水城钢铁集团公司（水钢）采用“100t顶底复吹转炉-LF精炼-150×150mm方坯连铸-铸坯加热-高速线材轧制”工艺生产的Φ5.5mm SWRCH22A冷镦钢用于制作螺钉、销钉等标准件。由于采用冷镦制作标准件时变形速度快、变形量大、变形很不均匀，对冷镦用钢的质量要求很高，对钢中夹杂物控制很严格，特别要求高熔点Al2O3夹杂物要少。在冶炼过程中，冷镦钢相对于高碳钢而言，钢中硫的活度系数低，不利于脱硫。因此对LF精炼渣来说，一方面要保证较好的脱硫效果满足成品钢硫含量要求，其次具有合适的熔点和粘度以利于对上浮夹杂物的同化和吸收，精炼渣宜采用CaO-Al2O3基渣系以满足脱硫和夹杂物控制要求。
此外，由于钢采用铝脱氧，为防止水口的结瘤，需要钙处理以改变Al2O3夹杂的存在形态，同时在连铸过程要防止钢水二次氧化。钙处理反应产物应按Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3方向进行。为确保夹杂物变形处理，必须控制加入钢水的钙含量，如Ca不足，则Al2O3无法转变为液态铝酸钙；Ca加入量过大，有可能生成CaS造成水口堵塞或导致洗水口，以及塞棒控流失效。
1 钢中夹杂物钙处理的相关热力学计算
1.1 [Ca]-[Al]平衡
表1为所选取的5炉SWRCH22A钢种的LF精炼终点成分。
表1 5炉SWRCH22A冷镦钢的LF精炼终点成分和氧活度
|
炉号
|
成分/%
|
氧活度α[o]/10-6
|
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Ca
|
B
|
Als
|
Alt
|
|
291-09194
|
0.18
|
0.055
|
0.85
|
0.014
|
0.006
|
-
|
0.0010
|
0.036
|
0.037
|
-
|
|
292-08862
|
0.19
|
0.044
|
0.89
|
0.013
|
0.008
|
-
|
0.0010
|
0.061
|
0.067
|
2.0
|
|
092-08863
|
0.19
|
0.058
|
0.85
|
0.012
|
0.009
|
0.0040
|
0.0010
|
0.088
|
0.096
|
2.5
|
|
092-08864
|
0.19
|
0.062
|
0.85
|
0.014
|
0.006
|
0.0040
|
0.0010
|
0.057
|
0.063
|
3.5
|
|
211-02006
|
0.20
|
0.058
|
0.85
|
0.015
|
0.007
|
0.0032
|
0.0007
|
0.011
|
0.012
|
19.0
|
|
平均值
|
0.19
|
0.0554
|
0.858
|
0.0136
|
0.0072
|
0.0037
|
0.0009
|
0.0506
|
0.055
|
6.75
|
图1为计算的1873K时[Ca]与[Al]的平衡关系曲线及实测的5炉钢中的[Ca]-[Al]值。
图1 1873K时[Ca]与[Al]的平衡关系曲线及实测的5炉钢中的[Ca]-[Al]值
从图1可以看出：
（1）所选取的5炉钢实测的LF精炼终点的[Ca]-[Al]值均在12CaO·7Al2O3平衡态附近，这说明钢中形成的钙铝酸盐夹杂大部分都是低熔点物质，即钢液的钙处理效果较好；
（2）要生成12CaO·7Al2O3低熔点夹杂，则随着[Al]的增加，[Ca]/[Al]比值逐渐减小，所以实际生产中不能在钙处理时将[Ca]/[Al]确定为一个定值作为评价钙处理效果的指标，要根据[Al]变化确定最佳比值。
实际精炼时要生成12CaO·7Al2O3低熔点夹杂，不仅钢液要满足[Ca]-[Al]平衡，同时要满足[Al]-[O]以及[Al]-[S]等的平衡。
