转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究

转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究传统特殊钢生产一般采用电炉工艺。随着炉外精炼技术的发展，目前国外大量采用转炉冶炼轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等特殊钢。如日本转炉冶炼的特殊钢己占全部特殊钢产量的75%以上。在国内，由于废钢紧缺，电价较高，采用转炉冶炼特殊钢具有更明显的成本优势，而且有利于提高产品质量。因此，近两年许多转炉钢厂开始研究采用转炉生产特殊钢的工艺技术。本文介绍了本溪钢铁集团公司(以下简称本钢)利用转炉生产特殊钢的工艺技术，并对3年来的试验研究结果和产品质量进行分析。1转炉冶炼特殊钢的基本条件本钢粗钢生产能力为500万t/a，其中转炉钢450万t/a，电炉钢50万t/a，转炉钢的主要品种为：石油管线钢、汽车用钢、结构钢、冷轧深冲板钢、压力容器钢、耐候钢、链条钢和热镀锌板钢等八大系列产品。电炉钢的主要品种为：齿轮钢、车辆轴坯钢和军工用钢等500多个钢号。2001年末，普钢生产线经过全面的技术改造，新建了铁水预处理、炉外精炼LF/RH等设备，实现了全连铸，转炉采用顶底复合吹炼工艺和终点动态控制技术。在此基础上研究开发纯净钢生产工艺，使产品质量得到明显提高。特钢生产线的800mm×650mm大型轧机，适宜生产大规格特殊钢产品。但因废钢短缺、电价上涨等原因使电炉炼钢生产成本偏高，产品缺乏市场竞争力。因此，在普钢实现了全连铸后，利用连铸机检修时的过剩铁水，研究开发转炉冶炼特殊钢的生产技术，组织特殊钢生产，有利于发挥本钢普特结合的技术优势，降低生产成本，提高特殊钢产量。2试验情况与试验结果从2002年开始进行转炉生产特殊钢的试验研究，采用转炉冶炼、模铸工艺，经过800mm/650mm轧机轧制成Φ20mm×280mm不同规格的棒(方)型材。经过两年多的试验生产，到目前为止共计炼钢25万t，形成四大品种系列：军工钢系列以炮弹钢为主，专用钢系列以火车轴坯钢LZ50，石油钻铤4145H为主，合金钢系列以20CrMnTiH齿轮钢、42CrMo汽车前桥钢为主，优质碳结钢系列以45汽车曲轴钢为主。经用户检验，使用性能均满足用户的技术要求。利用转炉生产的特殊钢产品性能指标己超过电炉钢，如：车辆轴坯钢LZ50、压力容器钢34Mn2V和石油钻铤钢4145H等特殊用途的专用钢。炮弹钢系列9260钢种经国家经贸委、兵器工业总公司鉴定验收。LZ50钢的生产工艺及产品经铁科院辽宁省科技厅、辽宁省经贸委鉴定验收，正式投入大批量生产；在齿轮用钢生产方面，己成为全国该类钢的主要生产基地。转炉生产特殊钢的成本也在大幅度降低，按2002年度废钢、电、矿石等大宗原料成本价格计算，转炉生产特殊钢比电炉生产成本降低280元/t，试验的情况见表1，试验中研究开发的新钢种如下。表1试验生产情况年份生产炉数合格钢水量/t合格钢锭量/t生产品种/个特殊钢品种/个成分合格率/%成材率/%2002750104990.90099103.038231699.7384.69200369995733.42491869.386261899.8183.562004(1~10月)42960461.38456730.550131010084.92军工钢：9260、D60、58SiMn、35CrMnSiA、823、40Mn2Si。专用钢：20CrMnTiH(0-5)、LZ50、LZ40、45(曲轴用)、42CrMoA、GCr15。合金钢：20CrH、40Cr、40Mn2、P20、34Mn2V、12Mn2VB。优质碳结钢：20、35、45H、Q235B、Q235D、Q235DT、55、50Mn。3转炉生产特殊钢工艺3.1工艺流程和普钢相比，特殊钢要求保证钢材的综合力学性能，因此，要求对钢水实现窄成分控制，以提高钢材的淬透性能。提高钢水洁净度，严格控制钢中气体含量，以保证钢材具有较高的强度和疲劳性能。