王熙辰

（河鋼張宣科技金屬材料公司，河北 張家口 075100）

0 引言

45 號(hào)圓鋼是一種非常優(yōu)秀的鋼材，具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性等特點(diǎn)，多用于制造工程部件，包括橋梁、船只、工程機(jī)械與農(nóng)業(yè)機(jī)械等，是一種常見的工程材料。張宣科技特鋼公司為了提升45 號(hào)圓鋼鑄坯質(zhì)量，通過(guò)電弧爐冶煉45 號(hào)圓鋼工藝優(yōu)化、LF 工藝優(yōu)化以及連鑄工藝優(yōu)化，并達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)其他品種鋼的生產(chǎn)具有積極的借鑒意義。

交流電弧爐是現(xiàn)代鋼鐵、銅加工等行業(yè)常用的熔煉設(shè)備，其工作原理是通過(guò)三相交流電產(chǎn)生的高頻電弧對(duì)原料進(jìn)行加熱和熔化，從而獲得所需的金屬液體。為提高交流電弧爐的熔煉效率和金屬液體質(zhì)量，需要進(jìn)行一系列的優(yōu)化。電弧爐還能二次利用廢鋼中的合金元素，精準(zhǔn)把控溫度。電弧爐冶煉45 號(hào)圓鋼的短流程為：電爐→LF 爐→連鑄機(jī)[1]。對(duì)電弧爐冶煉工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以提高熔煉效率、減少能源消耗，促進(jìn)現(xiàn)代電弧爐逐步向智能化與信息化方向發(fā)展。

1 電弧爐冶煉工藝優(yōu)化

1.1 操作工藝優(yōu)化

電弧爐冶煉一般冶煉流程為：裝料→起弧、穿井期加熱（火焰）→主熔化期助熔→氧化期脫碳→出鋼。對(duì)45 號(hào)圓鋼電弧爐冶煉操作工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)料方式除第一爐為料籃廢鋼加料外，正常爐次為康斯迪廢鋼連續(xù)加料，裝料要求規(guī)范使用廢鋼，合理搭配廢鋼種類。通過(guò)規(guī)范合金廢鋼制度，提高廢鋼質(zhì)量。

正常冶煉爐次，康斯迪連續(xù)加料平熔池冶煉時(shí)，因水冷、爐壁也暴露，更應(yīng)關(guān)注起弧期電壓級(jí)數(shù)檔位。泡沫渣未形成前，弧光裸露，要低電壓、短弧操作，以減少電弧對(duì)爐壁及爐蓋的熱輻射，提高電能利用率。

氧槍不同模式流量設(shè)定值如表1 所示，爐壁氧槍供氧模式分7 檔，流量為1 800 m3/h。隨著冶煉時(shí)間增加，將氧槍調(diào)到8 檔模式，此時(shí)，要以3 500 m3/h大流量升溫和脫碳為主，送電10～15 min 后，分批加入石灰2 000～3 000 kg/爐，補(bǔ)加適量白灰，以提高堿度，有利于早期埋弧。加速石灰熔化，提高前期渣堿度，泡沫渣溢出時(shí)機(jī)最好能控制在冶煉中期為宜，可以保證快速脫磷，有利于渣鐵盡早分離，減少爐渣溢出帶鐵，降低鋼鐵料消耗。放渣時(shí)，如果爐渣氧化性強(qiáng)，可增加噴碳量，并加適量白灰稠渣。兼顧脫磷效果及冶煉過(guò)程埋弧操作，泡沫化程度最高的最佳泡沫渣堿度R=2.0、w（TFeO）=20%[2]。

表1 氧槍不同模式流量設(shè)定值

相關(guān)物料要求如表2 所示，物料質(zhì)量是電弧爐煉鋼工藝優(yōu)化的保證，優(yōu)質(zhì)的物料能夠提高反應(yīng)效率，從而提升冶煉效率。

表2 物料要求

1.2 脫磷脫碳工藝優(yōu)化

脫磷反應(yīng)是界面反應(yīng)，脫磷反應(yīng)方程如下：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，自由能變化為：

