改善T91鋼潔凈度的生產實踐

2021-06-22 03:39:34陳秀強白效睿

工業加熱 2021年5期

陳秀強，白效睿，安杰

(撫順特殊鋼股份有限公司，遼寧撫順 113001)

T91(10Cr9Mo1VNbN)是重要的高壓鍋爐管材用鋼，被廣泛應用于制造火力發電廠鍋爐的過熱器、再熱器等[1]。當前，冶金行業已經認識到潔凈度對鋼材服役壽命的重要性，下游用戶對其潔凈度要求也日趨苛刻，所以必須通過冶煉工藝技術的改進，不斷提升T91鋼的潔凈度，尤其是夾雜物控制水平。

1 T91鋼生產工藝流程

T91是撫順特鋼生產的不銹鋼管坯之一，其化學成分要求見表1。

表1 T91鋼的化學成分 %

B類非金屬夾雜物評級標準為B細≤2.0級、B粗≤1.0級。

撫鋼二煉鋼廠生產不銹鋼管坯T91的工藝流程為：30 t非真空感應爐→VOD→LF→IC。

非真空感應爐的優勢在于采用本鋼種或近似鋼種的返回鋼(注余、切頭、切尾等)、鐵合金作為原材料，能夠最大限度地回收合金元素，降低金屬料消耗，從而降低冶煉成本。T91鋼配料目標w(c)=0.60%～0.65%、w(Si)≤0.30%，除S、N外的其他元素要求配入標準范圍之內。非真空感應爐負責鋼鐵料的熔化，出鋼鋼水溫度≥1 670 ℃，扒凈渣后入VOD精煉。VOD真空吹氧脫碳工藝是通過真空操作降低脫碳反應的CO分壓，從而達到脫碳目的的爐外精煉技術，其工藝包括吹氧脫碳和還原脫氣兩個階段。VOD在吹氧脫碳后，向鋼中加入白灰、螢石等渣料和硅鐵、Al粒等脫氧劑，并在真空狀態下促使渣鋼充分混沖，從而達到鋼液脫氧、脫硫的精煉目的，夾雜物即在此階段產生。VOD還原脫氣后采用底吹氮氣的方式進行氮合金化操作。為提高氧含量控制水平，原工藝扒出部分鋼包頂渣，入LF爐補加等量的白灰、螢石重新造渣，之后軟吹澆鑄。

2 軋材的夾雜物分析

B類(氧化鋁類)夾雜物是影響撫鋼T91產品質量的主要因素，T91鋼中典型B類夾雜物形貌，見圖1。

圖1 T91軋材中典型B類夾雜物形貌

通過掃描電鏡分析圖1所示夾雜物的化學成分，結果見圖2和表2。

圖2 T91軋材中典型B類夾雜物掃描電鏡分析

如表2所示，撫鋼二煉鋼生產的T91軋材的B類夾雜物成分為Al-Mg-Ca-O或Al-Ca-O類。VOD冶煉T91鋼屬于鋁脫氧鋼，VOD吹氧脫碳后加入Al粒和硅鐵作為還原劑，在鋼水中產生大量的脫氧產物Al2O3夾雜。脫氧產物逐漸與鋼包頂渣或鋼包耐材中的Mg、Ca反應，同時在后續冶煉過程中碰撞長大，但未及時上浮去除，便會形成非金屬夾雜物殘留在鋼中，最終導致軋材形成如圖1所示的B類夾雜物。

表2 T91軋材中典型B類夾雜物掃描電鏡分析 %

采用Al脫氧時，夾雜物演變過程：初始形成氧化鋁夾雜，隨著冶煉繼續進行，氧化鋁夾雜與鋼包中的Mg發生置換反應生成鎂鋁尖晶石，而后再與爐渣中的鈣反應，最終形成表2所示的化學成分。夾雜物演變過程中出現的Al-O、Al-Mg-O、Al-Mg-Ca-O、Al-Ca-O四類夾雜物中，Al-O(氧化鋁)和Al-Mg-O(鎂鋁尖晶石)的熔點高、形狀不規則，相對容易上浮去除。一旦爐渣中的Ca元素參與進來使夾雜物的成分轉變為Al-Mg-Ca-O或Al -Ca-O之后，夾雜物形將變成低熔點的圓球形，其上浮去除的難度顯著增大。

