預(yù)應(yīng)力鋼棒用30MnSi控氧技術(shù)研究與應(yīng)用

供稿|苑衛(wèi)科 / YUAN Wei-ke

預(yù)應(yīng)力鋼棒用30MnSi控氧技術(shù)研究與應(yīng)用

Research and Application of Oxygen Control Technology by 30MnSi for Pre-Stress Steel Bar

供稿|苑衛(wèi)科 / YUAN Wei-ke

作者單位：河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，河北 邯鄲 056015

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對邯鋼一煉鋼廠小方坯連鑄機(jī)澆注30MnSi結(jié)晶器液面波動幅度大，塞棒上漲造成30MnSi連拉爐數(shù)低被迫停澆的問題，提出控制精煉鋼水出站氧含量，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐脫氧工藝、精煉成分微調(diào)和精煉控氧技術(shù)研究，并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。采取控氧工藝后，精煉出站氧含量控制在(15±2)×10-6，連鑄機(jī)澆注30MnSi時結(jié)晶器液面穩(wěn)定，連拉爐數(shù)提高到12爐以上，成功解決了30MnSi因結(jié)晶器液面波動幅度大，塞棒上漲造成停澆的問題。

預(yù)應(yīng)力鋼棒(簡稱PC棒)是制造預(yù)應(yīng)力混凝土PHC管樁的重要材料[1]，管樁鋼筋要求必須具有良好的機(jī)械性能，目前國內(nèi)比較普遍的是30MnSi熱軋盤條。應(yīng)市場用戶需求，邯鋼一煉鋼廠自開發(fā)生產(chǎn)30MnSi以來，出現(xiàn)過小方坯連鑄機(jī)澆注30MnSi結(jié)晶器液面波動幅度大，鋼水流動性差，塞棒上漲，造成30MnSi連拉爐數(shù)低，被迫停澆的問題。經(jīng)過對30MnSi脫氧工藝進(jìn)行優(yōu)化，提出控制精煉鋼水出站自由氧氧含量，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐脫氧工藝、精煉成分微調(diào)和精煉控氧技術(shù)研究與應(yīng)用，成功解決了結(jié)晶器液面波動大、連拉爐數(shù)低的問題，產(chǎn)品批量生產(chǎn)投放市場后，經(jīng)用戶使用反饋，該鋼性能良好，沒有出現(xiàn)延遲斷裂等問題，較好地滿足管樁鋼筋生產(chǎn)和不同用戶的需求。

生產(chǎn)概況及存在問題

工藝設(shè)備概況

邯鋼一煉鋼廠擁有1座鐵水倒罐站，3套鐵水預(yù)處理設(shè)施，3座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，2座120 t LF精煉爐，1座120 t RH真空精煉爐，2臺八機(jī)八流方坯連鑄機(jī)和1臺異型坯連鑄機(jī)等設(shè)備，年設(shè)計能力310萬t。鋼包吹氬，中間包保護(hù)澆注，結(jié)晶器液面自動控制技術(shù)，結(jié)晶器電磁攪拌，斷面150 mm× 150 mm，熱送高線軋制。

生產(chǎn)工藝流程

煉鋼生產(chǎn)工藝流程：鐵水倒罐站→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→方坯連鑄機(jī)→鑄坯熱送。成分設(shè)計見表1。

存在問題

2012年8月下旬到9月中旬，小方坯連鑄機(jī)澆注30MnSi連續(xù)4個澆次，因為結(jié)晶器液面波動幅度大，鋼水流動性差塞棒上漲，造成30MnSi被迫停澆、連拉爐數(shù)低的問題，通過對轉(zhuǎn)爐、精煉過程脫氧工藝分析，認(rèn)為可能是精煉鋼水出站自由氧含量低，在連鑄澆注時由于氧位低對保護(hù)澆注要求較高，造成鋼水二次吸氧引起結(jié)晶器液面波動；另一個原因可能是合金含鋁量較高，鋼水二次氧化形成Al2O3夾雜，堵塞水口使塞棒上漲。

表1　化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

影響因素分析

冶煉終點對氧含量的影響

轉(zhuǎn)爐終點碳含量越低，終點氧位就越高，在冶煉30MnSi時，轉(zhuǎn)爐終點碳實際控制范圍0.046%~ 0.097%，終點氧位0.0247%~0.0998%。

化學(xué)成分對氧含量的影響

從上表2可以看出，精煉進(jìn)站碳、硅、錳含量波動范圍較大，主要是轉(zhuǎn)爐終點碳含量低，氧位較高，轉(zhuǎn)爐出鋼1/4時采用硅錳鐵、硅鐵、增碳劑脫氧合金化，合金化脫氧加入順序為增碳劑、硅錳鐵、硅鐵，因此增碳劑、合金加入量大而且吸收率不穩(wěn)定。

