提升電弧爐冶煉45 號圓鋼鑄坯質量的工藝優化研究

王熙辰

（河鋼張宣科技金屬材料公司，河北 張家口 075100）

0 引言

45 號圓鋼是一種非常優秀的鋼材，具有高強度、高硬度和高耐磨性等特點，多用于制造工程部件，包括橋梁、船只、工程機械與農業機械等，是一種常見的工程材料。張宣科技特鋼公司為了提升45 號圓鋼鑄坯質量，通過電弧爐冶煉45 號圓鋼工藝優化、LF 工藝優化以及連鑄工藝優化，并達到了預期目標，對其他品種鋼的生產具有積極的借鑒意義。

交流電弧爐是現代鋼鐵、銅加工等行業常用的熔煉設備，其工作原理是通過三相交流電產生的高頻電弧對原料進行加熱和熔化，從而獲得所需的金屬液體。為提高交流電弧爐的熔煉效率和金屬液體質量，需要進行一系列的優化。電弧爐還能二次利用廢鋼中的合金元素，精準把控溫度。電弧爐冶煉45 號圓鋼的短流程為：電爐→LF 爐→連鑄機[1]。對電弧爐冶煉工藝進行優化，可以提高熔煉效率、減少能源消耗，促進現代電弧爐逐步向智能化與信息化方向發展。

1 電弧爐冶煉工藝優化

1.1 操作工藝優化

電弧爐冶煉一般冶煉流程為：裝料→起弧、穿井期加熱（火焰）→主熔化期助熔→氧化期脫碳→出鋼。對45 號圓鋼電弧爐冶煉操作工藝進行優化，進料方式除第一爐為料籃廢鋼加料外，正常爐次為康斯迪廢鋼連續加料，裝料要求規范使用廢鋼，合理搭配廢鋼種類。通過規范合金廢鋼制度，提高廢鋼質量。

正常冶煉爐次，康斯迪連續加料平熔池冶煉時，因水冷、爐壁也暴露，更應關注起弧期電壓級數檔位。泡沫渣未形成前，弧光裸露，要低電壓、短弧操作，以減少電弧對爐壁及爐蓋的熱輻射，提高電能利用率。

氧槍不同模式流量設定值如表1 所示，爐壁氧槍供氧模式分7 檔，流量為1 800 m3/h。隨著冶煉時間增加，將氧槍調到8 檔模式，此時，要以3 500 m3/h大流量升溫和脫碳為主，送電10～15 min 后，分批加入石灰2 000～3 000 kg/爐，補加適量白灰，以提高堿度，有利于早期埋弧。加速石灰熔化，提高前期渣堿度，泡沫渣溢出時機最好能控制在冶煉中期為宜，可以保證快速脫磷，有利于渣鐵盡早分離，減少爐渣溢出帶鐵，降低鋼鐵料消耗。放渣時，如果爐渣氧化性強，可增加噴碳量，并加適量白灰稠渣。兼顧脫磷效果及冶煉過程埋弧操作，泡沫化程度最高的最佳泡沫渣堿度R=2.0、w（TFeO）=20%[2]。

表1 氧槍不同模式流量設定值

相關物料要求如表2 所示，物料質量是電弧爐煉鋼工藝優化的保證，優質的物料能夠提高反應效率，從而提升冶煉效率。

表2 物料要求

1.2 脫磷脫碳工藝優化

脫磷反應是界面反應，脫磷反應方程如下：

標準狀態下，自由能變化為：

其中：

將（3）式代入（2）式，得：

因此，脫P 反映的自由能變化為：

根據熱力學原理，脫磷熱力學條件要求較低溫度在高堿度、高氧化性的條件下進行，排出較大渣量。脫磷的動力學條件要求有良好的流動性爐渣，通過集束氧槍吹氧氣充分熔池攪拌。過低的溫度同樣抑制脫P反應的進行，因此，分批次爐內噴碳、石灰造渣脫磷是爐內脫磷的方法，每批次500～1 000 kg。造渣以去除磷硫、減少噴濺、保護爐襯和減少終點鋼水氧含量為目的。造渣重點是適合的造渣方式、造渣料總類、造渣料的重量和時刻以及加快成渣的措施[3]，增加爐渣氧化性與流動性，造泡沫渣。

脫碳也是電弧爐冶煉的關鍵步驟，促進電弧爐脫碳反應從留鋼留渣、爐料搭配、埋弧效果、供電檔位和氧槍流量等方面調整。利用KT 氧碳槍同時吹氧與噴碳，形成泡沫渣長弧冶煉工藝。因熔池碳源不足，噴碳量必須足夠大，預計不低于15 kg/t。利用“富氧、噴碳、長弧”聯合操作，達到最優效果。流渣操作以正常冶煉爐次爐門不流渣、滿而不溢為最佳。在后期需要排渣時，噴碳造泡沫渣，將爐渣從爐門排出，降低渣中氧化鐵含量，增加金屬收得率。

