孫 拓 田云生

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

0 前言

安鋼爐卷生產(chǎn)線生產(chǎn)的Q690及以上級(jí)別的低碳高強(qiáng)鋼采用的成分設(shè)計(jì)是低碳加硼。生產(chǎn)時(shí)需要控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、過程增碳及鋼中的氮含量，但由于安鋼采用寬板坯鑄機(jī)（1 600～3 250 mm）×150 mm生產(chǎn)，寬厚比較大，碳含量控制不當(dāng)易產(chǎn)生鑄坯裂紋，惡化沖擊韌性；同時(shí)若鋼中氮含量過高，易生成氮化硼，產(chǎn)生鑄坯裂紋，降低硼的析出強(qiáng)化作用，甚至失效，因此控制冶煉過程中的增碳及鋼中的氮含量是冶煉這類鋼種的關(guān)鍵。為提高這類鋼種的冶煉命中率，開展了相關(guān)工藝研究，以期能為今后的科學(xué)生產(chǎn)提供幫助。

1 冶煉工藝路線及主要設(shè)備

冶煉工藝路線：鐵水預(yù)處理→150 t轉(zhuǎn)爐→LF→VD→寬板坯連鑄機(jī)。

主要冶煉裝備：采用150 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐，氧槍為五孔拉瓦爾氧槍噴頭，配備副槍測(cè)溫取樣系統(tǒng)，冶煉周期35～38 min； 配備150 t LF爐，平均精煉周期為30 min，二次精煉為150 t VD爐，后續(xù)使用超寬板坯連鑄機(jī)，其規(guī)格為（1 600～3 250 mm）×150 mm，配備液面自動(dòng)控制系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)。

2 產(chǎn)生原因及控制工藝分析

2.1 冶煉過程碳的控制

在低碳鋼冶煉過程中，影響冶煉過程中碳的控制因素主要有兩個(gè)，一是轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)的界面控制，主要指轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳和溫度的控制；二是鋼水接觸介質(zhì)的增碳控制，冶煉過程中鋼水主要接觸鋼包、合金、石灰、精煉劑、電極、空氣及底吹氬氣，石灰、精煉劑等造渣料中的含碳量極低，可忽略。因此，在鋼水冶煉過程中，增碳主要來源于鋼包、合金及電極。

2.1.1轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的界面控制

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的界面控制對(duì)控制冶煉過程增碳非常重要。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的界面控制主要指轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度的控制，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳一旦控制過高，對(duì)后續(xù)碳的冶煉控制將會(huì)帶來較大難度，一般要求轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量不宜超過0.050%；其次，重要的是轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度的控制，溫度過低，后續(xù)LF精煉造渣、升溫困難，長(zhǎng)時(shí)間的送電不僅會(huì)造成電極增碳，更會(huì)造成送電過程中電極電離空氣，從而使鋼水大量吸氮，因而一般要求LF精煉開始前鋼水的溫度不宜低于1 560 ℃，反推得出轉(zhuǎn)爐出鋼溫度不宜低于1 650 ℃；同時(shí)，需要注意鋼包的保溫效果及鋼包內(nèi)鋼水界面的爐渣保溫，必要時(shí)可加入200～300 kg石灰，以保證合適的渣層厚度。

實(shí)踐表明：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量小于0.050%的控制難度不大，命中率可達(dá)到100%；精煉LF的到站溫度控制受鋼包烘烤狀態(tài)、出鋼時(shí)間及鋼包內(nèi)鋼水界面保溫情況等因素影響，存在一定波動(dòng)。隨機(jī)抽取50爐低碳鋼冶煉的控制記錄分析，如圖1、2所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量控制情況

圖2 LF精煉到站溫度控制情況

從圖1可以看出，在冶煉低碳高強(qiáng)鋼種時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳基本可穩(wěn)定在0.030%～0.050%之間，但需要說明的是轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)拉碳過低易造成終點(diǎn)鋼水氧含量偏高，增加轉(zhuǎn)爐吹損及后續(xù)冶煉負(fù)擔(dān)，造成成本增加；從圖2可以看出，溫度控制明顯存在一定波動(dòng)，其中有6爐低于1 560 ℃，LF精煉到站溫度偏低對(duì)冶煉過程中的碳氮控制均不利；但終點(diǎn)溫度也不宜過高，溫度過高會(huì)影響轉(zhuǎn)爐爐襯壽命。由此可以得出，在冶煉低碳高強(qiáng)鋼種時(shí)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量控制在0.030%～0.050%，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制在1 650～1 680 ℃為宜；另外，鋼包烘烤效果和鋼水界面保溫也不可忽視，它們是影響鋼包過程溫降的主要因素。

