方坯冷镦钢SWRCH22A优化生产实践

王成青，孙振宇，梁祥远，郭猛，王华东，那廷权

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

含Al冷镦钢是冷顶锻成型工艺生产互换性较高的标准件和变形量较大的异形冷镦件材料，主要用于制造自攻螺钉、内六角、法兰面螺栓、加厚或超薄螺母等各类紧固件，使用领域相当广泛，因此，对含Al冷镦钢性能要求十分严格，要求塑性和表面质量好，冷顶锻性能好，夹杂物含量低［1］，而钢水中夹杂物的成分和数量均严重影响钢水的可浇性和钢材的质量［2］。鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂（以下简称“二分厂”）有3台小方坯连铸机，生产的主要品种有冷镦钢、螺纹钢和高碳钢等，其中，冷镦钢以含Al冷镦钢SWRCH22A为主，平均月产量约3万t。实际生产过程中，浸入式水口外挂砣配重安装以保证其水口碗部与中间包定径水口接触处的密封效果，由于该钢种含Al，经常会出现浸入式水口絮流的现象，不仅增加换水口的频次，影响生产的顺行，还加大了劳动强度，对生产成本和铸坯质量都产生不利影响。二分厂通过采取优化转炉冶炼工艺，优化LF精炼造白渣工艺等措施，减少了钢水浇注过程中的絮流现象，稳定控制了钢中的Al2O3夹杂物，提高了钢水洁净度。本文对此作以介绍。

1 炼钢工艺流程及装备

冷镦钢SWRCH22A炼钢工艺流程为：铁水预处理→90 t转炉冶炼→LF炉精炼→铸机。冷镦钢SWRCH22A标准成分见表1，转炉及铸机工艺装备参数见表2。

表1 冷镦钢SWRCH22A标准成分（质量分数）Table 1 Standard Compositions in SWRCH22A Cold Heading Steel（Mass Fraction） %

表2 转炉及铸机工艺装备参数Table 2 Equipment Parameters of Converter and Caster

2 水口絮流的原因分析

含铝冷镦钢在连铸生产时常常会出现浸入式水口絮流堵塞的问题，实物照片如图1所示，主要是Al2O3絮流物。产生的主要原因是该类钢种采用铝脱氧，铝与钢中的氧反应生成Al2O3夹杂物，精炼工序处理结束后，钢中Al2O3夹杂物未充分有效上浮，钙处理工艺不彻底，随钢水进入到中间包内。在浇注过程中，钢水中的部分Al2O3夹杂物不断在浸入式水口碗部聚集，造成钢水通道堵塞。当絮流物聚集到一定程度，通道会被堵死，被迫更换水口或是造成事故停浇。

图1 浸入式水口絮流物实物照片Fig.1 Photo of Flocculent Flow Occurred at Submerged Entry Nozzle

3 转炉冶炼工艺优化

3.1 转炉终点控制

转炉终点的控制对整罐钢水的成分控制、钢水的氧化性、后续精炼LF炉处理的难度和钢水的可浇性起到重要作用。转炉终点控制的关键是P、S的控制，P和S为钢中有害元素，会对钢造成热脆和冷脆现象，所以必须控制在标准范围内且尽可能低。为了保证冷镦钢较低的P、S含量，二分厂采用铁水预处理工艺，合理控制入炉铁水的硫含量，保证转炉冶炼终点硫含量低于0.025%。转炉冶炼过程中，采用高-低-高的操作枪位，加强转炉前期的化渣操作，强化前期脱磷效果，终点温度控制在1 635～1 665℃之间，确保冶炼终点P含量低于0.015%。合适的碳含量能够降低钢水中的氧含量，减少脱氧合金消耗，因此严格控制转炉终点碳含量，提高一拉命中率，要求转炉终点碳含量为0.05%～0.10%。图2为优化后转炉出钢碳含量分布情况，出钢碳含量基本处于0.05%～0.10%。

图2 优化后转炉出钢碳含量分布情况Fig.2 Distribution State of Content of Carbon in Molten Steel Smelted by Converter during Tapping after Optimization

出钢过程中采用双挡渣工艺，出钢前在出钢口加入挡渣塞，出钢末期加入挡渣标，直至钢水出完，以尽可能减少出钢下渣。生产实践得出，仅使用挡渣标渣层厚度平均为93.2 mm，双挡渣工艺就能够控制出钢后的渣层厚度平均达到68.5 mm。

3.2 转炉合金化工艺

转炉出钢过程中，需要加入铝、硅、锰等合金进行脱氧合金化操作，加入的铝、硅等脱氧剂与钢水中的氧结合，产生“原始”的铝夹杂物和硅夹杂物，这类夹杂物可在后续工序中采用各种冶金手段最大限度的去除。二分厂在冷镦钢SWRCH22A开发之初，转炉出钢过程中加入的脱氧剂为铝锰铁，由于转炉终点控制水平的差异，且没有副枪进行定氧操作，不仅钢水中氧含量偏差大，而且无法准确计算出脱氧剂的耗量。图3为优化前钢水罐内Als含量分布情况，由图3看出，Als含量控制很不稳定，甚至出现未测到Als的情况，取出的样品带有气孔等缺陷，无法进行化学分析，影响了LF炉精炼前期的加铝合金化操作，不便于铝系夹杂物的控制。

图3 优化前钢水罐内Als含量分布情况Fig.3 Distribution State of Content of Als in Ladle before Optimization

针对上述情况，优化了转炉合金化工艺，主要采用硅锰合金进行弱脱氧 （将铝系合金转移至精炼工序加入），加入量为2.0～2.4 kg/t钢。如果钢水罐内锰含量不足，补加中碳锰铁或高碳锰铁，确保成分达到内控要求。转炉出钢过程中，随同合金加入一定量的小粒白灰，一般为2～3 kg/t，利用钢水流的冲击搅拌作用，实现精炼初渣的快速形成，为LF炉快速造渣提供有利条件。