精煉進(jìn)站溫度影響

從表3來看，進(jìn)站溫度越低，精煉時間相應(yīng)延長，降電極加熱時間就越長。隨著精煉過程溫度的升高，精煉白渣保持的時間就越長，鋼水氧位越來越低趨近于平衡。

精煉終渣堿度影響

表2　精煉進(jìn)站成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表3　進(jìn)站溫度

從圖1可以看出，精煉頂渣堿度對氧含量的影響隨著堿度的增加，鋼水氧含量越低。精煉頂渣堿度越高，渣中氧化物含量越低。根據(jù)渣氧近似平衡得知鋼水氧化性越低(FeO+MnO＜1)。對于30MnSi而言，夾雜物主要是SiO2、MgO、Al2O3等復(fù)合夾雜物，實踐證明，當(dāng)精煉終渣堿度較高(R＞2.5)時，渣中SiO2就越高說明越有利于吸附夾雜，氧含量越低。冶煉30MnSi時使用的鋼包全鎂碳磚修砌，精煉加熱時在電弧光輻射下，鋼包襯耐材受到侵蝕進(jìn)入鋼液中MgO、Al2O3等夾雜，通過控制精煉頂渣的堿度及流動性，提高頂渣的吸附夾雜能力。精煉頂渣堿度越高渣中MgO含量越低，說明鋼包內(nèi)襯磚侵蝕的程度就越小。

圖1　精煉渣堿度對氧含量的影響

精煉出站氧含量

精煉在出站前10 min，調(diào)小氬氣流量進(jìn)行軟吹，采用喂入鈣線處理改變Al2O3的性狀，形成低熔點液態(tài)的12CaO·7Al2O3，在凈吹條件下有利于夾雜物上浮被頂渣吸附，可以有效改善鋼水的可澆性，防止中間包水口堵塞，同時促進(jìn)條形的MnS向球狀的CaS轉(zhuǎn)變。鈣處理后定氧操作，鋼水中自由氧含量在3.5×10-6~13.5×10-6之間波動，如圖2所示。

圖2　精煉出站氧含量

化學(xué)成分與質(zhì)量的關(guān)系

C、Mn、Si是提高預(yù)應(yīng)力鋼棒質(zhì)量和性能的主要成分因素，其含量增加能提高奧氏體穩(wěn)定性，降低臨界冷卻速度，提高淬透性。C含量的增加在提高淬透性的同時，大幅度降低鋼材塑性和焊接性，Mn，Si含量增加使30MnSi調(diào)質(zhì)熱處理(淬火+回火)過程中組織分解轉(zhuǎn)變速度減慢，提高心部的硬度，減少心部與表面的硬度差，對鋼棒的后期加工使用有利，同時增加回火抗力，提高回火穩(wěn)定性，隨回火溫度升高而使強(qiáng)度、硬度下降的程度減弱；Si與Mn相比，Mn的淬透性和提高強(qiáng)度、回火穩(wěn)定性的能力又較Si好，與高碳鋼相似，30MnSi存在一定程度的碳偏析，在連鑄坯冷卻過程中，由于結(jié)晶器或者二冷段末端的電磁攪拌不能正常使用，引起連鑄凝固時產(chǎn)生嚴(yán)重的微區(qū)Si、Mn偏析，或者由于液面波動引起鑄坯坯殼卷渣。因此C含量適中，Mn、Si含量較高的盤條，可以得到良好的綜合性能。

通過以上原因分析，筆者認(rèn)為精煉鋼水出站自由氧含量低是造成結(jié)晶器液面波動幅度大的主要原因。

優(yōu)化措施

轉(zhuǎn)爐工序

◆ 轉(zhuǎn)爐終點控制

C含量在0.08%~0.15%，P含量≤0.011%。堿度R≥3.5。

從化學(xué)成分對質(zhì)量的影響來看，要求轉(zhuǎn)爐進(jìn)站成分滿足表4要求。

表4　轉(zhuǎn)爐進(jìn)站成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 　%

◆ 脫氧合金化

合金加入順序為增碳劑、硅錳鐵、硅鐵。硅鐵使用低鋁硅鐵(含鋁量≤0.1%)，降低合金含鋁量，避免鋼水脫氧形成Al2O3內(nèi)生夾雜，降低鋼水氧位。低鋁硅鐵成分見表5。