2.1.2 鋼包影響

由于在采用LF+VD長(zhǎng)流程精煉時(shí)，熱負(fù)荷時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)鋼包耐材侵蝕相對(duì)較重，因此鋼包的清潔度、包襯耐材等對(duì)鋼水增碳影響較大。特別是在VD真空冶煉過程中，鎂碳磚中的鎂易于揮發(fā)，耐材易疏松剝落，鋼水增碳明顯。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該工藝下下鋼包增碳量一般在0.005%～0.010%。

首先，鋼包清潔度是引起鋼水冶煉過程鋼包增碳的主要原因之一，重點(diǎn)是鋼包內(nèi)的殘鋼、殘?jiān)鼘?duì)鋼水的污染增碳。因此，在使用前務(wù)必將鋼包清理干凈，避免在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常增碳現(xiàn)象。

其次，鋼包耐材熔損增碳是低碳高強(qiáng)鋼冶煉過程中增碳的另一主要原因。鋼包耐材增碳主要原因有兩點(diǎn)：一是鋼包包齡，在鋼包使用過程中，隨著包齡的增長(zhǎng)，鋼包內(nèi)襯受鋼水、鋼渣的侵蝕程度逐漸增加，特別是鋼渣的侵蝕，鋼渣能夠隨著鋼包耐材的氣孔、縫隙侵入耐材內(nèi)部，導(dǎo)致鋼包耐材主體成分發(fā)生變化（特別是鋼包的渣線磚），在承受高溫、長(zhǎng)時(shí)間冶煉時(shí)，鋼包耐材更易于熔損、脫落[1]；二是安鋼在冶煉低碳高強(qiáng)鋼時(shí)需要VD真空脫氣工藝，由于鋼包處于真空狀態(tài)時(shí)鋼包耐材鎂碳磚中的鎂的揮發(fā)性較高，特別是在鋼包內(nèi)襯表面層及熔渣層中，鎂碳磚中的鎂揮發(fā)后，碳失去了骨架支撐，更易于熔于鋼水，導(dǎo)致鋼水增碳，尤其是鋼包渣線部位侵蝕嚴(yán)重。隨機(jī)抽取10個(gè)鋼包的使用情況后發(fā)現(xiàn)，在冶煉低碳高強(qiáng)鋼時(shí)，采用的鋼包渣線壽命普遍偏低，大部分爐次所使用的鋼包渣線的壽命不超過20次，最小值為3次，最大值為34次，平均值13次。因此，在選擇鋼包時(shí)，建議以中前期包為主，最大限度地降低冶煉過程中對(duì)鋼水的污染。

2.1.3 合金影響

根據(jù)工藝要求，冶煉低碳高強(qiáng)鋼需要進(jìn)行合金化的元素主要有Si、Mn、Ti、Nb等，隨機(jī)抽取10批合金對(duì)其碳含量進(jìn)行檢測(cè)，10批合金的試樣編號(hào)為1號(hào)～10號(hào)，合金中的含碳量見表1。

從表1可以看出，這幾種合金相比較，硅錳合金的含碳量最高，平均1.5%，錳系合金中金屬錳含碳量最低，平均0.07%，但金屬錳的成本較高，綜合考慮錳系合金化采用低碳錳鐵，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及物料供應(yīng)情況，其他合金化過程采用硅鐵、30鈦鐵、鈮鐵。根據(jù)低碳高強(qiáng)鋼的成分設(shè)計(jì)要求及表1中的合金含碳量，可以計(jì)算出合金加入量及合金加入后引起鋼水碳含量的增加量，具體情況見表2。

從表2可以看出，低碳錳鐵的合金加入量最高，增碳量較多；鈮鐵、鈦鐵的增碳量較少；在冶煉過程中合金總增碳量約0.006 4%。由此可見，合金增碳量基本是可控的。

2.1.4 電極影響

在LF爐冶煉過程中，除鋼包增碳外，電極增碳是LF爐低碳高強(qiáng)鋼增碳的主要原因，電極增碳主要有兩個(gè)來源：（1）電極在送電過程熔損增碳，這一增碳過程是不可避免的。實(shí)踐表明，一般電極的熔損增碳量約0.005%～0.010%，主要受電極自身質(zhì)量和LF精煉到站溫度的影響；（2）電極斷裂、掉頭等導(dǎo)致電極頭或電極殘?jiān)羧脘撍?，?dǎo)致鋼水異常增碳，這種情況一旦發(fā)生就意味著鋼水中的碳含量將出現(xiàn)不可控的局面。因此，應(yīng)加強(qiáng)檢查，發(fā)現(xiàn)有異常的電極，及時(shí)更換，從而避免電極斷裂掉塊、掉頭現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 合金抽檢含碳量 %

