转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究
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转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究
传统特殊钢生产一般采用电炉工艺。随着炉外精炼技术的发展，目前国外大量采用转炉冶炼轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等特殊钢。如日本转炉冶炼的特殊钢己占全部特殊钢产量的75%以上。在国内，由于废钢紧缺，电价较高，采用转炉冶炼特殊钢具有更明显的成本优势，而且有利于提高产品质量。因此，近两年许多转炉钢厂开始研究采用转炉生产特殊钢的工艺技术。
本文介绍了本溪钢铁集团公司(以下简称本钢)利用转炉生产特殊钢的工艺技术，并对3年来的试验研究结果和产品质量进行分析。
1 转炉冶炼特殊钢的基本条件
本钢粗钢生产能力为500万t/a，其中转炉钢450万t/a，电炉钢50万t/a，转炉钢的主要品种为：石油管线钢、汽车用钢、结构钢、冷轧深冲板钢、压力容器钢、耐候钢、链条钢和热镀锌板钢等八大系列产品。电炉钢的主要品种为：齿轮钢、车辆轴坯钢和军工用钢等500多个钢号。
2001年末，普钢生产线经过全面的技术改造，新建了铁水预处理、炉外精炼LF/RH等设备，实现了全连铸，转炉采用顶底复合吹炼工艺和终点动态控制技术。在此基础上研究开发纯净钢生产工艺，使产品质量得到明显提高。特钢生产线的800mm×650mm大型轧机，适宜生产大规格特殊钢产品。但因废钢短缺、电价上涨等原因使电炉炼钢生产成本偏高，产品缺乏市场竞争力。因此，在普钢实现了全连铸后，利用连铸机检修时的过剩铁水，研究开发转炉冶炼特殊钢的生产技术，组织特殊钢生产，有利于发挥本钢普特结合的技术优势，降低生产成本，提高特殊钢产量。
2 试验情况与试验结果
从2002年开始进行转炉生产特殊钢的试验研究，采用转炉冶炼、模铸工艺，经过800mm/650mm轧机轧制成Φ20 mm×280mm不同规格的棒(方)型材。经过两年多的试验生产，到目前为止共计炼钢25万t，形成四大品种系列：军工钢系列以炮弹钢为主，专用钢系列以火车轴坯钢LZ50，石油钻铤4145H为主，合金钢系列以20CrMnTiH齿轮钢、42CrMo汽车前桥钢为主，优质碳结钢系列以45汽车曲轴钢为主。经用户检验，使用性能均满足用户的技术要求。利用转炉生产的特殊钢产品性能指标己超过电炉钢，如：车辆轴坯钢LZ50、压力容器钢34Mn2V和石油钻铤钢4145H等特殊用途的专用钢。炮弹钢系列9260钢种经国家经贸委、兵器工业总公司鉴定验收。LZ50钢的生产工艺及产品经铁科院辽宁省科技厅、辽宁省经贸委鉴定验收，正式投入大批量生产；在齿轮用钢生产方面，己成为全国该类钢的主要生产基地。转炉生产特殊钢的成本也在大幅度降低，按2002年度废钢、电、矿石等大宗原料成本价格计算，转炉生产特殊钢比电炉生产成本降低280元/t，试验的情况见表1，试验中研究开发的新钢种如下。
表1 试验生产情况
年份
生产
炉数
合格钢水量/t
合格钢锭量/t
生产
品种/个
特殊钢
品种/个
成分
合格率/%
成材率/%
2002
750
104 990.900
99 103.038
23
16
99.73
84.69
2003
699
95 733.424
91 869.386
26
18
99.81
83.56
2004
(1~10月)
429
60 461.384
56 730.550
13
10
100
84.92
军工钢：9260、D60、58SiMn、35CrMnSiA、823、40Mn2Si。专用钢：20CrMnTiH(0-5)、LZ50、LZ40、45(曲轴用)、42CrMoA、GCr15。合金钢：20CrH、40Cr、40Mn2、P20、34Mn2V、12Mn2VB。优质碳结钢：20 、35、45H、Q235B、Q235D、Q235DT、55、50Mn。
3 转炉生产特殊钢工艺
3.1 工艺流程
和普钢相比，特殊钢要求保证钢材的综合力学性能，因此，要求对钢水实现窄成分控制，以提高钢材的淬透性能。提高钢水洁净度，严格控制钢中气体含量，以保证钢材具有较高的强度和疲劳性能。根据本钢的具体条件，为满足特殊钢的质量要求，决定采用以下工艺路线：高炉铁水→铁水脱硫预处理→复吹转炉冶炼→炉外精炼(LF/RH)→模铸→800mm/650mm轧机轧制成材。
3.2 铁水预处理
铁水全部进行脱硫预处理，处理后的[S]含量按钢种[S]含量的控制要求确定。通常，对于RH真空处理的钢种，铁水预处理后、(w[S])≤0.005%；经LF处理的钢种，铁水预处理后w([S])60.01%即可满足工艺要求。
3.3 复吹转炉炼钢
(1)造渣制度：正常采用单渣法不留渣操作，特殊要求[P]低的钢种有时也采用双渣法冶炼。
(2)供氧制度：氧枪工作压力设定在0.8~0.9MPa，供氧流量设定为33000~35000m3/h。
