SWRH82B鋼生產工藝分析及優化

呂長海，程樹森，孫黎黎，趙麗華

1 前言

82B系列鋼種主要用于橋梁纜索、鐵路和公路橋梁、吊車梁、軌枕碼頭、電視塔、核反應堆、大跨度橋的“斜拉桿”及制作預應力混凝土輸水管道構件等，要求鋼質純凈度高、非金屬夾雜含量低，且要求具有較好的表面質量，具備組織均勻、抗拉強度高、拉拔性能與延伸率較好、松弛值低、預應力損失小和耐疲勞性能優良等特點。硬線盤條82B鋼作為高強度預應力鋼絲和鋼絞線的典型用鋼，對生產過程控制要求極其嚴格。本研究以萊鋼永鋒82B鋼生產線為對象，通過分析鑄坯質量、軋制成圓鋼后的夾雜物類型及客戶使用過程中出現的問題，確定了影響產品質量的主要因素，在每個工藝關鍵控制點采取有效措施，以降低夾雜物含量提升整體質量，使82B鋼滿足了客戶的拉拔性能要求。

2 鑄坯質量及連鑄工藝分析

2.1 鑄坯低倍質量

SWRH82B鋼盤條生產工藝路線：200 t魚雷罐一120 t復吹轉爐冶煉一150 t精煉（LF）一8級8流方坯連鑄（電磁攪拌M-EMS+F-EMS、全保護澆鑄）—高速線材軋機軋制（控制軋制及控制冷卻）。

依據YB/T 4002—2013連鑄鋼方坯低倍組織缺陷評級圖判定各流鑄坯的低倍缺陷情況，判定結果見表1（其中角部裂紋、皮下裂紋、中間裂紋、中心裂紋及夾雜物各流評級均為0級）。各流鑄坯低倍組織形貌見圖1。

表1 低倍缺陷評級

圖1 SWRH82B連鑄坯低倍形貌

連鑄坯低倍形貌評級判定結果表明，中心疏松1流最大1.5級，其余均在0.5～1級；中心偏析1流1級，其余均為0.5級；縮孔7流為1.5級，其余均為0.5級。中心裂紋、中間裂紋、皮下裂紋、角部裂紋、夾雜物在低倍樣上均沒有發現，判定為0級。

2.2 拉速、溫度控制情況

SWRH82B鋼液相線溫度為1 465℃，溫度制度采用中包溫度比液相線溫度高20～30℃、大包溫度比中包溫度高40℃的原則進行設定，具體溫度控制情況見表2。不同中包溫度對應不同的拉速具體要求見表3。中包及大包溫度控制偏高。

表2 SWRH82B鋼連鑄溫度和拉速對應情況

表3 SWRH82B鋼連鑄溫度及拉速實際控制情況

2.3 一冷、二冷水量控制情況

結晶器采取弱冷方式，水量控制在1 800～1 900 L/min之間，正常按中限±10 L/min控制。二冷采用強冷方式和弱冷方式對鑄坯冷卻，使用兩種方式生產出來的鑄坯，低倍質量都較好。

正常拉速下，強冷比水量按照1.1～1.2 L/kg控制；弱冷比水量按照0.58～0.61 L/kg控制，見表4。

表4 SWRH82B鋼連鑄強冷及弱冷各區水量控制情況

2.4 電磁攪拌控制情況

結晶器電磁攪拌技術是近幾年迅速發展起來的用于連續鑄鋼的一種新技術，在連鑄上合理采用電磁攪拌技術，能有效改善鑄坯的內部組織結構，增加鑄坯心部的等軸晶率，促使鋼液中的非金屬夾雜物上浮，尤其對于改善鑄坯低倍裂紋類的缺陷效果顯著。

根據鋼種的碳含量和合金含量的不同，高碳82B鋼設計的電磁攪拌參數見表5。

表5 SWRH82B鋼連鑄電磁攪拌參數設定

2.5 保護澆注控制情況

1）大包長水口。大包長水口在保證插入鋼水液面以下一定深度的前提下，要做好長水口碗部的密封，一是加裝纖維密封墊保證鋼包水口和大包長水口之間的密封，二是在大包長水口碗部通入氬氣封閉氣隙以防空氣進入，造成鋼水的二次氧化。