表2 合金加入量及增碳情況

綜上分析，控制好轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度，盡量抑制鋼水接觸介質(zhì)的過程增碳，同時(shí)保證鋼包烘烤及鋼包內(nèi)鋼水界面的保溫效果，是保證低碳高強(qiáng)鋼冶煉過程中控制碳含量的關(guān)鍵。通過分析發(fā)現(xiàn)，鋼包增碳0.005%～0.010%，合金增碳約0.006 4%，電極增碳0.005%～0.010%，總增碳量約0.016%～0.026%，轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量控制在[C]≤0.050%是必需的。

2.2 冶煉過程鋼中氮的控制

鋼水冶煉過程中造成增氮的主要因素有鋼水裸露、電弧電離吸氮、保護(hù)澆注等，需要重點(diǎn)控制；同時(shí)，需要說明的是鋼水冶煉過程中的增氮與LF精煉開始前的初始硫含量及溫度也有著密切關(guān)系。

2.2.1 鋼液裸露增氮

鋼水裸露吸氮的主要原因有兩點(diǎn)：一是鋼液中的[O］、［S］等表面活性元素，隨著“造白渣-脫硫”的進(jìn)行，其濃度不斷降低，鋼液吸氮速率增加。當(dāng)爐內(nèi)氣氛中的N2與鋼液接觸時(shí)，在鋼液表面發(fā)生“吸附-分解”反應(yīng)，氮原子進(jìn)入鋼液，造成鋼液增氮[2]。二是鋼液中的［O］通過影響氮在鋼液中的傳質(zhì)系數(shù)，一方面能夠阻止氮從鋼液中脫除， 另一方面也能夠阻止鋼水從大氣中吸氮。當(dāng)鋼液中的溶解氧較高時(shí)(如轉(zhuǎn)爐條件)，傳質(zhì)系數(shù)很小，不利于鋼液吸氮；反之，當(dāng)溶解氧較低時(shí)，則有利于吸氮過程的發(fā)生。然而，LF過程鋼液脫［S］前必須進(jìn)行充分脫［O］，兩者相互耦合，互為消減。因此，調(diào)渣過程中渣顏色的變化隨著渣的還原從黑色到白色，［O］、［S］逐漸降低，鋼液吸氮速率增加，造成鋼液增氮。

低碳高強(qiáng)鋼在LF爐冶煉過程中，硫含量一般控制在0.005%，鋼液進(jìn)站硫含量一般控制在0.015%～0.030%，隨機(jī)抽取50組LF進(jìn)站初始硫含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。因此，LF爐在脫硫過程中，需要增大攪拌強(qiáng)度，保證鋼水硫含量進(jìn)入目標(biāo)要求。

圖3 LF精煉到站初始硫含量統(tǒng)計(jì)分析

從圖3可以看出，低碳高強(qiáng)鋼在進(jìn)LF爐時(shí)鋼水中的硫含量相對(duì)較高，平均為0.024%，最高接近0.040%。因此，在LF爐脫硫過程中，首先要保證脫硫的熱力學(xué)條件，再進(jìn)行必要的攪拌，強(qiáng)化脫硫動(dòng)力學(xué)條件，這樣才可以有效實(shí)現(xiàn)冶煉過程中的控氮操作。

實(shí)踐表明，在脫硫過程中，一般需要將LF爐爐渣造成還原性白渣，再通過控制除塵閥門的開口度，保持LF爐內(nèi)微正壓氣氛[3]，最后集中攪拌，強(qiáng)化脫硫操作，攪拌時(shí)間一般控制在5～6 min，根據(jù)攪拌情況，將氬氣流量控制在600～850 NL/min為宜，其余氬氣流量一般控制在50 NL/min（進(jìn)站破渣層除外），脫硫后的硫含量一般在0.005%以內(nèi)。

2.2.2 電弧區(qū)增氮

LF精煉送電時(shí)，石墨電極的位置處在熔渣層，爐內(nèi)氣氛中的N2在電弧區(qū)受電弧作用發(fā)生分解反應(yīng)1/2N2→［N］。當(dāng)鋼液被適當(dāng)厚度的爐渣覆蓋時(shí)(化渣期)，氮原子必須通過熔渣層才能進(jìn)人鋼液，氮原子在熔渣層的擴(kuò)散成為限制性環(huán)節(jié)，因此吸氮少；當(dāng)?shù)又苯优c鋼液接觸時(shí)(脫硫期)，特別在［O］、［S］較低的情況下，也就是隨著LF“造白渣-脫硫”的不斷進(jìn)行，鋼液吸氮現(xiàn)象開始凸現(xiàn)，造成鋼液增氮，因此在鋼液加熱中要做到埋弧送電。