1.2 [Al]-[O]平衡
图2 1873K时a[O]与[Al]的平衡关系曲线及实测的5炉钢中的a[O]-[Al]值
由图2可以看出，所选取的5炉钢在精炼结束时有3炉氧活度远在CaO·Al2O3平衡态之上，造成钢水中铝的严重二次氧化，生成高熔点Al2O3，导致水口堵塞。而实际生产中氧活度较高的这3炉在浇铸的时候出现了堵水口。这种LF精炼结束时氧活度过高是喂钙线时钢水沸腾剧烈的结果。
1.3 [Al]-[S]平衡
从图3可以看出，所选取的5炉钢的[S]-[Al]值主要在12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3低熔点物质对应的[S]-[Al]值之间，更接近12CaO·7Al2O3。说明在精炼结束[S]-[Al]值基本满足生成12CaO·7 Al2O3低熔点夹杂。
图3 1873K时[S]与[Al]的平衡关系曲线及实测的5炉钢中的[S]-[Al]值
1.4 [Ca]-[S]平衡
从图4可以看出，所选取5炉钢的[Ca]-[S]值基本都在1873K平衡态之下，钙含量较低，钢液中不易生成CaS夹杂物。
图4 1823~1923K [Ca]-[S]的平衡关系曲线及实测的5炉钢的[Ca]-[S]值
为了保证钙处理效果，从热力学上需要同时满足[Ca]-[Al]、[O]-[Al]、[S]-[Al]、[Ca]-[S]要求的指标，不能单纯从[Ca]/[Al]比来判断夹杂物是否处于低熔点铝酸钙区域。
1.5 氧氮分析
从表2可以看出：
表2 SWRCH22A钢不同工位点的氧氮含量
|
炉号
|
氧氮含量/10-6
|
工位点
|
|
吹氩平台
|
软吹3min
|
连铸中间包10min
|
|
212-03333
|
T[O]
|
16.25
|
14.99
|
64.17
|
|
[N]
|
13.61
|
33.30
|
50.56
|
|
213-01007
|
T[O]
|
43.99
|
24.83
|
16.66
|
|
[N]
|
16.31
|
27.96
|
33.67
|
（1）两炉钢在LF精炼过程氧含量逐渐降低，精炼结束全氧含量都在20×10-6以下，说明LF精炼过程夹杂总量控制得都比较理想。但从前面热力学分析讨论可知，钢中Al2O3夹杂控制不理想。
（2）整个LF精炼过程氮含量都逐渐升高，说明精炼过程气氛保护不好，不断吸氧。
（3）从表2可见212-03333炉软吹3min到连铸中间包10min工位之间，氧氮含量大幅增加，说明钢液在该过程二次氧化较为严重。
2 造渣制度的优化
2.1 精炼终渣成分的确定
冷镦钢对钢中夹杂物控制比较严格，特别要求高熔点Al2O3夹杂物要少，以防止冷镦过程的开裂；对精炼渣来说，一方面要保证较好的脱硫效果满足成品钢硫含量要求，其次具有合适的熔点和粘度以利于对上浮夹杂物的同化和吸收。由于钢水采用铝脱氧，炉渣中Al2O3含量较高，精炼终渣成分实际上是CaO-Al2O3基渣系，渣中较高的Al2O3和较低的SiO2对防止钢水再氧化和增硅是必要的。根据CaO-Al2O3相图，对中高碳钢，可以将CaO/Al2O3控制在1.3~1.6，炉渣在较宽的范围内具有较低的熔点，有利于平衡的夹杂物球化。对于低碳钢，由于硫的活度系数较低，相对中高碳钢脱硫困难，因此可以将CaO/Al2O3控制在1.5~1.9，这时炉渣熔点较高，可以加入少量萤石使其进入熔化区域。通过热力学计算和分析，最终取MgO为6%，SiO2＜6%，CaO/Al2O3控制在1.6~1.8，如图5所示。
图5 5炉精炼终渣在CaO-Al2O3-SiO2-6%MgO相图的位置
2.2 转炉下渣量和精炼终渣量的确定