表5　低鋁硅鐵成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 　%

進(jìn)站溫度要求大于1560 ℃，雙擋渣出鋼，不允許下渣。

精煉工序

鋼水進(jìn)站破開渣面后，降電極加入造渣料化渣，進(jìn)站定氧。

白灰用量900~1200 kg/爐，螢石用量200~400 kg/爐(白灰6~8 kg/t鋼，螢石1.5~3.0 kg/t鋼)，白渣精煉不使用硅鐵粉、碳化硅等脫氧劑，精煉前25 min完成白渣精煉，精煉后期留氧操作。

精煉過程全部小氣量吹氬(裸眼小于300 mm)，調(diào)碳、調(diào)合金適當(dāng)調(diào)大氬氣流量，嚴(yán)禁大吹、暴吹。

出站溫度：第一爐1610~1615 ℃，連拉1565~ 1575 ℃，鈣前定氧，鈣后6 min定氧，鈣前溫度連拉1575~1580 ℃，凈吹要求：先加保溫劑，然后保持渣面“黑面”操作，凈吹時嚴(yán)禁裸露鋼液面，凈吹時間大于15 min。

連鑄工序

結(jié)晶器保護(hù)渣烘烤。

連鑄采用全程保護(hù)澆注，鋼包長水口采用氬封保護(hù)，每爐更換纖維密封圈。中間包包蓋密封嚴(yán)實，中間包及塞棒烘烤時間240 min，水口烘烤時間150 min。中間包鋼水液面采用普通覆蓋劑，上層加碳化稻殼，開澆前測溫孔、塞棒孔用纖維毯密封，大包開澆前2 min中包用氬氣驅(qū)趕中包空氣。

結(jié)晶器振動采用非正弦方式，選用中高碳保護(hù)渣，二冷選用弱冷冷卻方式。

中間包第一爐開澆溫度：1540~1550 ℃；連澆過程中的適宜溫度為：1520~1535 ℃，采用恒拉速控制2.0 m/min，最高拉速不大于2.2 m/min。

正常起步后，啟用結(jié)晶器電磁攪拌，電流350 A，頻率3 HZ。正常澆注過程中，中間包鋼水液面不低于600 mm；澆次最后一爐中包剩鋼厚度不低于300 mm。

生產(chǎn)實踐

經(jīng)過對30MnSi脫氧工藝進(jìn)行優(yōu)化，控制精煉鋼水出站自由氧氧含量后，成功解決了結(jié)晶器液面波動大連拉爐數(shù)低的問題，實現(xiàn)連澆爐數(shù)12爐以上，連續(xù)4個月無生產(chǎn)質(zhì)量事故，產(chǎn)品批量生產(chǎn)投放市場后，經(jīng)用戶使用反饋，該鋼性能良好，沒有出現(xiàn)延遲斷裂等問題，較好地滿足管樁鋼筋生產(chǎn)和不同用戶的需求。采取精煉控氧技術(shù)后，精煉終渣堿度和出站自由氧含量對比分析如表6、表7。

表6　精煉終渣堿度

表7　工藝優(yōu)化前后自由氧含量對比

結(jié)語

通過分析，采取了一系列控氧工藝技術(shù)優(yōu)化措施，成功解決了結(jié)晶器液面波動大連拉爐數(shù)低的問題，出站鋼水自由氧含量控制在(15±2)×10-6，連鑄機(jī)澆注時結(jié)晶器液面穩(wěn)定，得出以下結(jié)論。

(1) 精煉終渣堿度控制在2.0≤R≤2.7時，頂渣對夾雜物的吸附能力較好。

(2) 進(jìn)站成分穩(wěn)定在±0.05%，碳、硅控制在中下限、錳控制在中限，有利于精煉控氧操作。

(3) 使用含鋁量低的低鋁硅鐵，能有效降低鋼水中合金帶鋁量，避免鋼水脫氧形成Al2O3內(nèi)生夾雜，降低鋼水氧位。

(4) 合理控制鈣線為入量，對Al2O3夾雜變形處理，出站鋼水自由氧含量控制在(15±2)×10-6，澆注30MnSi時結(jié)晶器液面穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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[2] 馬志軍, 周桂蘭, 鄧保全, 等. 預(yù)應(yīng)力鋼棒用30MnSi盤條滯后斷裂分析. 金屬制品, 2007, 33(3): 36

[3] 常金寶. 非金屬夾雜物對30MnSi鋼延遲斷裂的影響. 河北冶金, 2012 (9): 48

作者簡介：苑衛(wèi)科(1969—)，男，煉鋼高級工程師，學(xué)士學(xué)位，1996年7月畢業(yè)于河北理工學(xué)院，河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司第一煉鋼廠，主要從事生產(chǎn)工藝管理工作。

DOI:10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.13