控制高硫中碳易切削钢的连铸水口结瘤的生产实践

丁克振，刘 珅，唐 亮，柳 军

(抚顺特殊钢股份有限公司第一炼钢厂，辽宁 抚顺 113001)

高硫中碳易切削钢SAE1141(Y40Mn)具有较好的切削性能，加工效率高，且具有较高的强度和硬度，适用于加工要求刚性高的零件，如杠、杆、齿和轴等。抚钢生产此类品种虽然可以满足用户使用，但是在钢水的可浇性上仍然存在一定问题，其连铸工艺的难点在于[1-2]钢的高氧及高硫成分条件降低了钢水的表面张力，易造成卷渣，影响钢水的纯净度；如果采用铝脱氧工艺，易切削钢在冶炼过程中会形成大量镁铝尖晶石与硫化钙复合夹杂物，引起水口结瘤，造成断浇。

1 SAE1141钢工艺流程及相关技术要求

抚顺特钢公司的生产工艺流程为：60 tEAF→60 tLF→60 tVD→4机4流大方坯弧形连铸机→24架连轧机。主要生产装备见表1。SAE1141钢化学成分、非金属夹杂物、晶粒度要求见表2和表3。

表1 主要生产装备

2 水口结瘤的分析

2.1 结瘤物存在位置的分析

连铸生产过程中中间罐水口因为结瘤而堵塞导致过钢量下降，拉坯速度迅速下降，此时使用塞棒往复的捣打、冲击水口碗部，发现捣打后拉速下降的更快，直至降为零，最终水口结瘤絮死，连铸断浇。此过程越是频繁的捣打塞棒，拉速下降越快，这说明结瘤物不仅仅在水口内壁存在，更为严重的是在水口碗部即水口的最上端位置也存在结瘤现象，如图1所示。

图1 水口碗部结瘤絮死的实物照片

2.2 水口结瘤氧化物分析

针对铝镇静、调硫品种，分析钢中铸态夹杂物成分为传统结瘤物成分，即Al2O3、CaS(形貌及成分如图2和表4所示)。铸态结构为以Al2O3、MgO为核，周围附有大量的CaS(如图3所示)，该类物质与钢中B类夹杂物成分一致，是导致水口结瘤的常见夹杂物。

图2 钢中铸态夹杂物

表4 铸态夹杂物成分 %

图3 钢中铸态夹杂物形貌

3 SAE1141钢冶炼工艺改进后的生产实践

3.1 电 炉

电炉采用优质废钢90%+生铁10%的料型结构，即减少生铁的配入量，优化配料成本；为保证电炉中的碳氧反应，冶炼供氧采用“降氧工艺”，配合“炉门、炉后喷焦工艺”，确保冶炼过程的碳氧反应效果；出钢前3 min持续喷焦，保证出钢氧含量≤300×10-6；为实现早成渣提供足够热量，保证出钢过程钢渣混冲的效果，电炉出钢温度≥1 650 ℃；控制包中脱氧剂的加入配比，采用铝锭1 kg/t，电石1 kg/t的加入量；包中预合金化采用纯碳粉增碳，使精炼到位碳含量≥0.35%，硅含量≥0.10%，锰含量≥1.35%；电炉采用留钢留渣的出钢方式，保证偏心底无渣出钢。

3.2 精 炼

3.2.1 渣系的选择

为提高炉渣对夹杂物的吸附能力，对LF炉精炼过程的渣料配比进行优化，顶渣采用400 kg石灰+200～400 kg预熔渣，过程根据实际渣况适当调整。理想渣系成分见表5。

表5 理想渣系成分 %

3.2.2 LF炉精炼过程氧含量控制

通过电炉供氧的“降氧工艺”，配合“炉门、炉后喷焦工艺”，以及包中预合金化脱氧，实现LF炉到位氧含量≤20×10-6。LF炉过程采用碳粉、碳化硅进行扩散脱氧，用量3～4 kg/t，保证脱氧剂匀加、勤加，勤蘸渣、调渣，保持白渣状态。LF炉全程不用铝粒扩散脱氧，同时取消铝线的沉淀脱氧，采用0.5 kg/t电石的加入工艺进行脱氧，实现出钢钢水中氧含量≤12×10-6。

3.2.3 LF炉终点铝成分的控制

采用上述电炉及LF炉降氧、脱氧措施，完全可以实现LF炉精炼低氧出钢，此时铝在钢中的脱氧作用极其微弱，而大量的铝添加到钢中只会增加Al2O3的生成机率，进而造成水口结瘤。为减少Al2O3作为水口结瘤的形核质点，工艺优化后低控终点铝含量，保证钢中铝含量≤0.01%，工艺改进前后终点铝含量如图4所示。

图4 工艺改进前后的终点铝的单值控制图

3.2.4 提高硫的收得率，减少硫化物的生成

工艺改进前，LF炉出钢后向渣面加入硅石造低碱度渣，通过加入硫化亚铁的方式进行调硫，该操作对渣量的掌握不稳定，易造成碱度异常波动，严重影响硫的收得率，并且低碱度渣不利于后期软吹操作炉渣吸附夹杂物。工艺改进后，在原本渣系不变的基础上，真空处理结束后，喂入硫包芯线进行调硫，硫的收得率可以达到95%以上。

3.2.5 钙处理改变夹杂物形态

由于此类钢种的硫含量较高，容易影响钙处理对钢中铝系夹杂物的变形效果[3]。真空处理前吨钢喂入1.0～1.5 m硅钙包芯线，避免调硫后大量Al2O3与CaS复合成结瘤物。为确保夹杂物的上浮，保证软吹时间30～40 min，确保夹杂物充分去除。

3.2.6 晶粒度控制

该类钢种要求晶粒度5级以上，钢中的铝可以起到细化晶粒的作用。考虑钢中高铝条件下连铸浸入水口结瘤的风险较高，生产过程中低控铝含量，放弃利用铝细化晶粒。铌是非常重要的微合金化元素之一，是控制轧制钢材晶粒度以及细化晶粒最有效的合金化元素，强化效果显著，LF炉精炼过程加入适量铌来替代铝，晶粒度可以达到7级以上。

4 效 果

工艺改进后，连浇过程的水口结瘤问题得到解决，铸坯及钢材质量均有较大幅度的提高。

(1)改进后，连铸结瘤现象消失，连铸液位稳定，对比连铸曲线照片如图5所示。

图5 改进前后连铸塞棒位置曲线

(2)结瘤问题解决后，实现拉坯速度的恒定、结晶器液位的稳定，铸坯的皮下裂纹问题得到有效控制，对比连铸坯低倍照片如图6所示。

图6 改进前后连铸坯低倍照片

(3)氧含量、非金属夹杂物及晶粒度检验结果满足标准要求，见表6和图7。

表6 检验结果

5 结 论

(1)通过控制电炉原始氧含量、优化包中预合金化、选择合适渣系成分、低控终点铝含量、铌合金细化晶粒、改进调硫方式等手段，提高了SAE1141钢种钢液的可浇性并有效控制了该钢连铸坯皮下裂纹缺陷；

(2)通过冶炼工艺的优化，氧含量、夹杂物级别及晶粒度级别均满足标准要求。