綜合以上兩點(diǎn)，LF“造白渣-脫硫”處理過程中電弧區(qū)“鋼液-大氣-熔渣”界面更新頻繁，爐氣內(nèi)的N2分壓較高(大氣中氮分壓大體保持在7.8×104 Pa)，鋼液裸露現(xiàn)象嚴(yán)重，具備鋼液吸氮的所有熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件，是LF冶煉周期波動(dòng)與鋼液控氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，根據(jù)氮在鋼中的溶解反應(yīng)式符合平方根定律，可知通過降低氣相中的氮分壓可以使鋼液脫[N]、[H]得到凈化。

實(shí)踐表明：LF的到站溫度低會(huì)使加熱時(shí)間過長(zhǎng)，造成鋼水增碳、增氮和冶煉節(jié)奏緊張，為減少增氮，到站溫度應(yīng)＞1 550 ℃，且單次送電時(shí)間不宜大于10 min。此外，在VD真空條件下，控制極限真空度不大于70 Pa，吹氬攪拌時(shí)間≥10 min，VD出站氮含量平均可控制在35×10-6。

2.2.3 加強(qiáng)保護(hù)澆注

在連鑄澆注過程中保護(hù)澆注非常重要，否則易造成鋼水與大氣接觸吸氮[4]。在生產(chǎn)低碳高強(qiáng)鋼時(shí)，加強(qiáng)保護(hù)澆注應(yīng)做到：長(zhǎng)水口安裝良好，保證垂直對(duì)中；長(zhǎng)水口與鋼包下水口間采用氬封，保持微正壓狀態(tài)；中包液面采用覆蓋劑，保證鋼水不裸露；中包包蓋孔洞采用石棉氈封閉，降低中包內(nèi)與外界環(huán)境的氣體交換速度；浸入式水口與中包上水口之間采用氬封，氬氣調(diào)整保證微正壓狀態(tài)；結(jié)晶器內(nèi)添加適量的保護(hù)渣，保證鋼水不與外界接觸。.實(shí)踐表明，保護(hù)澆注良好時(shí)，鋼水增氮量可控制在3×10-6～5×10-6的水平。

3 應(yīng)用效果

低碳高強(qiáng)鋼的成品碳要求[C]：0.05%～0.08%，成品氮要求[N]≤0.006 0%。通過采取上述措施，取得了較好的控制效果，隨機(jī)抽取50爐低碳高強(qiáng)鋼冶煉控制情況，結(jié)果見表3。

表3 低碳高強(qiáng)鋼的冶煉過程控制及效果

從表3可以看出，成品碳的合格率為98%，氮的合格率為100%，可滿足這類鋼種冶煉生產(chǎn)的控制要求。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)成品碳含量可全部控制在0.05%～0.08%，最大為0.076%；成品氮可基本控制在30×10-6～60×10-6，其中出現(xiàn)1爐控制在63×10-6，主要原因?yàn)殇摪状挡粫吃斐蒐F造渣時(shí)間過長(zhǎng)，最好水平可控制在34×10-6。

4 結(jié)論

（1）控制轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳含量不大于0.050%，LF到站溫度不低于1 560 ℃，盡量抑制鋼水接觸介質(zhì)的過程增碳，同時(shí)采用中前期鋼包，保證鋼包烘烤及鋼水界面的保溫效果，是低碳高強(qiáng)鋼冶煉過程中控制碳含量的關(guān)鍵；工藝實(shí)踐表明，一般過程總增碳量可控制在0.026%以內(nèi)。

（2）分析認(rèn)為，冶煉過程中的鋼水裸露、電弧電離吸氮、保護(hù)澆注是鋼水增氮的主要因素；通過控制LF冶煉造白渣和脫硫的時(shí)機(jī)，調(diào)整脫硫時(shí)的氬氣流量（600～850 NL/min），攪拌時(shí)間控制在5～6 min，保證VD極限真空度在70 Pa，真空處理時(shí)間不低于10 min，同時(shí)嚴(yán)格保護(hù)澆注，可取得較好的控制效果，成品氮可基本控制在 30×10-6～ 60×10-6。