CN108677080B - 一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法 - Google Patents

一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，包括下述步骤：a、废钢分类备料；b、转炉冶炼过程添加废钢的控制：以Cueq≤0.15％为废钢添加原则；c、转炉冶炼过程载热材料的添加：根据铁水温度、成分及废钢加入量确定载热材料的添加量；d、转炉冶炼过程N含量的控制：造渣料采用优质白灰，控制钢中N含量≤50ppm。本发明方法根据长期摸索、反复试验得出废钢中Cu、Ni、As、N等元素含量对铸坯角部质量影响的量化计算，精细化控制废钢添加量及添加种类，消除微量元素含量高对铸坯质量的不利因素。本发明通过钛固氮，防止N高引起钢质硬化。本发明方法，在转炉大废钢比生产模式的条件下可以有效控制铸坯角部裂纹。

Description

一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法
技术领域
本发明涉及一种钢铁冶炼方法，尤其是消除高废钢比生产模式下铸坯角部横裂纹的方法，属钢铁冶炼技术领域。
背景技术
废钢作为可无限循环利用的资源，具有较高的经济、环保和社会效益，不仅节能减排，而且提高废钢利用率可以有效地解决废钢资源过剩的难题。从目前的状况观察，废钢行业的发展空间巨大，其发展趋势也很可观。为响应国家有关环保政策，各大钢铁企业选择少开高炉，多开转炉，这就导致废钢入炉比例大增。转炉使用大比例废钢添加量后，废钢中含有的Cu、As等微量元素，对钢的性能也有很大的不利影响，其中主要影响铸坯的表面质量，具体体现在铸坯角部发生横裂纹。此外，高废钢比在冷、热钢铁料配比下，需使用载热材料补偿因高废钢比造成的热损失，通常钢厂使用的载热材料为含C质材料，含C质材料主要有焦炭、煤粉等，此类载热材料中N含量较高，使用过程中带进钢中的N，影响了钢的质量。
发明内容
本发明提供一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，所述方法采用对废钢严格分类、检测废钢成分合理添加废钢、根据钢中N含量调进行钛固氮等措施，有效消除高废钢比下铸坯角部横裂纹。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，包括下述步骤：
a、废钢分类备料：对各批次废钢按照重型废钢和轻料型废钢分类，每个类别再按照合金钢、非合金钢、低合金钢分组，对不同批次、不同组别的废钢进行化学成分取样化验，根据化验结果分垛存放，每垛废钢记录化验结果待用；
b、转炉冶炼过程添加废钢的控制：转炉冶炼按化学成分分垛取废钢添加，根据加入废钢量及废钢化学成分计算Cueq，以Cueq≤0.15％为废钢添加原则；
c、转炉冶炼过程载热材料的添加：根据铁水温度、成分及废钢加入量确定载热材料的添加量；
d、转炉冶炼过程N含量的控制：造渣料采用优质白灰代替生白云石和轻烧白云石，降低热量损失，减少载热材料的添加量，以控制钢中N含量≤50ppm。
上述的高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，Cueq的计算依据钢中微量元素的含量由下式得出：
Cueq＝Cu％+3(As％)+8(Sn％)-(Ni％)，
其中,Cu％＝Cu％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
As％＝As％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
Sn％＝Sn％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
Ni％＝Ni％废钢×废钢加入量/转炉出钢量。
上述高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，转炉冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁固N；钢中总N含量为不加载热材料时钢中N含量与载热材料带入钢中N含量之和，其中不加载热材料时钢中N含量平均值为0.0020％，载热材料带入钢中N含量为：
