提高含鋁圓鋼質量穩定性的工藝實踐

徐亮

（河北鋼鐵股份有限公司宣化分公司，河北  宣化  075100）

摘  要：宣鋼二鋼軋廠根據圓鋼市場反饋質量存在均質性、穩定性差、熱頂鍛開裂的現狀，開展了以鋁控為主線的工藝優化，最大限度降低鋁燒損率，解決絮流帶來的鑄坯夾雜，表面結疤等質量問題，提高鑄坯內在及外在表面質量。經過一系列改進措施實施，鑄坯 Al 含量內控鋁提高了 38%，鑄坯低倍組織合格率達到了99.8%，熱頂鍛合格率達到了 99.95%，圓鋼質量改善明顯，經濟效益顯著。

關鍵詞：圓鋼；鋁控；穩定性

Improve Quality Stability of the Aluminum Round Steel Technology Practice

Xu Liang

(Xuanhua iron and steel Co., Ltd, Xuanhua 075100, Hebei, China)

Abstract: According to the feedback for quality round steel market, it exists homogeneity, poor stability, hot upset forging cracking at the present, the activity which is with Al as the main line of process optimization control is carried out in No.2 steel rolling mill of Xuan Steel, minimize the Al burning loss rate, the flocculant solution flow slab inclusion, quality problems such as surface scarring, improve the quality of slab inner and outer surface. After a series of improvement measures are implemented, casting Al content of internal control success rate increased by 38%, slab macrostructure qualified rate reached 99.8%, hot upsetting rate reached 99.95%, the round steel quality improved obviously and gain economic benefit more outstanding.

Key words: round steel; Al control; stability

1 前言

圓鋼產品廣泛用于機械曲軸、汽車緊固件、齒輪、吊鉤等領域。宣鋼在開拓含鋁圓鋼市場的生產過程中，產品存在均質性、穩定性差缺陷，給后續頂鍛深加工帶來不利影響。熱頂鍛斷裂主要是由于鋼中夾雜物含量超標引起，為改善圓鋼質量，宣鋼二鋼軋廠從影響質量的工藝控制關鍵點出發，重點通過控制鋼中酸溶鋁來降低鋼中氧含量，提升鋼水潔凈度，并改進煉鋼、精煉、連鑄和軋鋼方面工藝控制水平，優化工藝操作[1][2]，最終實現了圓鋼產品質量提升，經濟效益顯著。

2 鋼中[Al]對夾雜總量的影響

鋼中的全氧 T[O]是衡量鋼水潔凈與否的一個重要指標，根據研究全氧與夾雜總量存在線性關系，如圖 1 所示，因此要降低鋼中的夾雜物總量，最主要的是降低鋼中 T[O]含量。所以可以通過調整鋼中的鋁含量來有效控制鋼中夾雜總量。

研究發現鋼中酸溶鋁含量控制過低或過高，都會引起夾雜總量的增加，如圖 2 所示。控制好酸溶鋁含量是降低夾雜的一個關鍵工藝。控制過低時，會增加溶解氧的含量，不但會造成鋼中氧化物的增加，還會影響鋼的組織性能；而酸溶鋁控制過高，一方面可以使溶解氧迅速的降低到較低水平，細化鋼的晶粒，另一方面，澆注時較高的鋁含量會增加鋼液二次氧化，產生滯留在鋼中的夾雜將會增加，且生成 AlN 在鑄坯凝固時晶界析出物易導致鑄坯裂紋。在研究鋼中對夾雜總量影響時控制 Als/Al≥90%，夾雜總量可以得到有效的降低[3]。

3 工藝改進方案

3.1 提高終點碳含量

提高轉爐出鋼碳可降低終點鋼水的氧化性，終點碳從原來的 0.10%~0.20%提高到0.15%~0.30%，鋼水中的[O]含量降低有效地從根源上減少氧化夾雜物的產生，提高了鋼水的純凈度，進一步改善了圓鋼質量。但提高終點碳最主要的問題在于保證出鋼磷含量，由于爐內高溫環境，容易出現爐渣回磷，導致出鋼磷偏高。煉鋼工序優化工藝操作，通過增加前期渣量，利用前期的低溫和大渣量條件大幅去磷，在硅錳反應期基本結束時起槍，利用雙渣操作將前期的富磷渣倒掉，避免后期由于爐內溫度升高，爐渣中的磷重新回到鋼液中，有效解決了出鋼磷的問題。

