08Cr2AlMo鋼生產工藝實踐

祖 衡，劉 丁，武 勇

（石家莊鋼鐵有限責任公司，河北 石家莊 050031）

石鋼近幾年逐步進入高端市場，高附加值鋼年產量逐步提高，但是受限于現場設備工裝制約及工藝不成熟，特殊鋼量產很難實現。整體實物水平更是很難滿足客戶對純凈鋼日益提升的要求標準。高鋁穿管用鋼如08Cr2AlMo鋼作為石鋼近年進入高端市場的主打產品之一。其冶煉難度在行業(yè)內眾所周知。

08Cr2AlMo鋼作為低碳低硫高鋁合金鋼的代表鋼種，它的綜合性能良好，具有高且均勻的硬度、耐硫化氫應力腐蝕開裂、高的疲勞壽命，是高端鋼管用鋼種。08Cr2AlMo鋼用作熱換管，采用冷拔拉管，經正火、退火處理，其晶粒組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8級，同時各項非金屬夾雜物要求小于1.5級，且總和小于4.0級。有害殘余元素要求：Sn≤0.015%，As≤ 0.015%，Sb≤ 0.015%，Pb≤ 0.010%，Bi≤ 0.010%，Sn+As+Sb+Pb+Bi≤0.030%；鋼材氣體要求：氧≤0.0020%；氮≤0.0080%；氫≤0.0002%；該鋼種容易出現生產過程流動性差、成分不合、表面裂紋及低倍不合等質量問題，煉鋼應合理考慮煉鋼渣系的選配，精煉成分精確控制，連鑄拉速、過熱度、水量的匹配等一系列問題。

作為低碳低硫高鋁合金鋼，由于其生產工藝復雜，質量要求苛刻，所以其實物質量水平代表著一個鋼鐵企業(yè)的質量水平。隨著高端特殊鋼質量水平的提高，我們的產品也逐漸得到了客戶的認可，但隨著市場的不景氣，客戶時常抓住質量上的把柄作為索賠的依據。質量的穩(wěn)定性已成為阻礙我公司進一步成為國內一流特鋼企業(yè)的一大難題。

為了提高石鋼公司特殊鋼的冶煉水平，縮小與先進鋼廠的差距，煉鋼廠于2018年初開始著手于對低碳低硫高鋁合金鋼生產流程的開發(fā)應用研究工作。通過對初煉、精煉工序的脫氧制度、造渣制度的研究分析，確定了可用于低碳低硫高鋁合金鋼冶煉的精煉渣合理成分范圍。使得低碳低硫高鋁合金鋼流動性以及夾雜物等質量指標穩(wěn)步提高，產生了良好的經濟效益和社會效益。

1 總體思路

（1）低碳低硫高鋁合金鋼作為合金元素特殊的鋼種，加入的鉻鐵影響鋼中的[C]含量，所以要求爐前、精煉、連鑄均采用低碳鋼操作工藝。

（2）鋁含量高，做好全過程保護尤為重要。

（3）硫含量低，需要保證爐渣脫硫能力，同時考慮過程強攪拌與冶金增碳之間的沖突，權衡利弊。

（4）低碳鋼液相線較高，后期鋼水溫度高易侵蝕耐材，做好冶煉爐內氣氛保持。

（5）精煉渣系選配合理：①轉爐出鋼加入大量鋼芯鋁，脫氧后變?yōu)槿趸X進入渣中。②充分考慮精煉前期頂渣融化能力，后期加鋁后爐渣組元的改變，保證吸附夾雜的能力。

2 技術方案

生產組織按4爐進行生產。生產組織做好事故預防，減少壓鋼時間（≤20min），安排準備工段保證自開率，嚴防燒眼造成高濃度鋁氧化惡化鋼水質量。

鋼包要求：使用正常周轉紅包，新包、中修包前2包不用，包壁、包沿不允許粘渣，包底不留殘渣；不使用前一爐冶煉“硅”含量較高鋼種的鋼包，以保證過程溫度、成分、爐渣受控。

鋼包清潔：所使用的鋼包在連鑄拉鋼結束后立刻倒渣，鋼包內不得有前一爐剩余的鋼渣和鋼水，優(yōu)選低碳鋼鋼包，必須保證鋼包清潔。

鐵水要求：鐵水中P含量≤0.100%，鐵水S≤0.030%，不符合要求不得冶煉。

精煉工序鋼水到站后操作：必須先確認爐前出完鋼后的化渣情況，若化渣不好，先適當開氬氣送電。待頂渣化清后，可采用碳化硅+硅鐵粉進行擴散脫氧，精煉爐控制過程增碳，強化脫硫。精煉后期加鋼芯鋁調Al（采用人加入鋼包內）至目標值以上。合金成分調整：微碳鉻鐵、低錳或金屬錳，后期溫度高關注渣況，杜絕過燒爐渣的形成，侵蝕渣線磚產生大量的鎂鋁尖晶石在澆鋼過程中堵塞水口。導致結晶器液面不穩(wěn)定，頻繁波動或惡性突然停機事故。

