo)準(zhǔn))時的夾雜物去除效果最好。超過90 L/min(標(biāo)準(zhǔn))后，夾雜物去除效果變差。其原因主要是氬氣量大小影響了LF鋼包內(nèi)整體流場特征，當(dāng)超過一定氣量后，由于氬氣泡直徑的增大，對夾雜物的吸附作用減弱。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合后，現(xiàn)場宜采用85～90 L/min(標(biāo)準(zhǔn))的底吹氬氣流量來提高夾雜物去除效果。

1.2 RH爐去除夾雜物的物理模擬

同時對RH爐強攪拌流場的夾雜物去除效果進行研究。實驗采用水模擬鋼液，乳狀液滴模擬夾雜物。對于夾雜物模擬，Sahai和Emi提出的模型與原型中夾雜物的尺寸與夾雜物密度及溶液密度存在定量關(guān)系[12-13]，即

圖2 LF出站夾雜物去除率隨氬氣流量的變化

(2)

式中：R為半徑，μm；λ為幾何相似比；ρ為密度，kg/m3；下標(biāo)m和p分別代表模型和原型，inc代表夾雜，st代表鋼液，w代表水溶液。實驗有關(guān)參數(shù)見表3。

表3 模擬介質(zhì)的相關(guān)物性參數(shù) kg·m-3

(3)

(4)

該模擬夾雜物的當(dāng)量直徑為115 μm，則計算可知乳狀液滴可以模擬初始當(dāng)量直徑為34 μm的Al2O3夾雜或29 μm的SiO2夾雜。

圖3是實驗條件下RH爐在不同提升氣量時夾雜物的去除率(浸漬深度600 mm)。由圖3可看出，夾雜物的去除主要發(fā)生在前12 min內(nèi)，不同氣量時去除率達到45%～65%，且0～8 min去除夾雜最快；當(dāng)吹氣到28 min時，比24 min時夾雜物的去除率只提高約5%，總?cè)コ驶具_到70%～85%，從生產(chǎn)效率和去除夾雜物綜合考慮，吹氣不宜過長。此外，提升氣量對夾雜物去除的影響較大，其中110和160 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))吹氣時達到較好的夾雜物去除效果；當(dāng)供氣大于170 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時去夾雜效果越來越差，其原因應(yīng)為大氣量雖然提高了總體攪拌強度但是夾雜物的去除幾率降低。

圖3 不同提升氣量條件下夾雜物的去除率(浸漬深度600 mm)

圖4是提升氣量為160 m3/(標(biāo)準(zhǔn))h時不同浸漬深度下夾雜物的去除率隨時間的變化?？梢钥闯觯S著浸漬深度的增加夾雜物去除效果變好。提升氣量為160 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))匹配浸漬深度700 mm并吹氣28 min時，能得到最好的夾雜物去除效果。但是浸漬深度增加會減小真空室容積、加劇整體浸漬管耐材侵蝕量等附帶影響。

圖4 提升氣量為160 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時不同浸漬深度條件下夾雜物的去除率

基于水模型研究結(jié)果，制定結(jié)合現(xiàn)場裝備條件與工藝節(jié)奏需要，以去除夾雜物為目的的工藝參數(shù)為：浸漬深度600 mm匹配160 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))的提升氣體氣量，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏彈性調(diào)節(jié)處理時間，一般按吹氣處理25 min執(zhí)行。

1.3 工藝改進效果

為了降低氧含量和夾雜物危害，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，漣鋼基于實驗研究結(jié)果改進LF爐和RH爐吹氣參數(shù)，并配合頂渣改質(zhì)、精煉渣優(yōu)化控制等其他措施，改進工藝后精煉期氧含量降低到(11～15)×10-6。

2 結(jié) 論

(1)通過對漣鋼210 t LF+RH爐的水模擬研究，得到了夾雜物去除的合理工藝參數(shù)，即最佳LF底吹氬氣流量約在85～90 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，合理的RH工藝參數(shù)為提升氣量160 L/min(標(biāo)準(zhǔn))匹配浸漬深度600 mm，并一般吹氣處理25 min。

(2)經(jīng)過多項工藝改進措施的實施，精煉過程氧含量由原來的(18～32)×10-6降低到(11～15)×10-6，夾雜物的數(shù)量得到大幅降低，保證了后續(xù)連鑄坯的質(zhì)量。