BOF-LF-CC流程生產(chǎn)齒輪鋼鑄坯全氧含量控制實(shí)踐

豐 年

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司 特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪271104）

1 前言

20CrMnTiH是中國(guó)開(kāi)發(fā)的齒輪鋼主體鋼種。隨著汽車(chē)工業(yè)向大批量、高精度自動(dòng)化流水線(xiàn)生產(chǎn)方式的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)齒輪鋼提出越來(lái)越高的要求，包括氧含量≯0.002 0%，淬透性窄帶化等。經(jīng)過(guò)大量研究結(jié)果表明，鋼中氧化物夾雜屬于不變形夾雜，在循環(huán)應(yīng)力作用下，氧化物夾雜的邊緣形成空隙，造成應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。國(guó)外經(jīng)過(guò)部分鋼種試驗(yàn)，當(dāng)氧含量從0.002 5%降到0.001 1%時(shí)，齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度可提高4倍［1］。萊鋼特鋼事業(yè)部通過(guò)過(guò)程工藝控制生產(chǎn)實(shí)踐，20CrMnTiH齒輪鋼鑄坯全氧含量控制在0.001 3%，形成了BOF-LF-CC工藝流程生產(chǎn)20CrMnTiH齒輪鋼成套技術(shù)。

2 生產(chǎn)工藝

萊鋼特鋼事業(yè)部采用80 t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)20CrMn-TiH，主要工藝流程為：鐵水預(yù)處理→600 t混鐵爐→80 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→90 t LF精煉→矩型坯連鑄機(jī)。

轉(zhuǎn)爐公稱(chēng)容量80 t，爐容比0.91 m3/t，供氧強(qiáng)度為3.53 m3/（min·t），4孔拉瓦爾型氧槍。LF爐公稱(chēng)容量90 t，變壓器額定容量18 000 kVA，鋼水升溫速度3～5℃/min,氬氣系統(tǒng)壓力1.6 MPa。連鑄機(jī)為六機(jī)六流全弧形連鑄機(jī)，弧形半徑12 m，冶金長(zhǎng)度26 m，流間距1 450 mm；結(jié)晶器為管式，采用液壓振動(dòng)模式；連鑄二冷水采用動(dòng)態(tài)配水模式。

3 過(guò)程工藝控制

鑄坯中全氧含量取決于脫氧后鋼液中所含的氧，全氧為鋼中溶解氧及鋼中夾雜物含氧量之和，脫氧前降低鋼中溶解氧是脫氧的關(guān)鍵［2］。脫氧后鋼中夾雜物含氧量基本上代表了T［O］，降低鋼中氧含量就是降低鋼中夾雜物含量。萊鋼特鋼事業(yè)部從BOF—LF—CC整個(gè)工藝流程考慮，采取措施以降低齒輪鋼鑄坯全氧含量。

3.1 轉(zhuǎn)爐工藝控制

3.1.1 提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳命中率

在鐵水成分和吹煉制度一定的情況下，要降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溶解氧，必須準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量，減少后期點(diǎn)吹次數(shù)［3］。試驗(yàn)不同終點(diǎn)碳下鋼水中［C］和［O］與渣中（FeO）的關(guān)系見(jiàn)表1。從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量的增加，鋼水中［O］和渣中（FeO）有明顯的降低。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐爐口火焰觀察，控制好氧槍搶位，使20CrMnTiH終點(diǎn)碳含量控制在0.08%～0.13%，提高轉(zhuǎn)爐一次拉碳合格率，減少后期點(diǎn)吹次數(shù)，降低轉(zhuǎn)爐出鋼鋼水溶解氧含量。

表1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)［C］、［O］與（FeO）的關(guān)系

3.1.2 開(kāi)發(fā)組合式擋渣工藝

若控制不好轉(zhuǎn)爐出鋼下渣，氧化性強(qiáng)的爐渣會(huì)過(guò)量進(jìn)入鋼包，造成鋼水過(guò)氧化嚴(yán)重，不僅使鋼水中合金收得率低，也導(dǎo)致酸溶鋁含量降低。進(jìn)LF鋼水中氧含量過(guò)高，對(duì)LF進(jìn)一步降低氧含量增加負(fù)擔(dān)。為了降低轉(zhuǎn)爐出鋼下渣量，提高轉(zhuǎn)爐擋渣效果，開(kāi)發(fā)了“擋渣球－軟質(zhì)擋渣塞”組合式擋渣工藝。軟質(zhì)擋渣塞為自制的空心圓筒狀鋼制芯體，外部均勻涂抹上耐火泥料。通過(guò)軟質(zhì)擋渣塞擋一次渣，避免了出鋼搖爐前期下渣，大比重?fù)踉驌醵卧?/p>