3.2 采用可塑性擋渣塞減少下渣量

轉爐出鋼下渣過程前期渣量大體占 30%，大量爐渣進入鋼包內，鋁元素由于其自較活潑特性，其收得率受鋼水氧化性影響較大，導致鋼中 Al 含量波動較大，影響成品質，因此降低前期渣比例可有效降低鋁燒損。宣鋼二鋼軋廠通過多次試驗、最終選定使用可塑性擋渣塞擋出鋼前期渣，如圖 3 所示。

可塑性擋渣塞為截錐狀，在出鋼結束時使用可塑性擋渣塞將出鋼口堵住，由于無縫對接式擋渣帽材料的可塑特性，利用吹煉期間的熱輻射，將截錐四周與出鋼口燒結在一起，出剛開始時鋼水從可塑性擋渣塞中心“小圓孔”內流出，隨著鋼流對無縫對接式擋渣帽的沖刷，大約 5-10 秒可實現“滿流”出鋼，此時大部分前期渣已經上浮。使用可塑性無縫對接式擋渣帽可最大限度的減少前期下渣量，避免了高氧化性爐渣進入鋼包內污染鋼液，提高了鋼水的潔凈度。

3.3 優化鈣處理喂線深度

鈣處理臨界深度即為鈣處理過程中液態鈣和氣態鈣的分界線，如圖 4 所示。鈣處理時，實芯鈣線喂入鋼液達到一定深度后，隨著鐵皮熔化后，金屬鈣氣化。當在臨界深度以下喂線時，因純鈣線較硬，純鈣線可以順利進入到鋼水深處，在鋼液的靜壓力下，氣化鈣經過與鋼水的碰撞，實芯鈣粒就被分成小的微粒鈣，均勻分布于鋼水深處變成液態鈣，進一步提高了鈣的收得率，在臨界深度以上，鈣進入鋼水氣化后未與鋼液充分碰撞吸收就可能已經逸出鋼水，不利于鈣收得率的進一步提高，不利于夾雜物上浮去除。通過現場生產試驗測定，喂實芯鈣線的臨界深度約為在鋼液面以下 800mm 處，在臨界深度以下，純鈣線可以在鋼水中停留較長的時間，從而提高鈣收得率。

（1）鋼包到中間包的保護澆注：鋼包到中間包保護澆注模式為保護套管+氬封，將原保護套管上部改為臺型，由線接觸變為面接觸，如圖 4 所示，通過改造極大改善了密封效果，解決了傳統澆注時保護套管密封不嚴，保護澆注差問題。同時，在吹氬管加裝流量計，將氬封流量控制在 2.0-2.5m3/h，實現了環狀密封，確保不會將空氣吸入到注流中，有效杜絕了鋼水的二次氧化。

（2）中間包到結晶器保護澆注：由于結晶器電磁攪拌的作用，浸入式水口承受較大的鋼水沖刷，下口受到沖刷易擴徑，沖刷侵蝕后的耐材顆粒被卷入到鑄坯形成夾渣。為此，連鑄工序對浸入式水口進行優化改造，對水口的材質成分 MgO、ZrO2 的含量與 F·C 比例進行調整出最佳配方，改造后的浸入式水口如圖 6 和圖 7 所示，同時通過優化烘烤制度和采用纖維墊加泥墊密封措施，杜絕了水口間的吸氣，減少了連鑄環節鋼水的二次氧化，連鑄過程中 Al 的燒損明顯降低，提高了澆注的穩定性，保證的了含 Al 圓鋼鑄坯質量的穩定性，減少了鑄坯夾渣缺陷，為進一步提高含鋁圓鋼質量奠定基礎。

4 工藝改進后實施效果

4.1 優化轉爐終點碳實施效果

以45#圓鋼為例，表 1 列出了工藝優化前后鋼中氧活度變化。

表1 優化終點碳前后鋼中氧值變化

由表 1 可知：優化煉鋼工藝，將終點碳從 0.10%~0.20%提高到 0.15%~0.30%后，鋼中氧活度明顯降低，平均氧值降低 66ppm，不僅可以減少過程鋁燒損提高鋁元素收的率，降低脫氧壓力，而且可以節約脫氧劑用量，減少夾雜物數量，從而為潔凈鋼生產創造有利條件。

