控制高硫中碳易切削鋼的連鑄水口結瘤的生產實踐

丁克振，劉 珅，唐 亮，柳 軍

(撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠，遼寧 撫順 113001)

高硫中碳易切削鋼SAE1141(Y40Mn)具有較好的切削性能，加工效率高，且具有較高的強度和硬度，適用于加工要求剛性高的零件，如杠、桿、齒和軸等。撫鋼生產此類品種雖然可以滿足用戶使用，但是在鋼水的可澆性上仍然存在一定問題，其連鑄工藝的難點在于[1-2]鋼的高氧及高硫成分條件降低了鋼水的表面張力，易造成卷渣，影響鋼水的純凈度；如果采用鋁脫氧工藝，易切削鋼在冶煉過程中會形成大量鎂鋁尖晶石與硫化鈣復合夾雜物，引起水口結瘤，造成斷澆。

1 SAE1141鋼工藝流程及相關技術要求

撫順特鋼公司的生產工藝流程為：60 tEAF→60 tLF→60 tVD→4機4流大方坯弧形連鑄機→24架連軋機。主要生產裝備見表1。SAE1141鋼化學成分、非金屬夾雜物、晶粒度要求見表2和表3。

表1 主要生產裝備

2 水口結瘤的分析

2.1 結瘤物存在位置的分析

連鑄生產過程中中間罐水口因為結瘤而堵塞導致過鋼量下降，拉坯速度迅速下降，此時使用塞棒往復的搗打、沖擊水口碗部，發現搗打后拉速下降的更快，直至降為零，最終水口結瘤絮死，連鑄斷澆。此過程越是頻繁的搗打塞棒，拉速下降越快，這說明結瘤物不僅僅在水口內壁存在，更為嚴重的是在水口碗部即水口的最上端位置也存在結瘤現象，如圖1所示。

圖1 水口碗部結瘤絮死的實物照片

2.2 水口結瘤氧化物分析

針對鋁鎮靜、調硫品種，分析鋼中鑄態夾雜物成分為傳統結瘤物成分，即Al2O3、CaS(形貌及成分如圖2和表4所示)。鑄態結構為以Al2O3、MgO為核，周圍附有大量的CaS(如圖3所示)，該類物質與鋼中B類夾雜物成分一致，是導致水口結瘤的常見夾雜物。

圖2 鋼中鑄態夾雜物

表4 鑄態夾雜物成分 %

圖3 鋼中鑄態夾雜物形貌

3 SAE1141鋼冶煉工藝改進后的生產實踐

3.1 電 爐

電爐采用優質廢鋼90%+生鐵10%的料型結構，即減少生鐵的配入量，優化配料成本；為保證電爐中的碳氧反應，冶煉供氧采用“降氧工藝”，配合“爐門、爐后噴焦工藝”，確保冶煉過程的碳氧反應效果；出鋼前3 min持續噴焦，保證出鋼氧含量≤300×10-6；為實現早成渣提供足夠熱量，保證出鋼過程鋼渣混沖的效果，電爐出鋼溫度≥1 650 ℃；控制包中脫氧劑的加入配比，采用鋁錠1 kg/t，電石1 kg/t的加入量；包中預合金化采用純碳粉增碳，使精煉到位碳含量≥0.35%，硅含量≥0.10%，錳含量≥1.35%；電爐采用留鋼留渣的出鋼方式，保證偏心底無渣出鋼。

3.2 精 煉

3.2.1 渣系的選擇

為提高爐渣對夾雜物的吸附能力，對LF爐精煉過程的渣料配比進行優化，頂渣采用400 kg石灰+200～400 kg預熔渣，過程根據實際渣況適當調整。理想渣系成分見表5。

表5 理想渣系成分 %

3.2.2 LF爐精煉過程氧含量控制

通過電爐供氧的“降氧工藝”，配合“爐門、爐后噴焦工藝”，以及包中預合金化脫氧，實現LF爐到位氧含量≤20×10-6。LF爐過程采用碳粉、碳化硅進行擴散脫氧，用量3～4 kg/t，保證脫氧劑勻加、勤加，勤蘸渣、調渣，保持白渣狀態。LF爐全程不用鋁粒擴散脫氧，同時取消鋁線的沉淀脫氧，采用0.5 kg/t電石的加入工藝進行脫氧，實現出鋼鋼水中氧含量≤12×10-6。

3.2.3 LF爐終點鋁成分的控制

采用上述電爐及LF爐降氧、脫氧措施，完全可以實現LF爐精煉低氧出鋼，此時鋁在鋼中的脫氧作用極其微弱，而大量的鋁添加到鋼中只會增加Al2O3的生成機率，進而造成水口結瘤。為減少Al2O3作為水口結瘤的形核質點，工藝優化后低控終點鋁含量，保證鋼中鋁含量≤0.01%，工藝改進前后終點鋁含量如圖4所示。

圖4 工藝改進前后的終點鋁的單值控制圖

3.2.4 提高硫的收得率，減少硫化物的生成

工藝改進前，LF爐出鋼后向渣面加入硅石造低堿度渣，通過加入硫化亞鐵的方式進行調硫，該操作對渣量的掌握不穩定，易造成堿度異常波動，嚴重影響硫的收得率，并且低堿度渣不利于后期軟吹操作爐渣吸附夾雜物。工藝改進后，在原本渣系不變的基礎上，真空處理結束后，喂入硫包芯線進行調硫，硫的收得率可以達到95%以上。

3.2.5 鈣處理改變夾雜物形態

由于此類鋼種的硫含量較高，容易影響鈣處理對鋼中鋁系夾雜物的變形效果[3]。真空處理前噸鋼喂入1.0～1.5 m硅鈣包芯線，避免調硫后大量Al2O3與CaS復合成結瘤物。為確保夾雜物的上浮，保證軟吹時間30～40 min，確保夾雜物充分去除。

3.2.6 晶粒度控制

該類鋼種要求晶粒度5級以上，鋼中的鋁可以起到細化晶粒的作用。考慮鋼中高鋁條件下連鑄浸入水口結瘤的風險較高，生產過程中低控鋁含量，放棄利用鋁細化晶粒。鈮是非常重要的微合金化元素之一，是控制軋制鋼材晶粒度以及細化晶粒最有效的合金化元素，強化效果顯著，LF爐精煉過程加入適量鈮來替代鋁，晶粒度可以達到7級以上。

4 效 果

工藝改進后，連澆過程的水口結瘤問題得到解決，鑄坯及鋼材質量均有較大幅度的提高。

(1)改進后，連鑄結瘤現象消失，連鑄液位穩定，對比連鑄曲線照片如圖5所示。

圖5 改進前后連鑄塞棒位置曲線

(2)結瘤問題解決后，實現拉坯速度的恒定、結晶器液位的穩定，鑄坯的皮下裂紋問題得到有效控制，對比連鑄坯低倍照片如圖6所示。

圖6 改進前后連鑄坯低倍照片

(3)氧含量、非金屬夾雜物及晶粒度檢驗結果滿足標準要求，見表6和圖7。

表6 檢驗結果

5 結 論

(1)通過控制電爐原始氧含量、優化包中預合金化、選擇合適渣系成分、低控終點鋁含量、鈮合金細化晶粒、改進調硫方式等手段，提高了SAE1141鋼種鋼液的可澆性并有效控制了該鋼連鑄坯皮下裂紋缺陷；

(2)通過冶煉工藝的優化，氧含量、夾雜物級別及晶粒度級別均滿足標準要求。