CN109880967A - 一种高纯净度铝镇静钢的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高纯净度铝镇静钢的生产工艺，包括转炉冶炼、精炼、连铸工序，其改进之处为：在精炼工序中进行喂钙线操作，钙线加入量介于1.40Alinc与50ppm之间；Alinc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值。本发明提出了提高铝镇静钢纯净度的新措施，即以钢中夹杂铝为依据进行钙处理，通过优化精炼与连铸工艺，以及钢中低铝含量控制，使钢中夹杂铝降低，完成夹杂物变性，提高钢水纯净度，节约用铝，降低生产成本，本发明适用于所有铝镇静钢。

Description

一种高纯净度铝镇静钢的生产工艺

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种高纯净度铝镇静钢的生产工艺。

背景技术

铝镇静钢是铝脱氧钢，其必然会产生大量Al₂O₃夹杂，这些夹杂不仅影响钢的质量，增加总氧量，而且容易在浸入水口产生大量结瘤物，影响钢的浇注性能。因此长期以来，业内均利用钙处理技术进行Al₂O₃夹杂的去除。钙处理技术即在钢液中加入一定量钙，使异形的氧化铝夹杂化合成为钙铝酸盐复合夹杂，其中理想成分为低熔点的球状7 Al₂O₃.12CaO，这种球状夹杂不仅容易上浮去除，而且因为在钢中呈熔融状态不易在水口结瘤，大大改善钢水的浇注性能、提高了钢水纯净度。

为减少水口堵塞，改善钢液的流动性，实现Al₂O₃变性后去除，早先Faulring 等在论文“Steel flow through nozzles: influence of calcium”[I ＆ SM，1980，7(2)]中提出控制钢中T[Ca]/[Al]s≥0.14；从此业内通常将钢成分Ca/Al≥0.14指标作为常规工艺，进行喂钙线操作。而在实际生产中，这个指标仅仅起到了参考作用，其局限性大致归纳为两个方面：一是因为该指标导出的钙含量是以钢中全Al为基准的，钢中全Al含量往往波动很大，并且有些钢种要求Al含量比较高，这样致使钙含量高且波动大，从而对生产造成较大影响，如钙过高会侵蚀塞棒的塞头，影响拉速控制，过低时夹杂物变性效果不理想，引起水口结瘤，有时喂钙线量没有达到该量时，连铸依然顺利；二是因为即使接近该比例时，钢中钙铝酸盐夹杂物的形态比较复杂，并不是单一的7Al₂O₃.12CaO，依然会导致水口堵塞等技术问题。为此，现在大量的研发工作将Ca/Al比进行调整，并且结论都不一致，如汪开忠等在《低碳高铝钢钙处理工艺及钢中夹杂物的影响》[钢铁研究，2005,22(3):38]中认为应控制Ca/Al比在0.09～0.14之间,张彩军等在《管线钢硫化物夹杂及钙处理效果研究》（钢铁，2006,41（8）：31）中提出Ca/Al比应在0.013～0.2之间,张立峰等在《钢液钙处理过程中钙加入量精准计算的热力学研究》[炼钢，2016.4]中认为实现夹杂物“液态窗口”的钙质量分数在应介于22.6～47.4ppm。除此之外，Ca/Al比指标对少数钢种的纯净度提高没有参考价值，如轴承钢GCr5，因为疲劳寿命，对Ds类夹杂有严格要求，高级别品种一般不进行钙处理。

所有钙处理进行夹杂物变性的理论与操作规程都依据钢中全铝Alt含量来推算Ca含量，由于精炼过程钢中Al、Ca极易氧化进入渣层或蒸发进入大气，其含量难以稳定，因此按照目前的钙铝比规程，很难进行精准操作，变性后的夹杂物成分和形态难以控制，影响钢液流动性，增加水口堵塞风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，根据钢中Al₂O₃含量精确喂入钙线，使夹杂变为低熔点的球状7Al₂O₃.12CaO，促进夹杂物上浮，提高钢水纯净度，改善铝镇静钢浇注性能，节省钙合金用量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，包括转炉冶炼、精炼、连铸工序，其改进之处为：在精炼工序中进行喂钙线操作，钙线加入量介于1.40Al_inc与50ppm之间；Al_inc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值。