根据本钢的具体条件，为满足特殊钢的质量要求，决定采用以下工艺路线：高炉铁水→铁水脱硫预处理→复吹转炉冶炼→炉外精炼(LF/RH)→模铸→800mm/650mm轧机轧制成材。3.2铁水预处理铁水全部进行脱硫预处理，处理后的[S]含量按钢种[S]含量的控制要求确定。通常，对于RH真空处理的钢种，铁水预处理后、(w[S])≤0.005%；经LF处理的钢种，铁水预处理后w([S])60.01%即可满足工艺要求。3.3复吹转炉炼钢(1)造渣制度：正常采用单渣法不留渣操作，特殊要求[P]低的钢种有时也采用双渣法冶炼。(2)供氧制度：氧枪工作压力设定在0.8~0.9MPa，供氧流量设定为33000~35000m3/h。(3)温度制度：终点降温时可根据情况使用不同冷却剂。降温值大于10℃时采用铁矿石或海绵铁降温值小于10℃时采用冶金渣或粒钢。(4)脱氧合金化制度：①采用硅铝钡锶钙复合脱氧剂脱氧，如果包中单合金元素的质量分数大于1%时，要求对合金加热(不高于300℃)。②合金加入顺序为硅铝钡锶钙→硅锰→硅铁→高锰→中锰→钼铁→铬铁→钛铁。③合金加入时间为合金总量少于2t时，从出钢1/4开始至1/2加完；合金总量大于2t时，从出钢1/5开始至4/5加完。④兑氧合金化制度要依据钢种合金量的不同而确定，当总量超过3t时，有时合金化要在转炉内进行，在出钢过程中进行调整。(5)终点控制：根据钢种含[C]的不同，采用拉碳法和增碳法两种工艺。3.4炉外精炼(1)LF-IR处理工艺，可生产w([S])≤10×10-6的超低硫钢。成分控制精度可保证w([C])偏差±0.01%，w([Si])偏差±0.01%.w([Mn])偏差±0.02%，温度偏差±5℃，LF-IR的操作工艺如下。温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋0~25℃(根据精炼处理不同目的确定)；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。合金化制度：合金化要在炉渣基本转白后进行。合金化时尽量争取一次合金化成功。喂线制度：丝线种类有铝丝、硅钙丝和碳丝。喂丝期间，根据透气砖情况采用弱搅拌，吹氩强度以钢水不裸露为准。喂丝结束后继续搅拌3~5min.(2)RH-IB真空脱气工艺，适宜生产超纯净钢，钢水纯净度可达到钢中气体w([H])≤1.5×10-6，w([O])≤25×10-6，w([N])≤50×10-6。生产特殊钢时RH-TB的操作工艺如下。温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋20~40℃(根据精炼处理不同目的确定；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。升温制度：升温不允许大于30℃，升温氧铝比控制在0.8~1。处理周期：普特结合钢种RH处理周期越短越好，时间控制在30~50min。合金化制度：在处理结束前5min，合金化必须结束，并保证净吹氩时间大于5min。合金化必须一次完成。3.5模铸3.5.1选择锭型根据生产特殊钢产品的技术条件和成材规格要求，设计确定了3.16t方形锭和4.8t知形锭两种锭形，其中除炮弹钢、铁路轴坯钢和石油钻铤钢等有压缩比要求和大规格(大于200mm)的钢种采用4.8t锭型外，其余钢种均采用3.16t锭型。3.5.2温度制度浇注温度按下式确定：浇注温度＝液相线温度1536－∑(i×wB)＋过热度(40~60℃)其中∑(i×wB)为各元素对液相线温度的影响之和；i为各元素每1%质量分数的温降；wB为各元素的质量分数。根据普特结合生产的特点：如浇注底盘多、浇注时间长、钢包温降慢(0.3~0.8℃/min)和满足钢种质量要求，一般钢种过热度选择为50℃，对少Si、Mn质量分数高，流动性好的钢种选择为40℃，低碳、粘稠钢种选择为60℃，浇注温度范围控制为±5℃。3.5.3浇注速度浇注速度的控制根据不同锭型的浇注质量及帽口补缩要求，分锭型进行控制。3.16t锭：锭身浇5min以上，帽口浇4min以上；4.8t锭：锭身浇8min以上，帽口浇7min以上。