为将目标精炼渣CaO/Al2O3控制在1.6~1.8，需对造渣制度进行优化调整。由渣料带入的CaO基本不会和钢中成分反应，而合金料带入的Ca元素相当少，也就是合金料氧化生成的CaO少，处理时忽略不计；渣料带入的Al2O3量和金属铝氧化为Al2O3后进入渣中的量可计算得到。基于CaO和Al2O3物料平衡可计算出下渣量和精炼终渣量。方程组如下：
渣料带入的CaO＝精炼终渣的CaO
渣料带入的Al2O3＋金属Al氧化进渣的Al2O3＝精炼终渣Al2O3
以SWRCH22A的292-08862炉为例，加入渣料成分和量如表3。出钢下渣成分、精炼终渣成分如表4。精炼终点钢水中全铝Alt＝0.07%。钢水量为93t。加入含铝合金如表5。
表3 LF精炼过程渣料加入量及其成分
|
渣料
|
加入量/kg
|
渣料成分/%
|
|
CaO
|
Al2O3
|
SiO2
|
MgO
|
|
精炼渣
|
500
|
51.07
|
40.87
|
3.11
|
|
|
石灰
|
700
|
83.00
|
0
|
0.89
|
|
|
铝矾土
|
80
|
0
|
80
|
|
1.42
|
|
电石
|
50
|
85.0
|
0
|
|
|
|
总计
|
1330
|
|
|
|
|
表4 转炉出钢下渣和精炼终渣成分/%
|
项目
|
CaO
|
Al2O3
|
SiO2
|
MgO
|
|
出钢下渣
|
48.55
|
1.06
|
12.05
|
3.86
|
|
精炼终渣
|
58.59
|
30.81
|
5.29
|
3.52
|
表5 LF精炼过程加入的含量合金量
|
项目
|
铝锰铁
|
铝线
|
铝粒
|
|
加入量
|
380kg
|
300m
|
80kg
|
|
铝含量
|
20%
|
100%
|
100%
|
|
纯铝量
|
380kg×20%＝76kg
|
300m×0.2kg/m＝60kg
|
80kg×100%＝80kg
|
设下渣x kg，精炼终渣y kg，根据上述方程组，
x×48.55%＋874＝y×58.59%
x×1.06%＋268＋（216－0.07%×93000）×10/54＝y×30.8
得出下渣量为640kg，精炼终渣量为2021kg。同理可求出其他炉次的下渣量和精炼终渣量，可知SWRCH22A钢的下渣量基本稳定在700kg左右，精炼终渣量稳定在2000kg左右。
2.3 造渣制度的确定
加入的合金铝被氧化进入熔渣相的Al2O3质量大致稳定，平均约为360kg。
用精炼终渣CaO/Al2O3评判造渣料计入量是否合适。将下渣量定为700kg，改变精炼渣和石灰的用量，调整精炼终渣CaO/Al2O3以达到设计目标。
计算的造渣材料加入量为精炼渣550kg，石灰650kg。此计算较粗糙，且下渣控制不稳定，加入渣量随下渣量变化影响很大，因此仅提供理论上的参考，在生产现场需根据现场实时渣成分进行相应的调整。此外，为了保证尽快成渣，发挥精炼渣在脱硫特别是吸收和同化夹杂物方面的重要作用，需进行转炉出钢加入石灰和萤石进行渣洗操作，并根据终渣Al2O3的要求在精炼炉补加石灰或精炼渣调整。
3 结论
（1）为防止水口堵塞，在精炼过程应尽量控制喂钙线时钢水剧烈翻腾，同时注意精炼结束到连铸中间包过程钢水的保护，防止二次氧化。
（2）当精炼终渣成分中MgO为6%，SiO2＜6%，并将CaO/Al2O3控制在1.6~1.8，能避免钢渣反应，减少钢中高熔点的Al2O3夹杂，并具有较强的脱硫能力。
（3）为达到所需的精炼终渣的成分，一般加入精炼渣550kg，活性石灰650kg，同时在生产现场须根据实时渣成分进行相应的调整。
摘选自《特殊钢》2016年第3期
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