上述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，所述转炉冶炼工序中，要求高拉碳出钢，C含量≥0.08wt%；所述精炼工序包括LF精炼，LF精炼过程中白渣保持时间≥20分钟，软吹时间≥20分钟，全程保护浇注。

上述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，所述精炼工序包括单一LF精炼或LF-VD双联精炼或LF-RH双联精炼工序；喂钙线操作在精炼后期即LF精炼工序、或VD精炼工序或RH精炼工序进行，要求充分搅拌去除氧化铝，过程稳定后取样，采用直读光谱仪检测钢液中Alt和Als的含量，根据检测得出的全铝Alt含量与酸溶铝Als含量确定钙线的加入量：钙线加入量介于1.40Al_inc与50ppm之间，Al_inc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值。

上述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，所述喂钙线操作在精炼后期具体是指：

当精炼工序为单一的LF精炼时，喂钙线操作在LF精炼后期进行；

当精炼工序为LF-VD双联精炼时，喂钙线操作在VD精炼后期进行；

当精炼工序为LF-RH双联精炼时，喂钙线操作在RH精炼后期进行。

上述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，钢液中成品S含量要求≤0.007wt%。

上述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，铝的加入量控制在高于国家标准或者内控要求下限的0.01%范围。

本发明的核心内容是改变以钢中成分钙铝比0.14作为钙处理量化规程的惯例，而采用夹杂铝含量Al_inc（即钢液中全铝量Alt-酸溶铝量Als）作为钙线喂加量的评价指标，Ca:Al_inc=1.40；然后是通过精炼、连铸过程稳定控制Ca、Al_inc量；再其次是钢中铝的加入量在保证钢种性能的前提下，按照高于国标或者内控下限的0.01%范围进行控制，确保钢中Al₂O₃夹杂数量最少。

本发明的理论依据分析如下：

要使钢中Al₂O₃变性为7Al₂O₃.12CaO，必须使钢液中CaO含量不低于相应配比，为此需要了解钙处理后Ca在钢液中的变化行为。钢中加入钙线后，钙沸点很低（1491℃），在钢液中溶解度极低，logP_Ca＝4.55-8026/T，（式中P_Ca为Ca的蒸气压，T为钢液温度）；1600℃时钙的蒸气压P_Ca=0.187MPa，在高温度下钙很难溶解在钢液内，而熔入钢液的少量钙脱氧能力远大于铝；徐匡迪论文《特殊钢精炼中的脱氧及夹杂物控制》[钢铁，Vol.47，10）]根据脱氧自由焓变（见表1）将脱氧剂的脱氧能力进行对比（见图1），当Al含量0.01wt%时，平衡活度氧3ppm；当Ca含量100ppm时，平衡活度氧0.0001ppm；显然，钙的加入产生系列反应，一是深度脱氧，使得活度氧进一步降低，生成CaO；二是溶解钙与氧化铝夹杂反应x[Ca]+y（Al₂O₃）=x(CaO).(y-x/3)Al₂O₃+ 2/3.x[Al]；三是侵蚀Al₂O₃质耐材，加重水口、塞头等侵蚀；四是与硫反应生成CaS。总之，最后平衡时钢液中金属钙浓度很小；吴保国等在《南钢钢液钙处理研究》[安徽工业大学学报,2011,4,28(2)]认为钢液中金属钙占钙总量的10%，即钢液中全钙的90%以CaO形式存在。Al₂O₃、CaO复合生成7Al₂O₃.12CaO，复合夹杂7Al₂O₃.12CaO中重量比Ca_inc:Al_inc=1.26:1（式中Ca_inc为复合夹杂7Al₂O₃.12CaO中的Ca含量，Al_inc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值），折合为钢中全钙量时Ca:Al_inc=1.40:1（按Ca_inc占全钙的90%计算），即当钢液中总钙含量与夹杂铝之比Ca:Al_inc≥1.40时，菱角状的氧化铝变性为液态的球状夹杂7Al₂O₃.12CaO，钢液中全钙、全铝Alt与酸溶铝Als的含量由钢样直读光谱仪检测得出。