1.3 留鋼留渣優化

電弧爐冶煉45 號圓鋼留鋼留渣量是關鍵。留鋼留渣量適當大一些，有利于連續生產，下爐冶煉時更容易形成有一定深度的熔池。電弧爐出鋼后，在留鋼和留渣中，氧含量比較高。增加留鋼量和留渣量，對于早期脫除廢鋼爐料內影響脫碳反應進行的元素比較有利，也可以促進吹氧效率，增加脫碳反應速度。

合理搭配爐料，減少碳、硅、錳含量高的廢鋼量，能有效縮短耗氧量，減少脫碳時間[4]。

脫碳反應開始以后，根據具體埋弧效果，調整供電檔位，盡可能多利用化學反應升溫。在熔池溫度接近或者已經達到出鋼溫度時，脫碳反應仍然沒有結束，應合理調小供電檔位，電弧的沖擊作用可以增加熔池內部鋼液的運動，促進脫碳反應的進行。當爐渣粘稠泡沫化程度低時，還應降低供電檔位，降低升溫速度，從而降低碳氧反應速度。縮短弧長，避免弧光外露。

配加部分含有氧化鐵的原料，如加入自備料（渣鋼、爐墻爐蓋黏鋼），能有效降低鋼鐵料消耗，加快脫碳速度。負面影響是影響了熔池的升溫和電耗。

調整好爐渣的堿度[5]。爐渣堿度在2.0～3.0 之間，能增加氧氣利用率，加快熔池內化學反應，特別有利于脫碳反應的進行，優化脫碳操作。

保持合理的爐型結構。合理的爐型結構，對于鋼液的循環運動和氧氣破碎鋼渣界面的能力都很有利。

加快成渣速度。冶煉開始，加大集束氧槍檔位，可以快速熔化廢鋼，加快成渣速度和脫碳速度。脫碳反應產生CO 氣泡，起循環攪拌作用，可以均勻鋼液成分、溫度。CO 氣泡易于去除N2、H2等，易于非金屬夾雜物上浮，可以使爐渣形成泡沫渣。

1.4 終點C 與出鋼溫度優化

電弧爐冶煉45 號圓鋼的工藝優點在于對終點成分的控制把控，即控制目標鋼水終點溫度與控制目標成分，尤其是對鋼水含碳量的把控[6]。電弧爐終點C分布情況如圖1 所示，終點w（C）主要分布在0.02%～0.06%，可以根據鋼種要求加入增碳劑。通過了解爐內情況，發現異常情況及時調整，電弧爐能準確把控終點C 含量，可以調至相應鋼種的C 含量要求。

圖1 電弧爐終點C 分布情況

冶煉過程中控制溫度與成分均勻性把控，出鋼總的來說是保溫過程。4 支氧槍集束按一定角度對鋼液按環流方式進行攪拌。考慮到出鋼到澆注過程中溫度有損耗，以及投鋼包時間和烘烤情況，冶煉45 號圓鋼開機爐次的鋼包使用臥烤，烘烤溫度達到900 ℃以上，冶煉45 號圓鋼用鋼包必須將殘渣倒盡，確保鋼包清潔。對出鋼溫度進行調整，45 號圓鋼液相線為1 495 ℃。出鋼溫度應比鋼種液相線多出100～140 ℃[7]。出鋼溫度在1 595～1 635 ℃。

2 LF 工藝優化

2.1 LF 爐造白渣工藝優化

冶煉45 號圓鋼造白渣是LF 爐工藝重點，精煉良好的埋弧效果、良好的還原性、降低率燒損，是造精煉白渣和穩定鋼水中鋁的前提條件。LF 精煉爐造白渣工藝優化具體要求如下：

改善白渣質量：通過調整造渣材料的比例和加入順序，改善白渣的質量，以增加LF 精煉爐的生產效率和產品質量。

增加白渣覆蓋面積：通過增加造渣材料的比例和加入量，增加白渣的覆蓋面積，以提升LF 精煉爐產品質量。

優化造渣時間：通過合理安排造渣時間，提高LF精煉爐的生產效率和產品質量。

強化白渣穩定性：通過添加適量的穩定劑或其他措施，強化白渣的穩定性，以減少LF 精煉爐的生產成本和能源消耗。

2.2 脫氧工藝優化

LF 爐脫氧是一種LF 爐工藝，向LF 爐內加造渣劑達到脫氧目的。造渣劑一般選用CaO 或活性石灰，以便實現高堿度白渣，保證渣中CaO 質量分數或Al2O3質量分數不低于30%。在LF 爐精煉過程中，通過吹氬，在不同階段使用不同的流量進行攪拌，使鋼水充分脫氧，保證脫氧產物上浮，操作容易、脫氧效果好。吹氬制度如圖2 所示。