2）浸入式水口。使用浸入式水口保護從中包進入結晶器的鋼水，防止二次氧化產生氧化物類的夾雜。浸入式水口碗部加裝纖維密封墊，另外優化碗口部位和滑塊下部間的配合，保證兩者之間面接觸良好，減少此部位的吸氣量。

3）中包液面和結晶器液面。中包液面采用中包保溫劑，保證黑液面操作，一是保溫的作用，二是防止鋼液裸露與空氣產生二次氧化。結晶器液面保護渣保護，保護渣渣層厚度保證一定量的液渣層和燒結層。

2.6 穩態澆注存在的問題

1）為保證溫度和拉速對應關系，在爐次之間溫度出現波動的情況下，頻繁調整拉速對穩態澆注造成了影響，調整的過程中液面波動變大，增大了局部卷渣的風險。從軋材情況檢驗來看，個別爐次的鑄坯中C類夾雜物有超寬超長現象。

2）浸入式水口的使用壽命偏短，目前6 h的更換周期太短，生產過程中因個別流出現事故造成8個流的水口不能統一上下線更換，導致中包升降頻繁，對結晶器內的液面擾動增大，破壞液面穩定狀態，夾渣卷渣發生的概率增大，從出現的C類夾雜超國標的情況可以看出。

3）塞棒的耐侵蝕度不一，控流能力不同，另外塞棒安裝調試不到位，造成開澆后個別流次的塞棒出現松動或控流不穩的情況，表現為生產過程中液面波動大。

4）開澆前期溫度控制不均衡，因事故造成低溫或鋼包溫度低的情況，容易造成塞棒頭部粘結冷鋼，自動控流的情況下出現跳棒的現象，表現為液面波動曲線大波浪。

以上幾項問題破壞了連鑄的穩態澆注環境，容易造成鑄坯質量缺陷。需要針對不同的問題制定改進措施［1］。

3 鋼材夾雜物分析及優化控制

檢驗數據選取整澆次35爐，每爐檢驗兩個樣品，對各類高倍夾雜進行統計分析，從檢出率和檢驗級別兩方面來看，目前B類、D類、Ds類夾雜控制較好，C類出現兩個樣品超內控指標，A類細系的硫化物檢出率偏高。在客戶拉拔使用的過程中未出現大量斷絲等異常情況，而是個別出現筆尖斷口和斜平斷口，由此斷定A類細系檢出率高對質量不造成影響。從檢驗級別范圍來看，C類夾雜物級別最高有超內控的情況，其余全部滿足內控要求。因此，僅對檢出率高的A類、B類、C類夾雜物進行分析，具體見表6。

表6 SWRH82B鋼70個樣品中各類夾雜物檢驗情況

3.1 A類硫化物夾雜控制情況

鋼在脫氧過程中，一定含量的錳與硫生成了硫化錳夾雜物。硫化物的形態和分布可分為3類：球形、長條扇形以及成塊狀無規則分布。從對鋼材性能的影響方面考慮，球形對鋼材性能的影響最小。因此控制措施：一是控制鋼中硫含量，提高脫硫效率；二是促使鋼中長條和塊狀的硫化物轉變為球形。改變硫化物的形態主要取決于鋼中氧和微合金元素，生產中主要是控制脫硫率降低鋼中硫含量。鋼中硫含量最高0.016%，平均0.009 2%，具體控制情況見圖2。

圖2 SWRH82B鋼中S含量控制情況

3.2 B類氧化鋁夾雜控制情況

鋼中氧化物系夾雜物的來源主要是脫氧產物和鋼的二次氧化、卷渣及耐火材料內襯侵蝕等情況造成的［2］。采取的措施主要有，轉爐提高終點碳含量，采用LF全程脫氧、改變精煉渣系、延長底吹氬氣攪拌、精煉小電流小電壓通電低溫保溫調成分。

1）精煉升溫曲線調整。由原來的進站大電流大電壓快速提溫，轉為小電流小電壓緩慢升溫，以減輕高溫對鋼包內襯耐火操作的剝蝕，根據成分調整及節奏的控制，后期升溫軟吹出站。