钢液中Ca含量过高，会生成CaS引起水口结瘤，同时Ca含量大于50ppm时容易侵蚀塞棒塞头砖，影响钢流控制，为此，确定Ca上限含量为50ppm;根据大量研究结果，当钢中硫S≤0.007wt%时，不会生成单独的CaS，所以，本发明要求将钢液中S含量控制在≤0.007wt%。

铝脱氧钢的用铝量及稳定控制是提高钢水纯净度的关键，Ca-Al_inc关系式明确了钢中全Ca含量与Al_inc的关系，不论钢中Al含量多少，只要Al₂O₃含量少，喂入钙量就会相应减少；而夹杂铝含量由铝脱氧产物总量、氧化铝去除量、二次氧化量所决定，因此钙处理效果受精炼、连铸过程的影响，要求铝脱氧产物最少，所以精炼过程中要求充分搅拌去除氧化铝，过程稳定后取样分析Alt、Als含量，其差值Al_inc才是喂入钙量的依据；实验研究和生产实践表明，钢水浇注期间钢中Al二次氧化趋势与钢中Al含量呈现线性增加，即钢中总铝量越高，连铸过程二次氧化产生夹杂铝量趋势越大；为此，本发明要求一般铝镇静钢铝含量在保证钢种性能前提下，在钢种成分要求范围内往下限（高于最低含量0.01%范围）进行控制，以提高钢的纯净度。钢成品Alt、Alinc的某浇次统计关系见图2。

表1 各元素脱氧热力学数据

Ca-Al_inc关系式中Ca、Al_inc含量以生产取样的直读光谱成分为准，其中Al_inc由Alt-Als差值换算而来，精炼后期铝含量稳定后，根据光谱成分Alt、Als之差Al_inc含量，按照钙的收得率，核算需要加入的总钙量。

除上述关键新技术外，本发明要求初炼钢高拉碳出钢，C含量≥0.08wt%、LF白渣保持时间≥20分钟、精炼后期软吹时间≥20分钟、全程保护浇注。其目的是：高拉碳是为了减少转炉粗炼钢水自由氧含量，白渣保持时间、软吹保持时间是为了减少钢中夹杂物。

本发明的特点在于：

1、本发明提出了钢中钙含量与夹杂铝的定量关系，确定了一种铝镇静钢喂钙线量的新型定量关系式：Ca:Al_inc≥1.40；

2、本发明要求精炼调整成分完毕，充分搅拌去除氧化铝，过程稳定后取样，采用直读光谱仪检测钢液中Alt和Als的含量，依据Alt和Als的差值Al_inc确定钙的加入量后进行钙处理；

3、本发明要求铝含量在保证材料性能前提下，按照国标规定或者内控的下限（高于最低含量0.01%范围）控制，既降低成本，又减少夹杂物；

4、本发明适合所有的铝镇静钢，包括必要进行钙处理的钢种和轴承钢等需要谨慎进行夹杂物变性的钢种。

本发明的优点为：

本发明提出了提高铝镇静钢纯净度的新措施，即以钢中夹杂铝为依据进行钙处理，通过优化精炼与连铸工艺，以及钢中低铝含量控制，使钢中夹杂铝降低，完成夹杂物变性，提高钢水纯净度，节约用铝，降低生产成本，本发明适用于所有铝镇静钢。

附图说明

图1为温度1873K时钢中部分元素脱氧能力比较；

图2为钢成品Alt、Alinc的某浇次统计关系图；

图3为实施例1中氧化铝夹杂变性前的形貌图；

图4为实施例1中氧化铝夹杂变性前的能谱成分图；

图5为实施例1氧化铝夹杂变性后的形貌图；

图6为实施例1氧化铝夹杂变性后的能谱成分图。

具体实施方式

以下结合冷镦钢10B21实施例对本发明进行详细说明：

实施例1 ：

本实施例生产高纯净度冷镦钢10B21钢，成分判定范围与控制目标见表2。

表2 成分判定范围与控制目标(单位：wt%)

