60tEAF-LF-VD-CC流程冶煉低硅20MnCr5(S)的工藝實踐

安 杰,柳 軍,戰東平

(1.撫順特殊鋼股份有限公司 總工辦,遼寧 撫順 113001; 2.撫順特殊鋼股份有限公司 第一煉鋼廠,遼寧 撫順 113001;3.東北大學 材料與冶金學院, 遼寧 沈陽 110819)

20MnCr5屬于Mn-Cr系合金結構鋼,是我國引進的德國高標準齒輪鋼,具有潔凈度高、良好且穩定的淬透性等特點,是目前應用最為廣泛的齒輪鋼之一[1-3]。撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠主要生產各類汽車鋼,其中低硅20MnCr5(S)是產量最大的鋼種之一,用于制造乘用車的傳動齒輪、齒輪軸等零部件,要求具備優良的抗疲勞性能,必須嚴格控制鋼的潔凈度。成分設計上由于其低硅且含硫的特點,在生產中易出現成分控制超標和連鑄水口結瘤的問題。所以,本文旨在通過優化冶煉工藝,保證低硅20MnCr5(S)生產順行和產品質量。

1 低硅20MnCr5(S)基本冶煉信息

1.1 化學成分及生產工藝流程

低硅20MnCr5(S)是撫順特鋼產量最大的汽車齒輪鋼之一,其化學成分要求見表1。

表1 低硅20MnCr5(S)鋼的化學成分 %

某鋼廠生產低硅20MnCr5(S)的工藝流程為:EAF→LF→VD→CC。生產工藝參數見表2。

表2 低硅20MnCr5(S)生產工藝參數

1.2 工藝技術難點

為了減少晶間氧化,20MnCr5鋼在成分設計上將硅含量下調至w(Si)≤0.12%,這無疑大幅增加了冶煉操作的難度,需要從電弧爐開始至精煉結束預防鋼液大量增硅超出標準要求。成分中硅含量低導致冶煉過程中,一方面電弧爐爐后預脫氧的脫氧劑使用受限,影響精煉初期的預脫氧效果,進而導致鋼液氧含量偏高,低硅20MnCr5與普通20MnCr5(w(Si)=0.20%～0.30%)LF爐進站檢測氧含量結果對比,見圖1。另一方面加大冶煉還原全程的鋁錠、鋁線和鋁粒等鋁質材料消耗,見表3。還原期鋼液中的殘余鋁含量在逐漸降低,還需要通過補喂鋁線進行合金化操作。無論是Al錠、Al粒直接參與脫氧反應,還是精煉過程中鋼液的殘余鋁被氧化損失,均會生成脫氧產物三氧化二鋁,即為夾雜物的根源[4-7],致使低硅20MnCr5(S)鋼在連鑄時更容易發生水口結瘤現象。所以說,低硅20MnCr5(S)冶煉工藝控制難點,包括:①成分Si含量控制難度大,易出現超標問題;②潔凈度指標氧含量和夾雜物控制難度大。

圖1 LF爐進站氧含量對比

表3 冶煉還原全程鋁質材料消耗 kg/t

2 工藝控制及技術措施

2.1 電弧爐冶煉工藝

某特鋼廠是1999年從德國福克斯公司引進的60 t交流豎井式電弧爐,采用2次裝鐵(1次旋爐蓋+1次豎井加料)的全廢鋼熔煉技術生產汽車齒輪鋼。為保證電弧爐熔煉穩定性,入爐原材料方面,首先需要解決廢鋼各種料型相互摻雜堆放的問題,嚴格進行廢鋼分選,各種料型分區域堆放[8-9],論證出合理的配料結構之后固定配料方式,有助于實現爐與爐之間熔煉操作的一致性。電弧爐的首要任務是鋼液脫磷,由于撫順特鋼生產品種的特殊性,對于高檔次汽車齒輪鋼要求電弧爐出鋼w(P)≤0.010%,甚至更低。通過使用優質廢鋼配料,使鎳、鉬、銅、鉛、錫、銻、鉍、砷等電弧爐無法氧化去除的雜質元素降至標準要求。另外,配料中的硫元素也應盡量低控,配入硫含量一般在0.040%～0.050%,也可通過使用優質廢鋼降至0.030%以下。

電弧爐還需要為后續精煉創造良好的初始條件,如溫度、預脫氧、造渣、防增硅、脫硫等等。針對硅含量控制方面,電弧爐爐渣中含有大量二氧化硅,出鋼過程下渣,經鋁錠預脫氧之后將硅元素還原進入鋼液中,會導致精煉初期硅含量偏高甚至直接超標,同時電弧爐出鋼下渣也對鋼液的潔凈度產生極度惡略的影響,不利于精煉操作和生產順行。通過增大留鋼量、縮小出鋼口直徑等方法解決了出鋼過程鋼渣隨鋼液混出的問題。從鋼液潔凈度角度考慮,電弧爐熔煉過程應通過降低供氧強度、提高噴粉造泡沫渣等措施,緩解電弧爐終點的鋼液氧化性,這一點與后續夾雜物控制以及連鑄水口結瘤控制直接相關。