〔N〕＝W载热材料*N％*η
式中：W载热材料为载热材料的加入量，单位：t/t；
N％表示载热材料中N元素百分含量，
η表示载热材料中N元素的收得率，为40-50％。
上述高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，废钢化验化学成分包括C、Mn、S、P、Si、Al、Zn、Cu、Ni、As元素含量，对于C、Si元素含量相差≤0.2％、Mn元素含量相差≤1.0％、S、P、Al元素含量相差≤0.04％、Zn、Cu、Ni、As微量元素相差≤0.01％的废钢可同跺存放。
上述高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，所述造渣料优质白灰中CaO含量≥87％、活性度≥350ml；在铁水温度1350-1400℃、Si含量为0.3-0.5％条件下，废钢加入量＞230kg/t时加入载热材料，废钢加入量按照热平衡计算。
本发明方法根据长期摸索、反复试验得出废钢中Cu、Ni、As、N等元素含量对铸坯角部质量影响的量化计算，通过对入炉废钢分类检测化学成分，精细化控制废钢添加量及添加种类，从而实现对钢中微量元素严格控制含量，消除微量元素含量高对铸坯质量的不利因素。本发明采用优质白灰代替生白云石和轻烧白云石，以降低热量损失，减少载热材料的添加量，从而控制钢中N含量，根据钢中的N含量在不影响产品物理性能的前提下进行钛固氮，防止N高引起钢质硬化。本发明解决钢铁行业提高废钢比带来的不利影响，采用本发明方法，在转炉大废钢比生产模式的条件下可以有效控制铸坯角部裂纹，保证生产顺行，对促进转炉高废钢比生产具有积极的意义。
具体实施方式
以下对本发明方法予以详述：
本发明所述高废钢比生产模式是指转炉炼钢废钢使用大比例≥10％。通过长期观察反复试验发现，铸坯角部产生横裂纹的主要因素是钢中Cu、Sn、As、Ni、N等元素的含量高，而Cu、Sn、As、Ni等元素主要是通过转炉冶炼时添加的废钢带入钢中。钢中Cu、Sn、As等微量元素在晶界通过偏聚、聚集、渗透行为，弱化了晶界强度从而引起裂纹，随着上述微量元素含量的增加，铸坯角部产生横裂纹的现象逐步加重。Cu、Ni、As、Sn等微量元素在晶界的行为可以通过铜当量Cueq来衡量：Cueq＝Cu％+3(As％)+8(Sn％)-(Ni％)，式中Cu％＝Cu％废钢×废钢加入量/转炉出钢量；As％＝As％废钢×废钢加入量/转炉出钢量；Sn％＝Sn％废钢×废钢加入量/转炉出钢量；Ni％＝Ni％废钢×废钢加入量/转炉出钢量。
本发明通过长期试验观察总结出如下规律：当Cueq≤0.15％时，铸坯角部未出现裂纹；当0.15％≤Cueq≤0.2％时，铸坯角部出现基体延伸深度≤30μm、宽度≤50μm、长度≤1mm的肉眼不可见的微裂纹；当Cueq＞0.2％时，铸坯角部出现肉眼可见的明显裂纹，且Cueq值越高裂纹越严重。因此，将钢中Cueq≤0.15％是避免铸坯角部裂纹的基本条件。
控制钢中Cueq≤0.15％，必须控制废钢中Cu、As、Sn等微量元素含量。具体方法是对各批次原料废钢按照重型废钢和轻料型废钢分类，每个类别再按照合金钢、非合金钢、低合金钢分组，对不同批次、不同组别的废钢进行化学成分取样化验，根据化验结果分垛存放，每垛废钢做出明确标识，记录下化验结果待用。废钢化验的化学成分包括C、Mn、S、P、Si、Al、Zn、Cu、Ni、As元素含量，对于C、Si元素含量相差≤0.2％、Mn元素含量相差≤1.0％、S、P、Al元素含量相差≤0.04％、Zn、Cu、Ni、As微量元素相差≤0.01％的废钢可同跺存放。转炉炼钢时要根据加入废钢量及废钢化学成分计算Cueq，以Cueq≤0.15％为废钢添加原则。
此外，钢中N元素含量较高时也会影响到铸坯的表面质量。钢中N元素含量有一部分是由载热材料带进钢中。为防止N高引起钢质硬化，要控制钢中N含量≤50ppm。Ti与N可形成TiN，TiN的析出温度高于形变奥氏体的再结晶温度，防止了再结晶奥氏体晶界上的析出，从而避免Al、B等元素与N结合形成AlN、BN在晶界析出诱发裂纹。转炉冶炼时添加钛铁，经试验表明Ti/N≥3.0时，可起到Ti固N的作用。但当〔Ti〕＞0.015％时，钢的强度提高，韧性下降，所以Ti含量控制在≤0.015％。