4 LF炉精炼工艺优化

4.1 精炼造白渣工艺

造精炼白渣是LF炉精炼工艺的重点，也是稳定钢水中Als含量的前提条件。白渣是一种碱度较高的动态渣，冷却后呈白色，氧化铁含量＜1%，氧化钙含量约60%。精炼造白渣的目的是降低顶渣氧化性，减少渣中氧向钢中传递，避免与钢中Al反应生成Al2O3夹杂，同时，良好的白渣可以有效脱除钢中的硫，吸附钢中夹杂物。

LF 炉造白渣要求“快”、“白”、“稳”。“快”就是要在较短时间内形成白渣。由于LF炉处理周期有限，白渣形成越早，精炼时间越长，精炼效果越好；“白”就是渣中FeO含量小于1.0%，形成具有较强精炼能力的还原渣；“稳”有两层含义，一是各炉次之间炉渣成分稳定且接近，二是同一炉次形成白渣后，渣中的FeO含量一直保持在1%以下，提高精炼效果［3］。在实际生产过程中，为保证炉渣快速形成，钢水进站后，根据钢水罐内渣层厚度、钢水初始硫含量及初始温度等情况，向罐内加入小粒白灰 5～10 kg/t，每批次≤500 kg，萤石或铝矾土 1～2 kg/t，同时加入脱氧合金化用铝粒，大氩气搅拌一定时间确保渣料融化后，进行电极升温操作。首次升温结束后，以400～500 L/min的大氩气量搅拌钢水，搅拌时间大于5 min。利用氧气管粘渣样观察其颜色是否发白，确定造白渣效果。优化后各工序渣中FeO含量见图4。由图4看出，随着各工序的进行，渣中FeO含量逐渐降低。

图4 优化后各工序渣中FeO含量Fig.4 FeO Content in Slag in Different Procedures after Optimization

4.2 进站加铝工艺

铝粒能够快速脱除渣中的氧，降低渣中的不稳定氧化物，使精炼渣中的ω（FeO%+MnO%）很快低于1.0%。采用一次性加铝操作主要形成珊瑚状Al2O3簇，这些簇状物很容易上浮进入到顶渣中，只有少量滞留在钢液中，可很大程度上减少浇钢过程中的絮流发生。因此，在实际生产过程中，当钢水进站吹氩起翻后，会随着初期渣料加入的同时，一次性配加一定量的脱氧合金铝。加铝量取决于转炉实际出钢C含量、点吹情况、罐内S含量、进站渣厚及状态、Als含量控制目标等因素，一般为1.5～2.0 kg/t。如果罐内渣层较厚，超过100 mm且发泡，转炉出钢碳含量偏低，小于0.05%，考虑到脱硫改质等的烧损，控制Als在成品标准的上限+0.01%时，则加铝量按上限加入，即2.0 kg/t，否则加入1.5 kg/t。图5为优化后LF搬出和成品Als含量的控制情况，从图5看出，搬出Als含量均值可以稳定控制在0.038%左右，成品Als含量均值为0.036%，Als含量基本满足精炼处理工艺的需要，能够满足钢种要求。

图5 优化后LF搬出和成品Als含量的控制情况Fig.5 Controlled State of Als Content Removed in LF and Finished Products after Optimization

4.3 钙处理及净吹氩工艺

精炼处理结束，钢水成分和温度达到要求后，对钢水进行钙处理，合理控制LF搬出钙含量为0.001 5%～0.004 5%，以获得理想的钙饱和量，既保证钢水的可浇性，同时减轻钢水对塞棒的冲刷。为促进钢水中夹杂物的上浮去除，在满足浇注温度的条件下，弱吹氩时间应保证在5 min以上，流量控制在15～50 L/min，保证钢水液面不裸露，避免钢水二次氧化。

5 机前浇注工艺优化

采用大容量中间包（30 t）进行钢水浇注，增加钢水在中间包内的停留时间，促进夹杂物的上浮。同时，为提高中间包内顶渣吸附夹杂物的能力，减少钢水裸露造成的二次氧化，提高保温效果，采用双层覆盖剂进行液面保护。钢水罐开浇后，中间包容量达到一定吨数后，先加入具有良好吸附夹杂功效的碱性覆盖剂，其Al2O3含量≥40%，一般加入量为100～150 kg。待中间包满包后，在其上面加入炭化稻壳进行再次覆盖，起到良好的保温效果。根据实际情况，后续罐次不定量补加炭化稻壳，以避免钢水裸露氧化。

6 生产效果

采用上述优化措施后，冷镦钢SWRCH22A的可浇性得到很大改善，絮流现象大大减少，同浇次水口使用时间由6.8 h提高到10 h，每浇次换水口次数大幅减少。统计工艺优化前后各3个月的平均换水口情况，每浇次由4～5次降至1～2次，有时甚至不用更换水口，同时，铸坯质量得到提高。

7 结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂针对方坯冷镦钢SWRCH22A浇注过程中水口絮流问题，通过稳定控制转炉终点出钢碳含量为0.05%～0.10%，优化转炉脱氧合金化工艺，出钢过程采用双挡渣工艺控制下渣量，精炼LF炉采取一次性加铝操作，优化机前浇注操作，冷镦钢SWRCH22A的可浇性得到很大改善，絮流情况大大减少，每浇次换水口的频次由4～5次降至1～2次，有时甚至不用更换水口，不仅稳定了生产，降低了劳动强度和生产成本，同时提高了铸坯质量。