2）提高轉爐終點碳含量。主要采用高拉碳法，將轉爐的終點碳在保證去磷的前提下，盡量拉高出鋼，以減少鋼中含氧量。

高拉碳依據脫磷理論，采用脫磷的經典計算公式，即黑勒公式（公式1）和復吹轉爐脫磷經驗公式（公式2），分析復吹轉爐煉鋼條件下脫磷過程的主要影響因素和脫磷限度：

熔池反應：2［P］+5［O］=（P2O5）；渣鋼反應：（P2O5）+3（CaO）=（3CaO·P2O5）。根據上述反應，可計算出渣、鋼間磷的分配系數。溫度對渣鋼間磷分配系數的影響見圖3。

圖3 溫度對渣鋼間磷分配系數的影響

高拉碳操作主要是保證前期的低溫去磷效果，通過適當加入化渣劑促進前期早開渣，過程渣化好，防止粘槍。改進后的終點碳提升明顯，平均0.22%，最高到0.42%，見圖4。

圖4 SWRH82B鋼高拉碳操作后終點碳控制情況

3.3 C類硅酸鹽夾雜控制情況

C類硅酸鹽夾雜具有高的延展性，有較寬范圍形態比（一般≥3），呈單個黑色或深灰色，一般端部呈銳角。如硅酸亞錳2MnO·SiO2、硅酸亞鐵2FeO·SiO2、鐵錳硅酸鹽（mFe0·Mn0·SiO2）等。對檢驗超標的C類夾雜做高倍電鏡分析，夾雜物中均含有F、Na等堿金屬元素，由此斷定應為連鑄結晶器內鋼液的穩態被破壞后，保護渣卷入鋼中形成的硅酸鹽類雜質，具體見圖5［3］。

圖5 SWRH82B鋼C類夾雜物掃描電鏡分析結果

3.4 精煉渣優化調整

從精煉渣的調整來看，適當增大了堿度，提高了Al2O3含量。生產過程中增加鋁含量高的精煉渣加入量，在精煉化渣的過程中適當添加石灰調整合適的渣黏稠度。優化前后的精煉渣組成見表7。

表7 精煉渣優化前后組成 %

優化后的精煉渣系易于吸收鋼中氧化類夾雜物，脫硫效果良好；但熔點較高，黏度較大，容易形成高熔點不變形的硅酸鹽類夾雜物，對C類夾雜的產生有一定影響［4］。

3.5 氮氧含量控制情況

取樣分析鋼中N、O含量，平均N為0.002 9%，平均O為0.002 5%，統計情況見圖6、圖7。個別爐次控制氧含量不穩定，氧含量超高；氮含量控制較為穩定。

圖6 SWRH82B鋼中氮含量控制情況

圖7 SWRH82B鋼中氧含量控制情況

4 成本控制措施

1）轉爐工序采用高拉碳法，提高轉爐的出鋼碳含量，以減少增碳用電極粒的加入量，降低成本。在條件允許的情況下應最大限度拉高碳，以減少電極粒的使用。

2）轉爐吹煉過程加入化渣劑，提高終點化渣的能力，降低渣中M-Fe含量，降低成本。

3）提高進站溫度，進精煉采取小電流小電壓緩慢升溫的方式，取代大電流大電壓升溫，以降低精煉電耗，降低噸鋼成本。

5 存在的問題及改進方向

1）C類夾雜的超標問題。從連鑄穩態入手，提高水口的使用壽命，減少生產過程中水口的更換次數。單個流在更換水口時，需起升中包造成多個流的浸入式水口插入不足，影響連鑄穩態。

2）進一步優化精煉渣系，減少夾雜影響。

3）針對用戶使用過程中出現的問題開展攻關，一是筆尖斷口的形成原因及控制措施；二是拉拔時出現的斜平斷口裂紋。

參考文獻：

［1］ 常鍔.連鑄過程鋼中夾雜物行為的研究［D］.武漢：武漢科技大學，2003.

［2］ 薛正良，劉振清，韓俊，等.鋼簾線用高碳鋼（82B）氧化物夾雜控制熱力學［J］.煉鋼，2002，18（2）：31-34.

［3］ 卓曉軍，王立峰，王新華，等.簾線鋼中MnO-SiO2-Al2O3類夾雜物生成條件的探討［C］//冶金工程科學論壇.2004.

［4］ 德國鋼鐵工程師協會.渣圖集［M］.王儉，彭堉強，毛裕文，譯.北京：冶金工業出版社，1989.