生產實踐中,既要控制鋼液硅含量,又要兼顧降低氧含量和去除夾雜物,工藝要求爐后預脫氧之后鋼液中要含有一定量的碳和硅,LF爐進站目標成分控制w(C)=0.10%～0.14%、w(Si)=0.04%～0.05%。爐后加入石灰6～7kg/t+預熔渣4～5kg/t造渣、鋁錠0.5～0.6kg/t+電石0.8～1.0kg/t+硅錳合金2.0～2.5kg/t等材料進行預脫氧操作。

2.2 精煉工藝

因低硅20MnCr5(S)鋼本身鋁含量0.015%～0.040%的特點,精煉期采用鋁脫氧工藝,造鈣鋁渣系。精煉爐渣設計目標成分與實際控制結果,見表4。

表4 精煉爐渣成分控制 %

石灰和預熔渣在電弧爐爐后混沖加入一次成渣,LF爐到站鋼液面頂渣即為流動性良好的白渣,后續精煉不再加入造渣材料。LF爐出鋼硫含量能夠反映出精煉鋼液的脫氧程度,工藝要求LF爐出鋼w(S)≤0.008%。精煉鈣鋁渣系本身脫硫能力較弱,為達到LF爐出鋼w(S)≤0.008%的工藝要求,需從降低電弧爐配料硫含量和保證爐后預脫氧時的脫硫率兩方面入手,為LF爐脫硫創造良好的初始條件。LF爐精煉過程一旦出現硫含量偏高的問題,補加石灰脫硫操作會改變頂渣成分,渣中氧化鈣含量增加,使精煉渣堿度增加,促進易被爐渣捕獲的Al-O或Al-Mg-O型夾雜物向不易與爐渣熔合的Al-Mg-Ca-O型夾雜物轉變,極不利于鋼液潔凈度控制。

電弧爐爐后至精煉過程采用弱鋁脫氧工藝,LF爐進站后按Al0.04%喂入鋁線,即為整個冶煉過程鋼液鋁含量最高點,后續精煉過程除VD真空處理后微調鋁含量外,不再進行Al合金化操作。精煉過程鋼液鋁含量控制偏高極易引起連鑄水口結瘤,嚴重時會導致水口堵死,影響生產順行。

LF爐精煉過程使用碳化硅和鋁粒按4∶1的比例進行擴散脫氧。LF爐采取合理的擴散脫氧操作,保持良好的還原氣氛、白渣狀態和爐渣流動性,能夠提高脫氧和去除夾雜物效果。

LF爐出鋼鋼液成分控制要求w(C)=0.17%～0.18%、w(Si)=0.08%～0.10%、w(S)≤0.008%、w(Al)=0.025%～0.030%。

VD真空處理過程渣鋼得到充分攪拌混沖,爐渣進入鋼液中。VD之后的軟吹工藝是爐渣與夾雜物集中上浮的最有效措施,生產上在喂入硫線和鋁線最終完成合金化操作之后,必須保證20 min以上的軟吹操作,方能達到夾雜物充分上浮去除的效果[10]。

2.3 方坯連鑄

特鋼廠1999年從意大利達涅利公司引進了四機四流方坯連鑄機。低硅20MnCr5(S)鋼使用240 mm×240 mm和200 mm×200 mm兩個斷面規格,過熱度控制25～35 ℃。為保證連鑄穩定性,工藝要求控制恒定拉速澆鑄,澆鑄速度見表5。

表5 連鑄拉速控制 m/min

另外,為避免連鑄過程鋼液被二次氧化,連鑄生產時必須采取全封閉式氬氣保護澆注方式,尤其是大包與長水口連接處、中包內等關鍵部位。

2.4 工藝實施效果

經過上述冶煉工藝的優化與實踐,最終成品成分控制滿足標準要求,并穩定控制冶煉過程的氧含量,同時徹底解決了連鑄水口結瘤問題,連澆爐數增加至8連澆,見表6、圖2和圖3。

圖2 冶煉過程氧含量變化趨勢

圖3 連鑄塞棒曲線

表6 低硅20MnCr5(S)鋼的成品成分 %

3 檢驗結果

低硅20MnCr5(S)鋼連鑄坯經軋制成棒材后,檢測氧含量結果(10～12)×10-6。棒材檢測B類夾雜物控制水平,見表7。氧含量和夾雜物檢驗均達到了預期結果。

表7 B類夾雜物控制水平

4 結 語

撫順特鋼第一煉鋼廠采用EAF-LF-VD-CC流程生產低硅20MnCr5(S)汽車齒輪鋼,通過廢鋼各種料型分區域堆放、降低電弧爐出鋼鋼液氧化性、解決電弧爐出鋼下渣、優化爐后和LF爐精煉期脫氧方式、精煉采用鈣鋁渣系、各工序精準控制成分等等一系列措施,成功控制鋼液硅含量滿足標準要求,解決了連鑄結瘤問題,同時氧含量和夾雜物兩個潔凈度指標得到改進。最終形成了一套完備的短流程冶煉低硅20MnCr5(S)汽車齒輪鋼生產工藝。