通過(guò)以上措施，轉(zhuǎn)爐下渣量明顯減少，鋼包渣厚由90 mm降低到40 mm，最低可控制在30 mm。

3.1.3 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐底吹流量

吹煉前期，主要是促進(jìn)前期渣早化，加快成渣速率，但過(guò)大的攪拌強(qiáng)度對(duì)前期泡沫渣維持不利，碳氧反應(yīng)提前，影響脫磷和脫硫效果，因此，將底吹標(biāo)準(zhǔn)流量由400 m3/h減少為270 m3/h。吹煉期后期，主要在拉碳前采用強(qiáng)攪拌，降低終點(diǎn)TFe含量。而實(shí)際后期返干期未結(jié)束，過(guò)大的底吹流量增加返干程度，造成調(diào)渣困難，拉碳渣化不透，此為一次拉碳率低的主要原因，故將底吹標(biāo)準(zhǔn)流量由340 m3/h減少為290 m3/h。測(cè)溫取樣階段，該階段底吹僅為均勻成分、溫度。實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)拉碳過(guò)程取樣目測(cè)碳＞0.15%時(shí)，若直接放鋼，爐后碳降低，且爐渣變黏。表明在搖爐的幾分鐘之內(nèi)，底吹流量過(guò)大，底吹攪拌促使碳氧進(jìn)一步反應(yīng)，且反應(yīng)的程度不低，影響爐長(zhǎng)對(duì)冶煉終點(diǎn)的判斷，故將底吹標(biāo)準(zhǔn)流量由360 m3/h減少到220 m3/h。

轉(zhuǎn)爐底吹流量?jī)?yōu)化前后技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，底吹流量?jī)?yōu)化調(diào)整前（2011年1—10月）后（2012年1—10月）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積變化見(jiàn)圖1。

表2 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐底吹氣體流量 m3/h

從圖1可以看出，底吹流量?jī)?yōu)化前終點(diǎn)碳氧積0.002 4～0.003 9，優(yōu)化后終點(diǎn)碳氧積0.001 8～0.002 8，終點(diǎn)碳氧積明顯降低，而且波動(dòng)范圍比調(diào)整前更加平穩(wěn)。

圖1 底吹氣體流量?jī)?yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積

3.1.4 轉(zhuǎn)爐全鋁一次脫氧

穩(wěn)定鋼水脫氧效果，提高夾雜去除效果，轉(zhuǎn)爐一次脫氧到位關(guān)鍵。根據(jù)終點(diǎn)碳含量實(shí)施動(dòng)態(tài)合金化脫氧，根據(jù)終點(diǎn)碳和鋁含量要求實(shí)施轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)鋁（鋼芯鋁）脫氧，盡量減少LF精煉補(bǔ)鋁，轉(zhuǎn)爐下渣爐次適當(dāng)增加10～20 kg脫氧劑。通過(guò)實(shí)施轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)脫氧制度，對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼水深入脫氧，降低了轉(zhuǎn)爐出鋼鋼中溶解氧含量。20CrMnTiH轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)脫氧參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 20CrMnTiH動(dòng)態(tài)脫氧參數(shù)

3.2 LF爐工藝控制

3.2.1 優(yōu)化精煉渣系

精煉動(dòng)態(tài)吹氬攪拌、輕鈣化處理，LF爐加入精煉預(yù)熔渣及脫氧促進(jìn)劑快速造渣，氧化性強(qiáng)的渣再加入鋁粒快速脫氧。保證精煉渣的堿度控制在4.0以上，以更好的脫氧吸附夾雜?？刂坪娩撝袖X含量在0.020%～0.030%之間。通過(guò)精煉渣系的優(yōu)化，提高鋼中鋁含量和爐渣堿度，有效降低了鋼中的溶解氧，鋼中全氧由平均0.001 9%降到平均0.001 3%，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同鋁含量爐渣成分與鋼中全氧關(guān)系

3.2.2 優(yōu)化鋼包底吹氬模式

通過(guò)吹A(chǔ)r使鋼中的細(xì)小夾雜物碰撞機(jī)會(huì)增加，促進(jìn)夾雜物的長(zhǎng)大，使夾雜物附著于氣泡表面而上浮排除，降低鑄坯全氧含量［4］，但是吹A(chǔ)r量過(guò)大，會(huì)造成鋼液裸露和卷渣及對(duì)包襯的強(qiáng)烈沖刷而污染鋼液，因此，確定合適的鋼包吹A(chǔ)r強(qiáng)度至關(guān)重要。

通過(guò)對(duì)精煉爐鋼包底吹氬模式優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)過(guò)程智能化吹氬控制，保證軟吹時(shí)間及過(guò)程控制，軟吹時(shí)間＞12 min，保證鋼水液面不裸露。采用智能吹氬控制模式，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，穩(wěn)定吹氬制度，精煉不同階段采用不同吹氬流量，保證了精煉的脫氧及夾雜物上浮，精煉智能吹氬模式氬氣標(biāo)準(zhǔn)流量見(jiàn)表5。

