低能耗长浇次优质碳素结构钢45 钢生产实践

卢春光，王春锋，张俊路，樊宝华

（陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西 汉中 723000）

0 引言

优质碳素结构钢45 钢具有一定的强度、塑性和韧性，采用正火或调质处理后可获得优良的综合力学性能，在机械零件加工等行业应用极为广泛[1]。结合目前市场和用户要求，既要满足下游用户机加工质量需求，又要有利润空间。这就需要生产低成本、高品质的45 钢，对转炉终点成分、炉后硅锰复合脱氧及合金化技术、精炼炉高效率成渣分批脱氧及非金属夹杂物控制技术、连铸可浇性、连铸坯内在质量进行了研究。通过硅锰复合脱氧工艺实施、钢渣界面的扩散脱氧，降低了钢中80%的B 类夹杂数量，大幅度降低了水口处夹杂物的黏结能力，解决了小方坯铝脱氧水口可浇性差的技术难题，达到了高效率、低成本、长浇次生产，从而满足用户需求。

1 成分设计及工艺路线

45 钢冶炼连铸工艺流程：120 t 顶底复吹转炉→吹氩站→LF 精炼炉→R10 m 弧形连铸机→165 mm×165 mm 连铸坯→精整→堆冷。根据市场调研及用户需求，结合GB/T 699—2015，化学成分设计如表1 所示。

表1 45 钢化学成分内控指标

2 冶炼关键技术实践

2.1 转炉冶炼关键技术

2.1.1 稳定装入量

转炉稳定装入量在148～150 t，铁水对入量稳定控制在123～125 t，配入废钢23～25 t，保证转炉冶炼周期稳定在25 min 左右，出钢量稳定在135～138 t，以便转炉到LF 成分的精准控制，为精炼炉高效、低成本生产创造条件。

2.1.2 脱氧方式选择

由于陕钢集团产业创新研究院有限公司的小方坯采用定径水口浇铸，含Al 钢中的Als 含量与水口直径关系如图1 所示。钢中w（Als）＝0.02%，水口直径大于30 mm 不堵水口；钢中w（Als）＝0.01%，水口直径＞20 mm 不堵水口。但是公司采用的水口直径为15～16 mm，钢中w（Als）必须小于0.006%才不会堵水口，因此采用非铝脱氧生产。

图1 影响水口堵塞的因素图

2.1.3 转炉过程控制

转炉生产过程应合理控制枪位高度、供氧强度，采用低吹高拉碳、复吹工艺，保证终点w（C）在0.08%～0.18%，实现转炉低w（O）冶炼，出钢投用滑板挡渣，下渣量控制在10 kg/t 以内。出钢过程：见钢流加入碳粉60 kg 预脱氧，在出钢时间的1/4 时加入合金顺序为硅钙合金→硅锰合金，加完合金后加入精炼预熔渣200 kg/炉、石灰500 kg/炉；出钢时间≥4 min，出钢过程全程大氩气搅拌，快速混匀合金及化渣，形成流动性良好的初渣，利用出钢过程中大面积接触和钢渣强烈搅拌，起到渣洗的效果，从而促进大部分夹杂物充分上浮。

2.1.4 初炼窄控成分精细控制

稳定转炉装入量，确保出钢量的稳定性，对转炉终点碳合理控制，保证转炉初炼成分按表2 范围控制，平均进线率达到95%以上，这给高效精炼创造了条件。

表2 转炉到位成分控制要求

2.2 高效低成本精炼炉冶炼技术

2.2.1 快速成渣

转炉钢水到达LF 精炼炉工位后，精炼前期采用高电压、短弧操作，控制氩气流量在300～500 L/min，促进渣料快速熔化，加强精炼效果，提升精炼效率，降低成本及能耗，减少碳排放量。在给电过程中快速补充电石、碳化硅进行扩散脱氧，视渣况补加石灰、预熔渣，促进泡沫渣的形成，利于脱氧及夹杂物充分上浮。硅脱氧工艺石灰加入不要过量，保持碱度在2.0～3.0，吸收MgO，防止连铸絮流。精炼炉炉渣成分控制情况如表3 所示。