本发明转炉炼钢使用造渣料采用优质白灰代替生白云石和轻烧白云石，以降低热量损失，减少载热材料的添加量，从而控制钢中N含量。优质白灰中CaO含量≥87％、活性度≥350ml。经试验，在铁水温度1350-1400℃、Si含量为0.3-0.5％条件下，当废钢加入量≤230kg/t(废钢加入量为每吨钢水添加的废钢量)可不加载热材料，废钢加入量＞230kg/t，需加入载热材料提供热量，废钢加入量根据热平衡按照下述方式计算：
经计算，转炉铁水耗为870kg/t时不需要添加载热材料，以此为基础，根据热平衡可计算焦炭加入量，热平衡计算涉及到的数据包括各物料的物理热和化学热，各物料放出热量等于物理热和化学热之和，公式如下：
Q化＝147.70*C％+269.70*Si％+70.00*Mn％+217.30*P％
式中Q化为化学热，单位为MJ/t；
Q铁水物＝61.9+0.88T
式中Q铁水物为铁水的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度；
Q废钢物＝0.74T
式中Q废钢物为废钢的物理热，单位为MJ/t，T表示摄氏温度。
焦炭放热按照3122(千卡/kg)＝3122*4.182(MJ/t)估算。
(热平衡公式参照(苏)A.M.彼格耶夫著,宗联枝译《炼钢过程的数学描述与计算》)
将各公式汇总可得到：焦炭加入量＝{〔(铁水加入量+废钢加入量)*870/钢铁料消耗-铁水加入量〕*Q铁水热量-〔废钢加入量-(铁水加入量+废钢加入量)*(1-870/钢铁料消耗)*0.7〕*Q废钢铁热量}/焦炭放热量-〔废钢加入量-(铁水加入量+废钢加入量)*(1-870/钢铁料消耗)*0.3〕*Q铁块热量}。
铁水、废钢、焦炭加入量的单位：t/炉；钢铁料消耗单位：kg/t；Q热量单位：MJ/t；焦炭放热量单位：MJ/t。
钢中总N含量为不加载热材料时钢中N含量与载热材料带入钢中N含量之和，其中不加载热材料时钢中N含量平均值为0.0020％，载热材料带入钢中N含量为：
〔N〕＝W载热材料*N*η
式中：W载热材料为载热材料的加入量，单位：t/t；
N表示载热材料中N元素百分含量，
η表示载热材料中N元素的收得率，为40-50％。
在以上转炉冶炼基础上，对试验数据进行汇总分析，使用回归方程得到焦炭加入量与钢中N含量的关系如下：
〔N〕＝19.84393+17.30933W载热材料
式中：W载热材料表示载热材料的加入量，单位：t/t
〔N〕表示载热材料中N元素百分含量，单位：ppm
理论计算钢中N含量和方程回归得到的钢中N含量基本一致，平均相差0.0002％，可以忽略不计。为便于现场工人操作，可采用方程回归法可快速计算出钢中N含量。
以下提供本发明的几个具体实施例：
实施例1：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.205％，Si：0.01％，P：0.017％，S：0.015％，Als：0.030％，装炉量100吨，其中废钢18.2吨。所述废钢为重型废钢，检测废钢中微量元素含量如下：Cu％为0.198，As％为0.083，Sn％为0.054，Ni％为0.207，根据公式计算Cueq如下：
Cueq＝0.198％×0.2+3×0.083％×0.2+8×0.054％×0.2-0.207％×0.2＝0.134％。造渣料采用优质白灰，不添加载热材料，钢中N含量为0.0019％，冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁，钛铁加入量为0.21kg/t，钢中Ti含量为0.0060％，Ti/N＝0.006/0.0019＝3.16
铸坯物理性能检测：屈服强度268MP，抗拉强度350MPa，延伸率46.5％。
铸坯角部质量良好，未出现裂纹。