4.2 可塑性擋渣塞使用效果

研究選取 50 爐工藝優化前后 45#圓鋼采用可塑性擋渣塞的使用效果，見表 2 所示。

表 2 工藝改進前后渣層、鋁燒損變化

由表 2 可知：在對擋渣工藝改進后，平均渣層厚度從 40mm 降低到到 32mm，擋渣效果明顯提高。這是由于可塑性擋渣塞在倒爐前期擋住大部分前期渣，待鋼水靜壓力將擋渣塞沖開后，前期爐渣已經大部分上浮在鋼液上部，大大減少了前期下渣對鋼水的污染，降低鋼水氧化性；由于氧化性爐渣減少，鋁燒損也較工藝改善前平均提高 35ppm，不僅有效地穩定了鋼中鋁元素和減少氧化物夾雜，提高了圓鋼產品質量，還節約了脫氧劑用量，降低成本。

4.3 優化鈣處理實施效果

以3 給出了喂線工藝改善前后鋼中夾雜物數量變化。

表3 喂線工藝改進前后鋼中夾雜物數量變化

采用實芯純鈣線進行鈣處理，對夾雜物進行變性處理，使鋼中 Al2O3 變性為球狀復合夾雜物，同時改善鋼水的可澆性并可提高鋼材的性能。確定最佳喂線深度后，嚴格執行確保鈣線插入到臨界深度以下，實芯鈣粒可均勻分布于鋼水深處變成液態鈣，進一步提高了鈣的收得率，從而形成夾雜物上浮。對比工藝改善前后純鈣線前、后的鋼液進行取樣，對鋼樣中夾雜物進行了顯微觀察分析。結果表明，喂線在臨界深度以下鈣處理后夾雜物數量大幅降低，對于尺寸不小于 10μm 的大顆粒夾雜物數量降低幅度尤為明顯。

4.4 優化保護澆注實施效果

在對大包長水口結構和中包浸入式水口材質，密封性能進行改進后，使得鋼水在澆注過程中大大減少了空氣吸入到注流中，有效杜絕了鋼水的二次氧化，過程中 Al 的燒損明顯降低，大量生產經驗數據表明，鋁燒損較保護澆注工藝改進前平均降低了 6%，減少了鑄坯夾渣缺陷。同時較改造前浸入式水口的使用壽命延長 3 個小時以上，使用壽命達到 8 小時以上，減少了含鋁圓鋼澆鋼過程中更換水口的次數，減少了換水口造成的甩廢，提高了澆注的穩定性，保證的了含 Al 圓鋼鑄坯質量的穩定性，

4.5 工藝改進后鑄坯低倍情況

通過一些列工藝改進措施，圓鋼鑄坯內在質量、外在質量都有了很大的提升，目前以45#圓鋼熔為代表熔煉分析 Al 含量可穩定控制在 0.009-0.013%，內控合格率提高了 38%，鑄坯低倍組織合格率達到了 99.8%，熱頂鍛合格率達到了 99.95%，圓鋼產品質量得到大幅提升，取得了明顯的經濟效益。

圖 8 為部分 45#圓鋼低倍的試驗結果。

5 結論

對終點碳、擋渣效果、LF 喂線工藝和連鑄保護澆注進行工藝優化后，鋁燒損率在各工序均有較為明顯降低，夾雜物數量（尤其是大顆粒夾雜）也一定程度減少，鋼中鋁元素收得率明顯提高，鋁控制更加穩定，

工藝改進后熔煉分析 Al 含量內控達標率提高了 38%，鑄坯低倍組織合格率達到了 99.8%，熱頂鍛合格率達到了 99.95%，圓鋼產品質量得到大幅提升，經濟效益顯著。

參考文獻

[1] 李德軍等.提高入 LF 鋼水酸溶鋁合格率的工藝優化[J].煉鋼,2015（6）：57-61

[2] 李勇強等.減少鋼中酸溶鋁燒損的措施及效果[J].河南冶金,2013（2）：39-41

[3] 薛正良等.簾線鋼 82B 精煉過程中的酸溶鋁控制[J].煉鋼,2003（1）：22-25