表5 精煉智能吹氬模式氬氣標(biāo)準(zhǔn)流量 L/m in

3.3 連鑄工藝控制

3.3.1 提高大包長(zhǎng)水口密封性

對(duì)大包長(zhǎng)水口磚型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)符合工藝要求的大包長(zhǎng)水口，提高了大包水口的密封性能，避免鋼水吸氧二次氧化。將長(zhǎng)水口頭部形狀由碗式（見(jiàn)圖2a）改為臺(tái)式（見(jiàn)圖2b），增大長(zhǎng)水口碗口與鋼包下水口的結(jié)合面積，這樣將水口密封可以依靠底封和圓錐側(cè)壁雙重密封，水口也不會(huì)掛偏；同時(shí)將長(zhǎng)水口內(nèi)徑做成與鋼包下水口內(nèi)徑一致，避免澆注時(shí)粘冷鋼。結(jié)合流量需求，改小水口內(nèi)徑，避免水口流量大形成真空負(fù)壓區(qū)吸氣。同時(shí)調(diào)整氬封氬氣流量，由原來(lái)的4 m3/h增加到5 m3/h，避免了澆注過(guò)程大包水口與長(zhǎng)水口連接處吸氧二次氧化鋼水。

圖2 改進(jìn)前后水口形狀結(jié)構(gòu)

3.3.2 引進(jìn)下渣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鋼包渣氧勢(shì)比較高（FeO、MnO、SiO2），當(dāng)出現(xiàn)鋼包下渣時(shí)，一方面與鋼水的合金元素發(fā)生二次氧化生成夾雜物，另一方面，渣滴也會(huì)在鋼中生成大型夾雜物，因此控制鋼包下渣是減輕鋼水而導(dǎo)致二次氧化非常重要的操作。

在生產(chǎn)中鋼包水口處的下渣一直采用的是肉眼檢測(cè)、人工控制的辦法，靠用肉眼觀察鋼包水口附近局部液位的變化與水口附近光強(qiáng)的變化來(lái)間接判斷下渣，在估算鋼包澆鑄快要結(jié)束前用手觸摸大包把持器，憑手感判斷大包是否快要下渣，并啟動(dòng)大包液壓缸，關(guān)閉鋼包水口滑板，此時(shí)大包下渣量較大。

引進(jìn)VSD2000連鑄鋼包下渣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確控制大包下渣量，大包每爐下渣量控制在極低的水平，與人工控制相比減少了60%，中間包的渣厚由60 mm降到20 mm。

4 鑄坯全氧含量控制情況

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄等各個(gè)環(huán)節(jié)采取合理的控制措施，齒輪鋼鑄坯全氧含量明顯降低。工藝優(yōu)化后，對(duì)每個(gè)月生產(chǎn)的約300爐次齒輪鋼全氧含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均單月最低達(dá)到了0.001 2%，最高控制在0.001 5%，全年平均為0.001 3%，T［O］波動(dòng)值在0.001 2%～0.001 5%。與2011年（工藝優(yōu)化前）同期相比鑄坯全氧含量（平均含量0.001 9%）明顯降低，對(duì)比情況見(jiàn)圖3。

圖3 工藝優(yōu)化前后齒輪鋼鑄坯全氧含量

萊鋼特鋼事業(yè)部采用BOF-LF-CC工藝流程生產(chǎn)20CrMnTiH齒輪鋼，在不經(jīng)過(guò)VD爐真空處理的情況下，通過(guò)提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳命中率、開(kāi)發(fā)應(yīng)用組合式擋渣工藝、轉(zhuǎn)爐底吹流量?jī)?yōu)化、轉(zhuǎn)爐全鋁一次脫氧、鋼包底吹氬模式優(yōu)化、調(diào)整精煉渣系、提高大包長(zhǎng)水口密封性、引進(jìn)大包下渣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等工藝優(yōu)化控制措施，有效地降低了齒輪鋼鑄坯全氧含量，2012年鑄坯全氧含量平均值達(dá)到0.001 3%，比工藝優(yōu)化前降低了0.000 6%，開(kāi)發(fā)了BOF-LF-CC工藝流程低成本生產(chǎn)20CrMnTiH齒輪鋼的成套技術(shù)。

［1］ 李晶.LF精煉技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012：20-25.

［2］ 蔡開(kāi)科.連鑄坯質(zhì)量控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：30-39.

［3］ 秦鳳婷，牛海云，晁霞，等.20CrMnTiH齒輪鋼氧含量的控制實(shí)踐［J］.河南冶金，2012，20（2）：40-42.

［4］ 籍建新，劉輝霞.石鋼降低鋼中氧含量生產(chǎn)實(shí)踐［J］.河北冶金，2004（3）：29-31.