(3)温度制度：终点降温时可根据情况使用不同冷却剂。降温值大于10℃时采用铁矿石或海绵铁降温值小于10℃时采用冶金渣或粒钢。
(4)脱氧合金化制度：
①采用硅铝钡锶钙复合脱氧剂脱氧，如果包中单合金元素的质量分数大于1%时，要求对合金加热(不高于300℃)。
②合金加入顺序为硅铝钡锶钙→硅锰→硅铁→高锰→中锰→钼铁→铬铁→钛铁。
③合金加入时间为合金总量少于2t时，从出钢1/4开始至1/2加完；合金总量大于2t时，从出钢1/5开始至4/5加完。
④兑氧合金化制度要依据钢种合金量的不同而确定，当总量超过3t时，有时合金化要在转炉内进行，在出钢过程中进行调整。 (5)终点控制：根据钢种含[C]的不同，采用拉碳法和增碳法两种工艺。
3.4 炉外精炼
(1)LF-IR处理工艺，可生产w([S])≤10×10-6的超低硫钢。成分控制精度可保证w([C]) 偏差±0.01%，w([Si])偏差±0. 01%.w([Mn])偏差±0.02%，温度偏差±5℃，LF-IR的操作工艺如下。
温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋0~25℃(根据精炼处理不同目的确定)；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。
合金化制度：合金化要在炉渣基本转白后进行。合金化时尽量争取一次合金化成功。
喂线制度：丝线种类有铝丝、硅钙丝和碳丝。喂丝期间，根据透气砖情况采用弱搅拌，吹氩强度以钢水不裸露为准。喂丝结束后继续搅拌3~5min.
(2)RH-IB真空脱气工艺，适宜生产超纯净钢，钢水纯净度可达到钢中气体w([H])≤1.5×10-6，w([O])≤25×10-6，w([N])≤50×10-6。生产特殊钢时RH-TB的操作工艺如下。
温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋20~40℃(根据精炼处理不同目的确定；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。
升温制度：升温不允许大于30℃，升温氧铝比控制在0.8~1。
处理周期：普特结合钢种RH处理周期越短越好，时间控制在30~50min。
合金化制度：在处理结束前5min，合金化必须结束，并保证净吹氩时间大于5min。合金化必须一次完成。
3.5 模铸
3.5.1 选择锭型
根据生产特殊钢产品的技术条件和成材规格要求，设计确定了3.16t方形锭和4.8t知形锭两种锭形，其中除炮弹钢、铁路轴坯钢和石油钻铤钢等有压缩比要求和大规格(大于200mm)的钢种采用4.8t锭型外，其余钢种均采用3.16t锭型。
3.5.2 温度制度
浇注温度按下式确定：
浇注温度＝液相线温度1536－∑(i×wB)＋过热度(40~60℃)
其中∑(i×wB)为各元素对液相线温度的影响之和；i为各元素每1%质量分数的温降；wB为各元素的质量分数。
根据普特结合生产的特点：如浇注底盘多、浇注时间长、钢包温降慢(0.3~0.8℃/min)和满足钢种质量要求，一般钢种过热度选择为50℃，对少Si、Mn质量分数高，流动性好的钢种选择为40℃，低碳、粘稠钢种选择为60℃，浇注温度范围控制为±5℃。
3.5.3 浇注速度
浇注速度的控制根据不同锭型的浇注质量及帽口补缩要求，分锭型进行控制。
3.16t锭：锭身浇5min以上，帽口浇4min以上；
4.8t锭：锭身浇8min以上，帽口浇7min以上。 3.5.4 氩气保护
对于气体含量有特殊要求的钢种，为防止钢水浇注过程中的二次氧化和吸气，在浇注时采取简易有效的氩气保护，保护形式为钢流逆向方式吹氩。
4 产品质量
转炉试制特殊钢品种共计26个，表2列出了具有代表性的钢种成品材的质量检测结果。
表2 转炉特殊钢成品材的力学性能、低倍组织及夹杂物情况
钢号
检验炉次
力学性能
夹杂物
低倍组织
合格炉数
合格率/%
合格炉数
合格率/%
合格炉数
合格率/%
9260
22
22
100
21
95.24
20
90.91
35CrMnSiA
6
6
100
6
100
6
100
LZ50
5
4
80.00
5
100
5
100
20CrMnTiH
20
18
90.00
20
100
20
100
42CrMoA
31
30
96.77
23
74.19
30
96.77
转炉生产与电炉生产相比较，具有以下质量优势：组批量大(转炉150t/炉，电炉40t/炉)，降低用户检验成本；钢质纯净，除了由于全铁法和处理工艺降低[S]、[P」外，全铁法还使得不能用氧化法除掉的有害元素(Pb、As、Sn、Sb、Bi)非常低；气体含量低，电弧炉炼钢时易电离空气中的[H]和[N]，使钢中[H]和[N]气体含量比转炉高。表2中，9260钢低倍组织合格率偏低是由于开始试制时，铸锭温度偏高所致；LZ50钢力学性能合格率偏低是试制时碳含量控制在中上限，使得塑性(δ5、φ)低，现在己将碳含量控制在中下限，合格率己提高到95%以上；20CrMnTiH