其中：

將（3）式代入（2）式，得：

因此，脫P(yáng) 反映的自由能變化為：

根據(jù)熱力學(xué)原理，脫磷熱力學(xué)條件要求較低溫度在高堿度、高氧化性的條件下進(jìn)行，排出較大渣量。脫磷的動(dòng)力學(xué)條件要求有良好的流動(dòng)性爐渣，通過(guò)集束氧槍吹氧氣充分熔池?cái)嚢?。過(guò)低的溫度同樣抑制脫P(yáng)反應(yīng)的進(jìn)行，因此，分批次爐內(nèi)噴碳、石灰造渣脫磷是爐內(nèi)脫磷的方法，每批次500～1 000 kg。造渣以去除磷硫、減少噴濺、保護(hù)爐襯和減少終點(diǎn)鋼水氧含量為目的。造渣重點(diǎn)是適合的造渣方式、造渣料總類、造渣料的重量和時(shí)刻以及加快成渣的措施[3]，增加爐渣氧化性與流動(dòng)性，造泡沫渣。

脫碳也是電弧爐冶煉的關(guān)鍵步驟，促進(jìn)電弧爐脫碳反應(yīng)從留鋼留渣、爐料搭配、埋弧效果、供電檔位和氧槍流量等方面調(diào)整。利用KT 氧碳槍同時(shí)吹氧與噴碳，形成泡沫渣長(zhǎng)弧冶煉工藝。因熔池碳源不足，噴碳量必須足夠大，預(yù)計(jì)不低于15 kg/t。利用“富氧、噴碳、長(zhǎng)弧”聯(lián)合操作，達(dá)到最優(yōu)效果。流渣操作以正常冶煉爐次爐門不流渣、滿而不溢為最佳。在后期需要排渣時(shí)，噴碳造泡沫渣，將爐渣從爐門排出，降低渣中氧化鐵含量，增加金屬收得率。

1.3 留鋼留渣優(yōu)化

電弧爐冶煉45 號(hào)圓鋼留鋼留渣量是關(guān)鍵。留鋼留渣量適當(dāng)大一些，有利于連續(xù)生產(chǎn)，下爐冶煉時(shí)更容易形成有一定深度的熔池。電弧爐出鋼后，在留鋼和留渣中，氧含量比較高。增加留鋼量和留渣量，對(duì)于早期脫除廢鋼爐料內(nèi)影響脫碳反應(yīng)進(jìn)行的元素比較有利，也可以促進(jìn)吹氧效率，增加脫碳反應(yīng)速度。

合理搭配爐料，減少碳、硅、錳含量高的廢鋼量，能有效縮短耗氧量，減少脫碳時(shí)間[4]。

脫碳反應(yīng)開始以后，根據(jù)具體埋弧效果，調(diào)整供電檔位，盡可能多利用化學(xué)反應(yīng)升溫。在熔池溫度接近或者已經(jīng)達(dá)到出鋼溫度時(shí)，脫碳反應(yīng)仍然沒有結(jié)束，應(yīng)合理調(diào)小供電檔位，電弧的沖擊作用可以增加熔池內(nèi)部鋼液的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)脫碳反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)爐渣粘稠泡沫化程度低時(shí)，還應(yīng)降低供電檔位，降低升溫速度，從而降低碳氧反應(yīng)速度?？s短弧長(zhǎng)，避免弧光外露。

配加部分含有氧化鐵的原料，如加入自備料（渣鋼、爐墻爐蓋黏鋼），能有效降低鋼鐵料消耗，加快脫碳速度。負(fù)面影響是影響了熔池的升溫和電耗。

調(diào)整好爐渣的堿度[5]。爐渣堿度在2.0～3.0 之間，能增加氧氣利用率，加快熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，特別有利于脫碳反應(yīng)的進(jìn)行，優(yōu)化脫碳操作。

保持合理的爐型結(jié)構(gòu)。合理的爐型結(jié)構(gòu)，對(duì)于鋼液的循環(huán)運(yùn)動(dòng)和氧氣破碎鋼渣界面的能力都很有利。

加快成渣速度。冶煉開始，加大集束氧槍檔位，可以快速熔化廢鋼，加快成渣速度和脫碳速度。脫碳反應(yīng)產(chǎn)生CO 氣泡，起循環(huán)攪拌作用，可以均勻鋼液成分、溫度。CO 氣泡易于去除N2、H2等，易于非金屬夾雜物上浮，可以使?fàn)t渣形成泡沫渣。