連鑄機中包下層采用高堿度覆蓋劑，上層使用微碳吸渣劑；中包全程吹氬保護杜絕氧化鋁系夾雜物的產生。

3 精煉渣成分控制技術

在進行轉爐碳含量的合理控制，初步降低鋼材料中的含氧量，在此基礎上，主要以精煉渣保持良好的還原氣氛，并利用充分的氬氣進行攪拌，在達到降低鋼材料中的氧、硫以及夾雜物含量的效果，因此，要選擇一個較為合理的精良渣系，對于鋼也的脫硫、去氧以及去除雜物都是至關重要的環(huán)節(jié)。

（1）渣中FeO含量控制。在渣-鋼反應平衡的條件下，爐渣中的FeO與鋼水中[O]有以下平衡反應：

X ：脫氧元素Al、Si等。

平衡常數K為：

則：降低渣中FeO含量有利于降低鋼中氧活度，減少鋼水二次氧化。

（2）渣中SiO2含量控制技術：在Al2O3-SiO2-CaO渣系中，化合物SiO2為最活潑化合物，為了降低渣中的SiO2，這樣有利于減少鋼在水中的二次氧化。在溫度升高時，例如溫度在1500℃時，其精煉的過程，如下反應式：

由上個化學方程式可知，所選用的碳含量較高的擴散脫氧劑，可以便于降低渣中的SiO2含量。并且，由于渣中的SiO2含量降低，從而可以使精煉渣達到所期粘度，從而可以提高精良渣的流動性。

（3）渣中Al2O3含量控制技術：根據CaO-Al2O3-SiO2化學式三元相圖，可知，其熔化的溫度會隨著煉渣中的Al2O3含量，在其一定的范圍內，可以提高而降低。當CaO、SiO2、Al2O3的煉渣中，其含量分別為50%～60%、10%～20%、30%～40%時，并會隨著煉渣中Al2O3含量而提高，煉渣中CaO和AI2O3生成熔點較低的12CaO·7Al2O3，因此，其熔化溫度約為1510℃左右。在精煉渣中，Al2O3含量的提高，可以促進化煉渣，從而實現快速造渣的目的。

由于Al2O3可以提高量化的速度，因此在精煉過程當中，電弧的埋弧加快，從而有利于溫度的上升。Al2O3具有兩性氧化物的特性，因此，對爐渣的粘度影響非常小，在操作過程中，可適當減少CaF2的用量，在使用CaO-SiO2-Al2O3渣系的冶煉過程中，還原渣具有泡沫小、疏松的特點，對鋼包表面有良好的包覆效果，對電弧有良好的包埋效果。因此，可以有效地利用電能來提高鋼液的升溫速率。在二元CaO-SiO2爐渣體系中，由于SiO2含量高，爐渣的堿度會降低，不利于脫硫的順利進行。只有增加CaO的用量，提高爐渣的堿度，才能快速脫硫，這不僅增加了冶金用石灰的用量，而且必然會降低升溫速率。

對于煉鋼過程來說，一般是依靠硫在熔渣和金屬液間的分配來實現脫硫，離子表達式如下：

平衡常數：

由上式可知，提高爐渣堿度，提高金屬液中硫的活度系數，降低金屬液中氧的活度，可以改善金屬液與溶渣的比例分布。在相同的脫氧條件下，增加渣中Al2O3含量，利于脫硫的因素有：

（1）含Al2O3高的還原渣，有反應面積大、疏松和泡沫特性，能夠增加渣中氧離子的活度。

（2）由于Al2O3的兩性特征，故能使熔渣中硫離子的活度系數降低，提高熔渣的堿度；且其含量的提高對爐渣粘度有較小的影響，因此，高Al2O3可保證還原渣有良好的流動性和高堿度。