圖2 吹氬制度示意圖

具體操作步驟：將LF 爐加熱到適當溫度，一般高于鋼種所要求的脫氧溫度。向LF 爐內加入造渣劑，同時加入少量熔劑，以便降低爐渣堿度。吹氬攪拌，讓鋼水脫氧，靜置一段時間，等待脫氧產物上浮。

檢測鋼水中的氧含量，根據定氧量符合要求，確定精煉周期與效果。該工藝可通過調節造渣劑和熔劑的加入量、吹氬攪拌時間和精煉溫度等參數來控制脫氧效果。

2.3 LF 爐控鋁工藝

LF 爐控鋁工藝是一種用于鋁合金精煉和凈化的熔劑處理方法，通常使用CaF2或CaO 作為熔劑，并加入一定量的氧化鋁。該工藝通過在鋁合金熔體中形成Al2O3夾雜，去除鋁合金中的雜質和氣體，提高其力學性能和耐腐蝕性能。

操作時，需要控制好加熱速度、熔劑處理時間和溫度等參數，以確保鋁合金的精煉和凈化效果，并避免對鋁合金的化學成分和力學性能產生不良影響。保證底吹強度和一次供電時間，確保渣充分熔化，做好白渣保持工作，冶煉圓鋼將渣中氧化鐵控制在1%以下。造泡沫渣埋弧，防止吸氮及二次氧化。對過程黏渣進行渣況監測，及時調整渣料量及脫氧劑用量。

向鋼水中加入硅鈣線。硅鈣線是一種由硅和鈣混合而成的線材，具有良好的深脫氧性能。將其加入鋼水中后，硅鈣線會與鋼水中的氧氣發生反應，生成CO2和硅氧化物。這些硅氧化物會成為鋼水中夾雜物的核心，促進鋁氧化物的聚集和上浮。在加入硅鈣線后，控制Al 的含量，需要適當地攪拌鋼水，促進反應的進行。同時，可以使鋼水中的夾雜物更加均勻地分布在鋼水中，提高脫氧效果。

3 連鑄工藝優化

冶煉45 號圓鋼連鑄工藝優化，充分做好前期準備工作，采用直徑24 mm 中包上水口，結晶器加專用保護渣，采用浸入式水口。開澆中間包液面正常后，加覆蓋劑，再加碳化稻殼保溫，長水口澆流處不能有鋼水翻動，正常澆鑄中包液面高度≥700 mm。保持恒拉速、采用電磁攪拌，優化結晶器液面控制。采用PLC自動控制技術，實時監測結晶器內鋼水液面，遇到異常波動，改為手動，確保澆鑄液面平穩、波動小，提高鑄坯質量。關注中包溫度，過熱度控制在25～40 ℃。關注澆鑄周期，避免中包低液面澆鑄。對連鑄過程過熱度、拉矯壓力和液面等參數進行實時監測和控制，第一時間獲取鑄坯實時工藝參數，保證生產過程的穩定性，保證產品質量。新開澆的連鑄坯頭部和澆注末期的尾部應有足夠的切除長度，以保證連鑄坯沒有縮孔，換水口鑄坯及時甩廢。加強工藝設備維護，定期維護大包長水口機械手、緩慢開關大包水口滑板，避免水口翻鋼或鋼液裸澆。通過連鑄工藝優化，提升45 號圓鋼鑄坯質量。

4 45 號圓鋼鑄坯質量提升效果

取鑄坯進行低倍組織檢驗，如圖3 所示，中心疏松0.5 級，組織相對均勻、比較致密。通過一系列優化措施，45 號圓鋼質量有了很大提升，45 號圓鋼鑄坯低倍組織合格率達到了預期目的，對其他品種鋼生產具有積極的借鑒意義。

圖3 45 號圓鋼低倍組織

5 結語

為了改善45 號圓鋼鑄坯質量，根據工藝流程，針對工藝數據進行類比分析，提出解決辦法。對電弧爐進行冶煉操作、脫磷、脫碳、留鋼留渣、冶煉終點C 與出鋼溫度工藝優化，對LF 爐進行造白渣、保鋁工藝和LF 爐鈣處理技術優化，同時，進行連鑄工藝優化，鑄坯質量顯著提升，取得了較好的效果，具有借鑒作用。