方坯冷鐓鋼SWRCH22A優化生產實踐

王成青，孫振宇，梁祥遠，郭猛，王華東，那廷權

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

含Al冷鐓鋼是冷頂鍛成型工藝生產互換性較高的標準件和變形量較大的異形冷鐓件材料，主要用于制造自攻螺釘、內六角、法蘭面螺栓、加厚或超薄螺母等各類緊固件，使用領域相當廣泛，因此，對含Al冷鐓鋼性能要求十分嚴格，要求塑性和表面質量好，冷頂鍛性能好，夾雜物含量低［1］，而鋼水中夾雜物的成分和數量均嚴重影響鋼水的可澆性和鋼材的質量［2］。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠（以下簡稱“二分廠”）有3臺小方坯連鑄機，生產的主要品種有冷鐓鋼、螺紋鋼和高碳鋼等，其中，冷鐓鋼以含Al冷鐓鋼SWRCH22A為主，平均月產量約3萬t。實際生產過程中，浸入式水口外掛砣配重安裝以保證其水口碗部與中間包定徑水口接觸處的密封效果，由于該鋼種含Al，經常會出現浸入式水口絮流的現象，不僅增加換水口的頻次，影響生產的順行，還加大了勞動強度，對生產成本和鑄坯質量都產生不利影響。二分廠通過采取優化轉爐冶煉工藝，優化LF精煉造白渣工藝等措施，減少了鋼水澆注過程中的絮流現象，穩定控制了鋼中的Al2O3夾雜物，提高了鋼水潔凈度。本文對此作以介紹。

1 煉鋼工藝流程及裝備

冷鐓鋼SWRCH22A煉鋼工藝流程為：鐵水預處理→90 t轉爐冶煉→LF爐精煉→鑄機。冷鐓鋼SWRCH22A標準成分見表1，轉爐及鑄機工藝裝備參數見表2。

表1 冷鐓鋼SWRCH22A標準成分（質量分數）Table 1 Standard Compositions in SWRCH22A Cold Heading Steel（Mass Fraction） %

表2 轉爐及鑄機工藝裝備參數Table 2 Equipment Parameters of Converter and Caster

2 水口絮流的原因分析

含鋁冷鐓鋼在連鑄生產時常常會出現浸入式水口絮流堵塞的問題，實物照片如圖1所示，主要是Al2O3絮流物。產生的主要原因是該類鋼種采用鋁脫氧，鋁與鋼中的氧反應生成Al2O3夾雜物，精煉工序處理結束后，鋼中Al2O3夾雜物未充分有效上浮，鈣處理工藝不徹底，隨鋼水進入到中間包內。在澆注過程中，鋼水中的部分Al2O3夾雜物不斷在浸入式水口碗部聚集，造成鋼水通道堵塞。當絮流物聚集到一定程度，通道會被堵死，被迫更換水口或是造成事故停澆。

圖1 浸入式水口絮流物實物照片Fig.1 Photo of Flocculent Flow Occurred at Submerged Entry Nozzle

3 轉爐冶煉工藝優化

3.1 轉爐終點控制

轉爐終點的控制對整罐鋼水的成分控制、鋼水的氧化性、后續精煉LF爐處理的難度和鋼水的可澆性起到重要作用。轉爐終點控制的關鍵是P、S的控制，P和S為鋼中有害元素，會對鋼造成熱脆和冷脆現象，所以必須控制在標準范圍內且盡可能低。為了保證冷鐓鋼較低的P、S含量，二分廠采用鐵水預處理工藝，合理控制入爐鐵水的硫含量，保證轉爐冶煉終點硫含量低于0.025%。轉爐冶煉過程中，采用高-低-高的操作槍位，加強轉爐前期的化渣操作，強化前期脫磷效果，終點溫度控制在1 635～1 665℃之間，確保冶煉終點P含量低于0.015%。合適的碳含量能夠降低鋼水中的氧含量，減少脫氧合金消耗，因此嚴格控制轉爐終點碳含量，提高一拉命中率，要求轉爐終點碳含量為0.05%～0.10%。圖2為優化后轉爐出鋼碳含量分布情況，出鋼碳含量基本處于0.05%～0.10%。