3 改善T91鋼B類夾雜物的措施

3.1 優化造渣工藝，提高爐渣對夾雜物的吸附能力

依據T91鋼的冶煉工藝流程，B類夾雜物(氧化鋁類夾雜物)來源于VOD還原脫氣階段的鋁脫氧反應，所以說優化VOD還原開始至LF爐的鋼包精煉渣成分，使其對夾雜物有良好的吸附能力，是改善T91鋼B類夾雜物的關鍵所在。分析原工藝鋼包頂渣的化學成分，見表3。

表3 原工藝爐渣成分 %

表3所示，VD結束的爐渣二元堿度為4～5，LF爐重新造渣后的爐渣二元堿度為6～8，另外爐渣中存在大量的CaF2，使渣中存在高含量的鈣離子，為冶煉過程中夾雜物加速向Al-Mg-Ca-O、Al-Ca-O形貌轉變提供了條件，同時VD結束時的爐渣經常出現偏稠的現象，實際生產中還需要補加螢石調整爐渣的流動性，同時扒渣補加白灰螢石工藝，更進一步增加了爐渣中的鈣離子含量。原工藝采用的高堿度和大渣量精煉方式，雖然對降低鋼水氧含量具有顯著作用，檢驗鋼水氧含量可達(15～20)×10-6，但促進生成了難以上浮去除的高鈣含量的Al-Mg-Ca-O、Al-Ca-O類夾雜物，惡化了軋材上B類夾雜物的控制水平。

生產實踐證明，精煉爐渣具有良好的流動性方能保證夾雜物的上浮去除效果。精煉爐渣優化的方向是通過減少VOD還原渣料中的白灰和螢石用量，降低爐渣二元堿度，提高爐渣流動性，來提高氧化鋁形成初期爐渣吸附夾雜物的能力。生產中，將白灰螢石配比由白灰20 kg/t、螢石12 kg/t下調至白灰16 kg/t、螢石9 kg/t 之后，爐渣流動性明顯改善，同時保證了白渣狀態，分析優化后的VD結束爐渣化學成分，見表4。

表4 優化后VD結束爐渣成分 %

對于當前T91鋼的潔凈度要求來說，VOD還原脫氣之后，即真空狀態渣鋼混沖15～20 min，直接軟吹出鋼澆鑄，此時精煉時間較短，鋼水還很難完全滿足B類夾雜物苛刻的標準要求，鋼水氧含量檢驗亦偏高(30～35)×10-6。依據表4的氧化硅和氧化鋁成分可知，精煉爐渣成分也沒有達到理想狀態，吸附夾雜物的能力有限。所以，工藝優化后保留了VD結束至LF爐的扒渣重新造渣工藝，將補加白灰螢石修改為補加等量氧化鋁含量35%的合成渣，用以優化精煉爐渣成分。優化后LF爐精煉爐渣成分，見表5。

表5 優化后LF爐渣成分(質量分數) %

3.2 降低VOD吹氧脫碳的鋼水氧化性

T91屬低碳不銹鋼，碳含量為0.08%～0.12%，原工藝是通過VOD吹氧脫碳階段的強氧化性氣氛，在真空下將鋼水碳含量脫至w(C)≤0.03%，隨著鋼水碳含量降低，鋼水氧化程度逐漸增加。此危害除鋼水嚴重燒損造成成本損失外，后續采用鋁粒脫氧會產生大量脫氧產物Al2O3(非金屬夾雜物)污染鋼液，增加夾雜物超標的風險。所以，優化后將VOD吹氧脫碳后的鋼水目標碳含量由≤0.03%修正為0.06%～0.07%，用以緩解鋼水氧化程度，減少氧化鋁夾雜物產生量。