3.5.4氩气保护对于气体含量有特殊要求的钢种，为防止钢水浇注过程中的二次氧化和吸气，在浇注时采取简易有效的氩气保护，保护形式为钢流逆向方式吹氩。4产品质量转炉试制特殊钢品种共计26个，表2列出了具有代表性的钢种成品材的质量检测结果。表2转炉特殊钢成品材的力学性能、低倍组织及夹杂物情况钢号检验炉次力学性能夹杂物低倍组织合格炉数合格率/%合格炉数合格率/%合格炉数合格率/%926022221002195.242090.9135CrMnSiA6610061006100LZ505480.005100510020CrMnTiH201890.00201002010042CrMoA313096.772374.193096.77转炉生产与电炉生产相比较，具有以下质量优势：组批量大(转炉150t/炉，电炉40t/炉)，降低用户检验成本；钢质纯净，除了由于全铁法和处理工艺降低[S]、[P」外，全铁法还使得不能用氧化法除掉的有害元素(Pb、As、Sn、Sb、Bi)非常低；气体含量低，电弧炉炼钢时易电离空气中的[H]和[N]，使钢中[H]和[N]气体含量比转炉高。表2中，9260钢低倍组织合格率偏低是由于开始试制时，铸锭温度偏高所致；LZ50钢力学性能合格率偏低是试制时碳含量控制在中上限，使得塑性(δ5、φ)低，现在己将碳含量控制在中下限，合格率己提高到95%以上；20CrMnTiH钢力学性能中的淬透带要求比较窄，HRC≤64，使得成分控制范围很小，另外，这类钢合金元素多，特别是含有易氧化合金元素[Ti]，合金元素成分很难控制，成分的偏差造成淬透性合格率的降低。通过工艺试验，己较稳定地控制了化学成分含量。铁路运输提速和单车增加运量之后，原车辆轴坯钢LZ40改为现在LZ50，以解决疲劳强度低造成寿命短的质量问题。影响钢材疲劳强度的主要因素是纯净度。(1)LZ50钢w[H]≤2.5×10-6、w([O])≤30×10-6；(2)低倍组织一般疏松在2.5级以下、中心疏松在2.5级以下、锭型偏析在2.5级以下、点状偏析在2级以下；(3)非金属夹杂物A≤2.5级、B≤2.5级、C≤2.5级、D≤2.5级、A＋C≤3.0级；(4)晶粒度在5级以上。对利用转炉生产的42炉LZ50辆轴坯钢结果进行了气体含量、低倍组织和非金属夹杂物统计分析、证明用本溪特有的矿产资源优势，采用独特的工艺路径：铁水预处理→转炉全铁水冶炼(150t)→炉外精炼→800mm轧机可生产出气体含量低、非金属夹杂物少而弥散的均匀致密组织的轴坯钢，与电炉冶炼的轴坯钢相比，具有明显的质量优势。4.1钢中气体含量表3给出LZ50钢中气体含量的分析结果，从表3可以看出，采用转炉生产特殊钢可严格控制钢中气体含量，w([O])平均达到12.21×10-6，w([H])为0.78×10-6，w([N])为60.4×10-6。图1给出了钢中气体含量的分布情况。表3LZ50钢中气体质量分数10-6[H][O][N]最大值1.41990最小值0.5940平均值0.7812.2160.4图1LZ50钢中气体含量分布图4.2钢中非金属夹杂物采用转炉生产特殊钢可以严格的控制钢中的非金属夹杂物，基本消除C类和D类夹杂，如表4所示。表4LZ50钢中各级别非金属夹杂物的分布频数级别A类B类C类D类粗细粗细粗细粗细00000424238410.51331220010151681600311.5111223000021160100002.5145100000300000000平均值1.881.430.690.800.000.000.080.024.3低倍组织表5给出了钢中低倍组织的分析结果。表5LZ50钢的低倍组织级别一般疏松中心疏松锭型偏析频频率/%频频率/%频次频率/%次次024.762047.62921.430.537.141433.332866.6711023.81511.9024.761.51535.7137.1412.382921.4300.0024.762.537.1400.0000.00注：总样本数为425结论(1)本钢采用铁水预处理→转炉复吹→钢水精炼→模铸→连轧工艺流程生产特殊钢，工艺成熟，具有广泛的推广应用价值。(2)转炉冶炼特殊钢具有气体含量低，钢质纯洁，夹杂物少，弥散分布的质