表3 精炼炉炉渣控制情况

2.2.2 高效脱氧

在LF 炉还原气氛和低w（O）条件下，钢包渣或MgO-C 砖中释放出Mg 形成MgO·Al2O3，堵塞水口[2]。LF 炉白渣精炼时间越长，MgO·Al2O3形成的越多，堵水口严重。硅脱氧的白渣精炼时间不应太长；LF 精炼过程中，根据渣况、还原气氛保持情况，加入碳化硅0.8 kg/t、碳粉0.2 kg/t 扩散脱氧剂，精炼白渣保持时间在12～15 min，总精炼时间控制在35～45 min，通过氩气搅拌加速钢-渣之间物质传递，利于钢液脱氧、脱硫反应。吹氩加速夹杂物上浮速度，将LF 炉3 根电极插入渣层中进行埋弧加热，辐射热小，对包衬有保护作用，热效率高[3]，浸入渣中石墨与渣中氧化物反应为：C+FeO=Fe+CO，C+MnO=Mn+CO。

上述反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高了合金回收率，生成的CO 使LF 炉内气氛更具有还原性。

2.2.3 软吹控制

软吹以渣液面蠕动、不裸露钢水为标准；软吹氩气流量控制在50～100 L/min。软吹时间控制在10～15 min，保证温度、成分均匀性及利于夹杂物充分上浮，保证钢液纯净度，满足连铸浇铸的要求。

2.2.4 成品成分精确控制

为了保证钢材批次之间质量均质化，要求精炼炉45 钢的化学成分按目标成分精准控制，将各炉次之间钢中的w（C）波动控制在0.02%以内，w（Mn）波动控制在0.03%以内，w（Si）波动控制在0.05%以内，成品内控成分及目标成分控制要求如表4 所示。

表4 成品内控成分及目标成分控制要求

2.3 连铸关键技术

2.3.1 全程保护浇铸

为防止二次氧化，全程保护浇注，连铸增w（N）≤5×10-6，中间包使用碱性包衬，中间包密封充Ar，使用碱性覆盖剂，进行黑渣面浇铸，减轻浇铸环节的二次氧化，保证钢液洁净度，利于长浇次稳定浇铸。

2.3.2 防止浇铸过程下渣

为防止浇注过程下渣，使用钢包下渣检测及控制、中间包恒重、恒液位操作，钢包自开率达到99%以上，钢包长水口要求使用带密封环的长水口，使用前应保持长水口干燥，完好无损，通过中间包车上的长水口机械手，将长水口连接到大包水口上，并压紧，接好氩封系统，大包开浇前，开通氩气，开浇前调节大包位置，保证长水口垂直对中在稳流器正上方，保证铸坯内在质量。

2.3.3 提高非稳态浇注的操作水平

应提高非稳态浇注的操作水平，由于换钢包期间浇注处于非稳态浇注过程，易产生安装水口前敞开浇注，二次氧化严重和拉速不减，中包液面下降，漩涡下渣。根据换包时间，合理控制浇铸速度，以确保换包时中间包液面高度不低于800 mm。旋转钢包回转台，吹扫长水口中的残钢，待浇钢包到浇铸位，快速安装长水口并开浇，杜绝敞开浇注，下水口与中包套管紧密接触，并增加中包套管密封垫，减少耐材气孔的吸氧量。使用中包套管吹氩，降低连接处附近空气密度，减轻二次污染钢液，提升连浇炉数。

3 工艺实践效果

3.1 成分、性能稳定控制

化学成分均匀性直接影响到钢材质量，化学成分窄精准控制是确保钢材均质化的基础条件。通过对装入量、出钢量的稳定控制，并结合合金收得率，做到了成品成分精准控制，控制情况如图2 所示，化学成分的精准控制使得钢筋性能稳定，波动较小，性能控制情况如图3 所示。

图2 成品成分精准控制情况

图3 性能控制情况

3.2 连铸连浇率明显提升

通过转炉稳定转入量、出钢量、碳氧积、炉后合金化顺序控制、快速形成初渣、成分精确控制、连铸“三恒”及下渣检测等关键工艺技术的优化实践，全钢种w（O）由前期平均55×10-6降低至22×10-6，夹杂物尺寸和数量明显降低，连浇炉数由前期13 炉次稳定到目前30 炉以上，全钢种氧含量控制情况如图4 所示，夹杂物尺寸数量密度情况如图5 所示。

图4 全氧含量对比图

图5 夹杂物尺寸数量密度图

4 结论

对转炉终点成分、炉后硅锰复合脱氧及合金化技术进行研究，同时通过精炼炉高效率成渣分批脱氧、非金属夹杂物控制技术研究，以及硅锰复合脱氧工艺实施、钢渣界面的扩散脱氧[4]，降低了钢中80%B 类夹杂数量，大幅度降低了水口处夹杂物的黏结能力，解决了小方坯铝脱氧水口可浇性差的技术难题，连浇炉数由前期13 炉次稳定到目前30 炉以上。