（3）含Al2O3高的熔渣能夠使熔池的升溫速度得到提高，同時硫在溶池中的傳質系數也得到了提高，有利于提高硫在渣—鋼中的分配比。

富含Al2O3的還原渣中，含有鋁酸鈣，熔點低，對鋼液的粘附力較大，能迅速從鋼液中浮出；且鋁酸鈣被硫化鈣很好的潤濕，并一起從鋼液中浮出，保證了鋼液的潔凈度。在Ca0-SiO2-Al2O3的三元渣系中，爐渣的表面張力隨SiO2含量提高而降低，而爐渣的表面張力隨著Al2O3含量的提高而提高，從而使得爐渣吸附夾雜物的能力增強，鋼中夾雜物含量降低。

綜上所述，確定此鋼種精煉渣系為（%）：

表1 鋼種精煉渣系數

實際生產中，控制結果如下（%）：

表2 生產中的精煉控制結果

該渣系滿足精煉過程流動性良好，脫硫指數高，吸附夾雜能力強，埋弧升溫效果優(yōu)良，對耐材侵蝕強度低等優(yōu)點。

4 精煉造渣與渣系組元精確控制技術

針對08Cr2AlMo鋼特性，依據白灰活性度與有效氧化鈣成分含量，通過初煉，精煉工序的脫氧制度、造渣制度的研究分析，優(yōu)化其生產工藝，依據鋼種鋁脫氧（4Al+3O2=2Al2O3）生成的Al2O3量，計算在轉爐出鋼過程時加入的渣料成分及加入量，其目的是使生成的Al2O3與加入的渣料作用生成低熔點鋁酸鈣，即12CaO·7Al2O3。

經轉爐出鋼渣洗處理后，鋼水頂渣到精煉工位送電處理后可迅速熔化，得到了適合其鋼種的高鋁精煉渣系，進而達到提高鋼水純凈度，降低鋼材夾雜物級別的目的。

結合目標渣系，對生產工藝進行了優(yōu)化：

（1）優(yōu)化物料加入量和加入時機細化了出鋼白灰、鋼芯鋁等關鍵物料加入量和加入時機。

（2）優(yōu)化擴散脫氧、脫硫制度08Cr2AlMo鋼的冶煉過程使用高控鋁對鋼水進行脫氧，從而降低鋼水中的氧勢，精煉過程氧含量一般在10ppm～20ppm，可保證爐渣不被鋼水反氧化，且鋼渣氧化亞鐵含量一直保持在0.2%以下，結合出鋼時所加入的較大白灰量，達到了高溫、高堿度、低氧化亞鐵、大渣量的脫硫條件。

（3）強化沉淀脫氧，嚴格精煉一次調鋁要求精煉過程一次調Al至目標值以上，保證沉淀脫氧力度，和夾雜物上浮排出。

（4）保證VD真空處理和軟吹效果嚴格控制VD保真空時間和軟吹時間，優(yōu)化VD吹氬制度，采用軟吹保護技術，減少軟吹過程二次氧化，保證軟吹效果；

（5）實現過程渣樣數據采集及數據處理精煉爐冶煉第一包，取渣樣后，立即對所取渣樣進行分析，根據第一個渣樣的成分，對該澆次后幾爐出鋼白灰、鋼芯鋁加入量進行微調，從而保證了過程渣中FeO、SiO2、Al2O3等成分滿足冶煉要求，進而保證鋼水質量。

（6）采用精煉爐一次調鋁前升起電極，大氬氣高強度攪拌脫硫工藝，保證了在合適溫度下，低氧化亞鐵的鋼渣與鋼水激烈混沖反應，為中后期脫硫工作減少壓力。

（7）精煉爐用鋼芯鋁一次調整鋁含量。降低合金使用低成本，提高成分調整速度，保證鋁氧反應及時迅速，反應產物第一時間充分上浮排除鋼液，提升鋼水純凈度。

5 實施效果

按以上高鋁系精煉渣控制，并實行優(yōu)化后的工藝生產低碳低硫高鋁合金鋼，達到了預期目的，滿足了其技術要求，具體實施效果如下：

（1）精煉渣的堿度＞20，渣中的Al2O3保持在40～50，鋼中的氧、硫含量明顯降低，夾雜物級別降低。

（2）采用高堿度渣，渣中MgO含量降低，爐渣在精煉過程中通過控制吹氬壓力和吹氬溫度，不僅具有柔軟性和良好的吸收夾雜物的能力，而且大大提高了鋼水的純度，具有良好的鑄造性能，還降低了生產成本。

（3）2018年8月份生產以來，非金屬夾雜物合格率100%。

本項目的研發(fā)成功增加了公司優(yōu)質鋼的冶煉成功率，大大提高了石鋼特鋼品牌形象，對公司結構調整與產品質量升級、打開高端鋼鐵市場提供了更有利支撐。