按照“120吨转炉—LF精炼—150方连铸”流程进行生产，本实施例包括如下控制步骤要点:

一、转炉冶炼

1、出钢终点：[C]0.08-0.15wt%,[P] ≤0.013wt%,[S] ≤0.020wt%;

2、要求一次倒炉，补吹次数≯1次;

3、炉后采用弱脱氧制度，采用高碳锰铁、铝制品、中碳铬铁等进行脱氧及合金化;

4、滑板挡渣出钢，严禁下渣。

二、LF精炼

1、白渣操作：铝粒进行渣面扩散脱氧，FeO、MnO均≤0.5wt%，白渣操作时间大于20分钟；

2、合金微调：成分微调在钙处理前全部完成，Alt含量按照判定范围（≥0.02%）下限控制（0.025~0.035%）；

3、钙处理：精炼调整成分完毕，充分搅拌去除氧化铝，过程稳定后取样，采用直读光谱仪检测钢液中Alt和Als的含量分别为0.025~0.035wt%、0.024~0.035wt%，其差值在0.0005~0.002%之间，计算成品钙含量Ca≥1.40Al_inc，成品中钙含量0.0007-0.0028wt%，依据φ9mm纯钙线（67g/m，含Ca量96%）收得率30%，出钢130吨，打入钙线量在47~135m。

4、软吹：软吹时间≥20分钟，期间渣面不能裸露钢水。

三、连铸

1、采用全程保护浇注：大包长水口采用氩封，中包开浇前进行充氩保护，中包双层渣覆盖（碱性覆盖渣+碳化稻壳），采用整体浸入水口，；

2、连铸过程增氮≤0.0005%。

在本发明指导下，本实施例采用铁水预处理－转炉－LF精炼－小方坯连铸流程生产高纯净度冷镦钢10B21，解决了小方坯连铸浸入水口结瘤现象，氧化铝夹杂变性前的形貌见图3，能谱成分见图4；氧化铝夹杂变性后的形貌见图5，能谱成分见图6；夹杂物数量显著减少，夹杂物多数为球形的7Al₂O₃.12CaO，总氧量由以前的15ppm以上降低至12ppm以下。

Claims (6)

1.一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，包括转炉冶炼、精炼、连铸工序，其特征在于：在精炼工序中进行喂钙线操作，钙线加入量介于1.40Al_inc与50ppm之间；Al_inc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值。

2.如权利要求1所述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，其特征在于：所述转炉冶炼工序中，要求高拉碳出钢，C含量≥0.08wt%；所述精炼工序包括LF精炼，LF精炼过程中白渣保持时间≥20分钟，软吹时间≥20分钟，全程保护浇注。

3.如权利要求2所述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，其特征在于：所述精炼工序包括单一LF精炼或LF-VD双联精炼或LF-RH双联精炼工序；喂钙线操作在精炼后期进行，要求充分搅拌去除氧化铝，过程稳定后取样，采用直读光谱仪检测钢液中Alt和Als的含量，根据检测得出的全铝Alt含量与酸溶铝Als含量确定钙线的加入量：钙线加入量介于1.40Al_inc与50ppm之间，Al_inc为钢液中全铝Alt量与酸溶铝Als量的差值。

4.如权利要求3所述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，其特征在于：所述喂钙线操作在精炼后期进行具体是指：

当精炼工序为单一的LF精炼时，喂钙线操作在LF精炼后期进行；

当精炼工序为LF-VD双联精炼时，喂钙线操作在VD精炼后期进行；

当精炼工序为LF-RH双联精炼时，喂钙线操作在RH精炼后期进行。

5.如权利要求1或2或3所述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，其特征在于：钢液中成品S含量要求≤0.007wt%。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种提高铝镇静钢纯净度的生产工艺，其特征在于：铝的加入量控制在高于国家标准或者内控要求下限的0.01%范围。