“LF+RH”無鈣處理工藝研究及應用

周 鋼，韓闖闖，程 迪，姜麗梅，武志杰

(河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

高強度鋼在汽車工業中的應用極為廣泛。其生產過程中為了保證鋼水中的全氧含量和非金屬顯微夾雜含量在所需范圍內，在精煉過程中需要經過鈣處理[1]。鈣處理之所以能夠在精煉中得到廣泛應用，主要是向鋁脫氧鋼液中加入適量金屬鈣,把由鋁脫氧產生的高熔點脆性 Al2O3夾雜物轉變為鈣含量較高的低熔點鈣鋁酸鹽球狀復合夾雜物，這不僅有利于夾雜物的上浮去除，而且可以改善鋼水的可澆性[2]。在鈣處理工藝使鋼中以Al2O3為代表的固體夾雜物變性為低熔點的液態鈣鋁酸鹽[3]。從而改善連鑄過程中夾雜物造成的水口結瘤堵塞問題[4]。但是鈣處理過程中會產生大量的污染物。與此同時，鈣處理惡化了鋼液潔凈度[5]。對于取消鈣處理問題，安強等人[6]，研究了GCr15軸承鋼取消鈣處理后鋼種夾雜物含量及形貌，總結了軸承鋼種取消鈣處理對鋼的影響。陳長芳[7]研究了唐鋼中厚板生產工藝中取消鈣處理對鋼組織結構的影響，發現LF精煉取消鈣處理是可行的。李桂玲等人[8]研究了取消鈣處理后，高強度低合金鋼(HSLA)鋼生產過程中鋼液潔凈度水平，發現在澆筑過程中，緩解了鋼水惡化結瘤現象。本文針對含硅高強鋼，采取免鈣處理精煉工藝方案，通過對比去鈣處理后精煉渣成分變化、夾雜物衍變情況、鑄坯全氧水平以及實際澆鑄情況，驗證含硅高強鋼無鈣處理工藝的可行性。

1 試驗方案

邯寶煉鋼生產含硅高強鋼，合金元素主要有Mn、Nb、Ti、Cr等，采用LF+RH雙聯工藝和鈣處理技術。冶煉工藝流程為：轉爐→LF精煉→RH精煉→鈣處理→連鑄。

由于含硅高強鋼中的硅有一定的脫氧作用，Al2O3類固體夾雜物較無硅鋼少，且RH精煉過程具有去除鋼中夾雜物的功能，可以使鋼中夾雜保持在較低的水平，因此，含硅高強鋼無鈣處理工藝在理論上具有可行性。

某澆次高強鋼開展實驗，前4爐為DP1180，后4爐為980FG，對4爐980FG開展對比實驗。其中第5爐RH精煉結束后正常進行鈣處理，后3爐不進行鈣處理，對試驗爐次取渣樣、餅樣及氣體樣，具體取樣方案如表1。

表1 取樣方案表

生產過程主要操作要點如下：1)轉爐采用全程底吹氬模式，采用電解錳、中碳錳鐵、硅鐵、中碳鉻鐵和鋁塊進行脫氧合金化；2)LF精煉進行造白渣操作，對成分進行調整，全程微正壓操作，嚴禁采用大氣量攪拌造成鋼水增氮；3)RH純脫氣時間8 min以上，保證夾雜物有效去除；4)RH處理后不進行鈣處理操作，鋼包不開底吹氣體攪拌；5)精煉出站后靜置20分鐘吊至連鑄平臺澆鑄。

2 結果分析

2.1 精煉渣成分變化

精煉渣成分如上表所示，主要組成為SiO2-CaO-MgO-Al2O3四元渣系，不同爐次的精煉渣成分基本相似，主要成分質量分數為SiO2(10～14%)、CaO(50～57%)、MgO(5～9%)、Al2O3(25～31%)，該成分可滿足鋼液-頂渣反應的要求。

表2 精煉渣成分(%)

渣中(FeO+MnO)含量可反應渣的氧化性強弱，圖1為(FeO+MnO)含量變化趨勢，由圖可知，不同爐次RH進站氧化性略有差異，但經過LF造白渣后都在2%～3%左右，RH出站氧化性較低，均在1%以下。

為了增強頂渣對夾雜物的吸收能力，必須控制好頂渣的成分使其位于低熔點區。CaO-Al2O3-SiO2渣系1300 ℃左右的低熔點區共有三個，如圖2所示。其中Ⅱ、Ⅲ區具有較高的SiO2含量不能用于鋁脫氧鋼的精煉處理，而Ⅰ區SiO2活度較低，適宜用作精煉渣系。RH處理過程中頂渣的成分需控制在Ⅰ區附近，保證頂渣良好的流動性。