实施例2：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.205％，Si：0.01％，P：0.017％，S：0.015％，Als：0.030％，装炉量100吨，其中废钢23吨。所述废钢为轻料型废钢，检测废钢中微量元素含量如下：Cu％为0.082，As％为0.046，Sn％为0.021，Ni％为0.228，根据公式计算Cueq如下：
Cueq＝0.082％×0.25+3×0.046％×0.25+8×0.021％×0.25-0.228％×0.25＝0.040％。
造渣料采用优质白灰，钢铁料消耗为1100kg/t，铁水加入量为77t/炉，废钢加入量为23t/炉，铁水热量为2041.63MJ/t，废钢中废钢铁和铁块比为7：3，废钢铁热量为147.77MJ/t，铁块热量为808.95MJ/t，焦炭放热量为13056.2MJ/t，带入计算公式中如下：
焦炭加入量＝{〔(77+23)*870/1100-77〕*2041.63-〔23-(23+77)*(1-870/1100)*0.7〕*147.77-〔23-(23+77)*(1-870/1100)*0.3〕*808.95}/13056.2＝0.39t/炉
加入0.39t/炉载热材料，钢中N含量根据回归方程计算如下：
〔N〕＝19.84393+17.30933W载热材料＝19.84393+17.30933*0.39＝26.6ppm
钢中N为0.0027％，冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁，钛铁加入量为0.28kg/t，钢中Ti含量为0.0080％，Ti/N＝0.008/0.0026＝3.05
铸坯物理性能检测：屈服强度273MP，抗拉强度354MPa，延伸率46.3％。
铸坯角部质量良好，未出现裂纹。
实施例3：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.205％，Si：0.01％，P：0.017％，S：0.015％，Als：0.030％，装炉量100吨，其中废钢27吨。所述废钢为轻料型废钢，检测废钢中微量元素含量如下：Cu％为0.148，As％为0.103，Sn％为0.024，Ni％为0.267，根据公式计算Cueq如下：
Cueq＝0.148％×0.30+3×0.103％×0.30+8×0.024％×0.30-0.267％×0.30＝0.115％。
造渣料采用优质白灰，钢铁料消耗为1100kg/t，铁水加入量为73t/炉，废钢加入量为27t/炉，铁水热量为2041.63MJ/t，废钢中废钢铁和铁块比为7：3，废钢铁热量为147.77MJ/t，铁块热量为808.95MJ/t，焦炭放热量为13056.2MJ/t，带入计算公式中如下：
焦炭加入量＝{〔(73+27)*870/1100-73〕*2041.63-〔27-(27+73)*(1-870/1100)*0.7〕*147.77-〔27-(27+73)*(1-870/1100)*0.3〕*808.95}/13056.2＝0.909t/炉
加入0.909t/炉载热材料，钢中N含量根据回归方程计算如下：
〔N〕＝19.84393+17.30933W载热材料＝19.84393+17.30933*0.909＝35.6ppm
钢中N含量为0.0036％，冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁，钛铁加入量为0.52kg/t，钢中Ti含量为0.0150％，Ti/N＝0.015/0.0037＝4.06
铸坯物理性能检测：屈服强度275MP，抗拉强度358MPa，延伸率46.2％。
铸坯角部质量良好，未出现裂纹。
对比例1：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.205％，Si：0.01％，P：0.017％，S：0.015％，Als：0.030％，装炉量100吨，其中废钢27吨。所述废钢为重型废钢，检测废钢中微量元素含量如下：Cu％为0.198，As％为0.083，Sn％为0.054，Ni％为0.207，根据公式计算Cueq如下：
Cueq＝0.198％×0.3+3×0.083％×0.3+8×0.054％×0.3-0.207％×0.3＝0.202％。