圖2 優化后轉爐出鋼碳含量分布情況Fig.2 Distribution State of Content of Carbon in Molten Steel Smelted by Converter during Tapping after Optimization

出鋼過程中采用雙擋渣工藝，出鋼前在出鋼口加入擋渣塞，出鋼末期加入擋渣標，直至鋼水出完，以盡可能減少出鋼下渣。生產實踐得出，僅使用擋渣標渣層厚度平均為93.2 mm，雙擋渣工藝就能夠控制出鋼后的渣層厚度平均達到68.5 mm。

3.2 轉爐合金化工藝

轉爐出鋼過程中，需要加入鋁、硅、錳等合金進行脫氧合金化操作，加入的鋁、硅等脫氧劑與鋼水中的氧結合，產生“原始”的鋁夾雜物和硅夾雜物，這類夾雜物可在后續工序中采用各種冶金手段最大限度的去除。二分廠在冷鐓鋼SWRCH22A開發之初，轉爐出鋼過程中加入的脫氧劑為鋁錳鐵，由于轉爐終點控制水平的差異，且沒有副槍進行定氧操作，不僅鋼水中氧含量偏差大，而且無法準確計算出脫氧劑的耗量。圖3為優化前鋼水罐內Als含量分布情況，由圖3看出，Als含量控制很不穩定，甚至出現未測到Als的情況，取出的樣品帶有氣孔等缺陷，無法進行化學分析，影響了LF爐精煉前期的加鋁合金化操作，不便于鋁系夾雜物的控制。

圖3 優化前鋼水罐內Als含量分布情況Fig.3 Distribution State of Content of Als in Ladle before Optimization

針對上述情況，優化了轉爐合金化工藝，主要采用硅錳合金進行弱脫氧 （將鋁系合金轉移至精煉工序加入），加入量為2.0～2.4 kg/t鋼。如果鋼水罐內錳含量不足，補加中碳錳鐵或高碳錳鐵，確保成分達到內控要求。轉爐出鋼過程中，隨同合金加入一定量的小粒白灰，一般為2～3 kg/t，利用鋼水流的沖擊攪拌作用，實現精煉初渣的快速形成，為LF爐快速造渣提供有利條件。

4 LF爐精煉工藝優化

4.1 精煉造白渣工藝

造精煉白渣是LF爐精煉工藝的重點，也是穩定鋼水中Als含量的前提條件。白渣是一種堿度較高的動態渣，冷卻后呈白色，氧化鐵含量＜1%，氧化鈣含量約60%。精煉造白渣的目的是降低頂渣氧化性，減少渣中氧向鋼中傳遞，避免與鋼中Al反應生成Al2O3夾雜，同時，良好的白渣可以有效脫除鋼中的硫，吸附鋼中夾雜物。

LF 爐造白渣要求“快”、“白”、“穩”。“快”就是要在較短時間內形成白渣。由于LF爐處理周期有限，白渣形成越早，精煉時間越長，精煉效果越好；“白”就是渣中FeO含量小于1.0%，形成具有較強精煉能力的還原渣；“穩”有兩層含義，一是各爐次之間爐渣成分穩定且接近，二是同一爐次形成白渣后，渣中的FeO含量一直保持在1%以下，提高精煉效果［3］。在實際生產過程中，為保證爐渣快速形成，鋼水進站后，根據鋼水罐內渣層厚度、鋼水初始硫含量及初始溫度等情況，向罐內加入小粒白灰 5～10 kg/t，每批次≤500 kg，螢石或鋁礬土 1～2 kg/t，同時加入脫氧合金化用鋁粒，大氬氣攪拌一定時間確保渣料融化后，進行電極升溫操作。首次升溫結束后，以400～500 L/min的大氬氣量攪拌鋼水，攪拌時間大于5 min。利用氧氣管粘渣樣觀察其顏色是否發白，確定造白渣效果。優化后各工序渣中FeO含量見圖4。由圖4看出，隨著各工序的進行，渣中FeO含量逐漸降低。