圖1 精煉渣(FeO+MnO)含量變化

圖2 CaO-Al2O3-SiO2渣系相圖

根據試驗爐次渣樣進出站化學成分作出其在CaO-Al2O3-SiO2三元渣系相圖的位置，如圖3所示。

圖3 試驗渣樣在渣系中的位置

分析可知，工藝優化前后頂渣均位于低熔點Ⅰ區附近，熔點在1300-1350 ℃范圍內，頂渣流動性較好，吸附Al2O3夾雜物能力較高。

2.2 精煉過程夾雜物變化

對RH精煉進站、鈣處理前和RH出站鋼樣，在電鏡下進行典型夾雜物分析，如下：

1)RH進站

RH進站樣中夾雜主要為大尺寸Al2O3-CaO-MgO-SiO2復合夾雜物和小顆粒Al2O3夾雜物。其中小顆粒Al2O3夾雜物主要是未上浮的一次脫氧產物，大尺寸的Al2O3-CaO-MgO-SiO2復合夾雜物成分與精煉渣成分相似，區別在于夾雜物中Al2O3含量更高，因此考慮該夾雜主要是由于精煉渣卷入，與內生的Al2O3夾雜物結合的產物。

圖4 RH進站鋼氧研究

2)鈣處理前

鈣處理前樣品中夾雜主要為小尺寸(<10 um)的球形Al2O3-CaO復合類夾雜和顆粒狀鎂鋁尖晶石類夾雜。此時，大尺寸的Al2O3-CaO-MgO-SiO2復合夾雜物隨著精煉過程的進行基本上浮至渣中，未上浮的Al2O3夾雜在精煉過程逐漸長大，伴隨著生成Al2O3-CaO復合夾雜和鎂鋁尖晶石夾雜。

圖5 鈣處理前鋼氧研究

3)RH出站

RH出站樣(鈣處理爐次)中夾雜主要為小尺寸(<10 um)的球形Al2O3-CaO復合類夾雜，顆粒狀鎂鋁尖晶石類夾雜以及鈣鋁酸鹽為主伴有氧化鎂的復合夾雜物。小尺寸球形Al2O3-CaO復合類夾雜主要是由于鈣處理過程將鋼液中的Al2O3夾雜物變性所致，鎂鋁尖晶石類夾雜以及鈣鋁鎂復合夾雜物是精煉過程鋼-渣反應生成。

通過觀察夾雜物形貌及分布可知，經過鈣處理對夾雜物變性后，鋼液中Al2O3夾雜和部分鎂鋁尖晶石類夾雜物轉變為Al2O3-CaO復合類夾雜物，鎂鋁尖晶石類夾雜物比例減少了15%左右，Al2O3-CaO復合類夾雜物比例增加了13%左右。總體來看，工藝優化前后夾雜物數量變化不大，尺寸較小，且以球狀夾雜物為主，該類夾雜物在澆鑄過程不易聚集于水口導致水口堵塞。因此，鈣處理工藝對夾雜物的變性和去除效果不明顯，工藝優化后夾雜物控制水平較好。

圖6 鈣處理前鋼氧研究

2.3 鋼液氮、氧含量分析

圖4為試驗爐次鑄坯樣氣體含量，由圖可知，鈣處理(第一爐)與未鈣處理(后三爐)兩種工藝下全氧含量基本相當，說明取消鈣處理后鋼液仍能保持較好的潔凈度。

圖7 不同爐次氣體含量

2.4 產品組織與性能對比

通過對比觀察兩種工藝下的金相組織及性能，工藝優化前后金相組織均為鐵素體+馬氏體構成，兩相比例和晶粒尺寸基本相同，工藝優化對成品的組織影響不大。從力學性能角度分析，工藝優化前后，屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率基本一致，工藝優化后產品質量控制良好。

表3 工藝優化前后性能對比

工藝優化前

工藝優化后圖8 工藝優化前后組織對比

3 結論

本文在邯鋼高強鋼冶煉采用LF+RH雙聯工藝上提出了取消鈣處理的優化技術。通過與經過鈣處理實驗對比得出以下結論：

1)工藝優化后頂渣仍位于低熔點Ⅰ區附近，熔點在1300-1350 ℃范圍內，頂渣流動性較好，吸附Al2O3夾雜物能力較高。

2)通過觀察夾雜物形貌及分布可知，工藝優化前后夾雜物數量變化不大，尺寸較小，且以球狀夾雜物為主，該類夾雜物在澆鑄過程不易聚集于水口導致水口堵塞，工藝優化后夾雜物控制水平較好。

3)工藝優化前后全氧含量基本相當，取消鈣處理后鋼液仍能保持較好的潔凈度。

4)工藝優化前后金相組織兩相比例和晶粒尺寸相同，力學性能基本一致，工藝優化后產品質量控制良好。