造渣料采用优质白灰，钢铁料消耗为1100kg/t，铁水加入量为73t/炉，废钢加入量为27t/炉，铁水热量为2041.63MJ/t，废钢中废钢铁和铁块比为7：3，废钢铁热量为147.77MJ/t，铁块热量为808.95MJ/t，焦炭放热量为13056.2MJ/t，带入计算公式中如下：
焦炭加入量＝{〔(73+27)*870/1100-73〕*2041.63-〔27-(27+73)*(1-870/1100)*0.7〕*147.77-〔27-(27+73)*(1-870/1100)*0.3〕*808.95}/13056.2＝0.909t/炉
加入0.909t/炉载热材料即可满足热平衡，但加入了1.77t/炉焦炭，钢中N含量根据回归方程计算如下：
〔N〕＝19.84393+17.30933W载热材料＝19.84393+17.30933*1.77＝50.5ppm
钢中N含量为0.0051％，冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁，钛铁加入量为0.53kg/t，钢中Ti含量为0.0162％，Ti/N＝0.0153/0.0051＝3。
铸坯物理性能检测：屈服强度280MP，抗拉强度369MPa，延伸率43.1％。
铸坯角部出现裂纹；屈服、抗拉强度高，延伸率低。

Claims (3)

1.一种高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：包括下述步骤：
a、废钢分类备料：对各批次废钢按照重型废钢和轻料型废钢分类，每个类别再按照合金钢、非合金钢、低合金钢分组，对不同批次、不同组别的废钢进行化学成分取样化验，根据化验结果分垛存放，每垛废钢记录化验结果待用；
b、转炉冶炼过程添加废钢的控制：转炉冶炼按化学成分分垛取废钢添加，根据加入废钢量及废钢化学成分计算Cueq，以Cueq≤0.15％为废钢添加原则；
c、转炉冶炼过程载热材料的添加：根据铁水温度、成分及废钢加入量确定载热材料的添加量；
d、转炉冶炼过程N含量的控制：造渣料采用优质白灰代替生白云石和轻烧白云石，降低热量损失，减少载热材料的添加量，以控制钢中N含量≤50ppm。
Cueq的计算依据钢中微量元素的含量由下式得出：
Cueq＝Cu％+3(As％)+8(Sn％)-(Ni％)，
其中,Cu％＝Cu％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
As％＝As％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
Sn％＝Sn％废钢×废钢加入量/转炉出钢量
Ni％＝Ni％废钢×废钢加入量/转炉出钢量；
转炉冶炼过程按照Ti/N≥3.0加入钛铁固N；钢中总N含量为不加载热材料时钢中N含量与载热材料带入钢中N含量之和，其中不加载热材料时钢中N含量平均值为0.0020％，载热材料带入钢中N含量为：
〔N〕＝W载热材料*N％*η
式中：W载热材料为载热材料的加入量，单位：t/t；
N％表示载热材料中N元素百分含量，
η表示载热材料中N元素的收得率，为40-50％。
2.根据权利要求1所述的高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：废钢化验化学成分包括C、Mn、S、P、Si、Al、Zn、Cu、Ni、As元素含量，对于C、Si元素含量相差≤0.2％、Mn元素含量相差≤1.0％、S、P、Al元素含量相差≤0.04％、Zn、Cu、Ni、As微量元素相差≤0.01％的废钢可同跺存放。
3.根据权利要求2所述的高废钢比生产模式下消除铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：所述造渣料优质白灰中CaO含量≥87％、活性度≥350ml；在铁水温度1350-1400℃、Si含量为0.3-0.5％条件下，废钢加入量＞230kg/t时加入载热材料，废钢加入量按照热平衡计算。
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