圖4 優化后各工序渣中FeO含量Fig.4 FeO Content in Slag in Different Procedures after Optimization

4.2 進站加鋁工藝

鋁粒能夠快速脫除渣中的氧，降低渣中的不穩定氧化物，使精煉渣中的ω（FeO%+MnO%）很快低于1.0%。采用一次性加鋁操作主要形成珊瑚狀Al2O3簇，這些簇狀物很容易上浮進入到頂渣中，只有少量滯留在鋼液中，可很大程度上減少澆鋼過程中的絮流發生。因此，在實際生產過程中，當鋼水進站吹氬起翻后，會隨著初期渣料加入的同時，一次性配加一定量的脫氧合金鋁。加鋁量取決于轉爐實際出鋼C含量、點吹情況、罐內S含量、進站渣厚及狀態、Als含量控制目標等因素，一般為1.5～2.0 kg/t。如果罐內渣層較厚，超過100 mm且發泡，轉爐出鋼碳含量偏低，小于0.05%，考慮到脫硫改質等的燒損，控制Als在成品標準的上限+0.01%時，則加鋁量按上限加入，即2.0 kg/t，否則加入1.5 kg/t。圖5為優化后LF搬出和成品Als含量的控制情況，從圖5看出，搬出Als含量均值可以穩定控制在0.038%左右，成品Als含量均值為0.036%，Als含量基本滿足精煉處理工藝的需要，能夠滿足鋼種要求。

圖5 優化后LF搬出和成品Als含量的控制情況Fig.5 Controlled State of Als Content Removed in LF and Finished Products after Optimization

4.3 鈣處理及凈吹氬工藝

精煉處理結束，鋼水成分和溫度達到要求后，對鋼水進行鈣處理，合理控制LF搬出鈣含量為0.001 5%～0.004 5%，以獲得理想的鈣飽和量，既保證鋼水的可澆性，同時減輕鋼水對塞棒的沖刷。為促進鋼水中夾雜物的上浮去除，在滿足澆注溫度的條件下，弱吹氬時間應保證在5 min以上，流量控制在15～50 L/min，保證鋼水液面不裸露，避免鋼水二次氧化。

5 機前澆注工藝優化

采用大容量中間包（30 t）進行鋼水澆注，增加鋼水在中間包內的停留時間，促進夾雜物的上浮。同時，為提高中間包內頂渣吸附夾雜物的能力，減少鋼水裸露造成的二次氧化，提高保溫效果，采用雙層覆蓋劑進行液面保護。鋼水罐開澆后，中間包容量達到一定噸數后，先加入具有良好吸附夾雜功效的堿性覆蓋劑，其Al2O3含量≥40%，一般加入量為100～150 kg。待中間包滿包后，在其上面加入炭化稻殼進行再次覆蓋，起到良好的保溫效果。根據實際情況，后續罐次不定量補加炭化稻殼，以避免鋼水裸露氧化。

6 生產效果

采用上述優化措施后，冷鐓鋼SWRCH22A的可澆性得到很大改善，絮流現象大大減少，同澆次水口使用時間由6.8 h提高到10 h，每澆次換水口次數大幅減少。統計工藝優化前后各3個月的平均換水口情況，每澆次由4～5次降至1～2次，有時甚至不用更換水口，同時，鑄坯質量得到提高。

7 結語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠針對方坯冷鐓鋼SWRCH22A澆注過程中水口絮流問題，通過穩定控制轉爐終點出鋼碳含量為0.05%～0.10%，優化轉爐脫氧合金化工藝，出鋼過程采用雙擋渣工藝控制下渣量，精煉LF爐采取一次性加鋁操作，優化機前澆注操作，冷鐓鋼SWRCH22A的可澆性得到很大改善，絮流情況大大減少，每澆次換水口的頻次由4～5次降至1～2次，有時甚至不用更換水口，不僅穩定了生產，降低了勞動強度和生產成本，同時提高了鑄坯質量。