1.4 終點(diǎn)C 與出鋼溫度優(yōu)化

電弧爐冶煉45 號(hào)圓鋼的工藝優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)終點(diǎn)成分的控制把控，即控制目標(biāo)鋼水終點(diǎn)溫度與控制目標(biāo)成分，尤其是對(duì)鋼水含碳量的把控[6]。電弧爐終點(diǎn)C分布情況如圖1 所示，終點(diǎn)w（C）主要分布在0.02%～0.06%，可以根據(jù)鋼種要求加入增碳劑。通過(guò)了解爐內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)調(diào)整，電弧爐能準(zhǔn)確把控終點(diǎn)C 含量，可以調(diào)至相應(yīng)鋼種的C 含量要求。

圖1 電弧爐終點(diǎn)C 分布情況

冶煉過(guò)程中控制溫度與成分均勻性把控，出鋼總的來(lái)說(shuō)是保溫過(guò)程。4 支氧槍集束按一定角度對(duì)鋼液按環(huán)流方式進(jìn)行攪拌?？紤]到出鋼到澆注過(guò)程中溫度有損耗，以及投鋼包時(shí)間和烘烤情況，冶煉45 號(hào)圓鋼開機(jī)爐次的鋼包使用臥烤，烘烤溫度達(dá)到900 ℃以上，冶煉45 號(hào)圓鋼用鋼包必須將殘?jiān)贡M，確保鋼包清潔。對(duì)出鋼溫度進(jìn)行調(diào)整，45 號(hào)圓鋼液相線為1 495 ℃。出鋼溫度應(yīng)比鋼種液相線多出100～140 ℃[7]。出鋼溫度在1 595～1 635 ℃。

2 LF 工藝優(yōu)化

2.1 LF 爐造白渣工藝優(yōu)化

冶煉45 號(hào)圓鋼造白渣是LF 爐工藝重點(diǎn)，精煉良好的埋弧效果、良好的還原性、降低率燒損，是造精煉白渣和穩(wěn)定鋼水中鋁的前提條件。LF 精煉爐造白渣工藝優(yōu)化具體要求如下：

改善白渣質(zhì)量：通過(guò)調(diào)整造渣材料的比例和加入順序，改善白渣的質(zhì)量，以增加LF 精煉爐的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

增加白渣覆蓋面積：通過(guò)增加造渣材料的比例和加入量，增加白渣的覆蓋面積，以提升LF 精煉爐產(chǎn)品質(zhì)量。

優(yōu)化造渣時(shí)間：通過(guò)合理安排造渣時(shí)間，提高LF精煉爐的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

強(qiáng)化白渣穩(wěn)定性：通過(guò)添加適量的穩(wěn)定劑或其他措施，強(qiáng)化白渣的穩(wěn)定性，以減少LF 精煉爐的生產(chǎn)成本和能源消耗。

2.2 脫氧工藝優(yōu)化

LF 爐脫氧是一種LF 爐工藝，向LF 爐內(nèi)加造渣劑達(dá)到脫氧目的。造渣劑一般選用CaO 或活性石灰，以便實(shí)現(xiàn)高堿度白渣，保證渣中CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)或Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于30%。在LF 爐精煉過(guò)程中，通過(guò)吹氬，在不同階段使用不同的流量進(jìn)行攪拌，使鋼水充分脫氧，保證脫氧產(chǎn)物上浮，操作容易、脫氧效果好。吹氬制度如圖2 所示。

圖2 吹氬制度示意圖

具體操作步驟：將LF 爐加熱到適當(dāng)溫度，一般高于鋼種所要求的脫氧溫度。向LF 爐內(nèi)加入造渣劑，同時(shí)加入少量熔劑，以便降低爐渣堿度。吹氬攪拌，讓鋼水脫氧，靜置一段時(shí)間，等待脫氧產(chǎn)物上浮。

檢測(cè)鋼水中的氧含量，根據(jù)定氧量符合要求，確定精煉周期與效果。該工藝可通過(guò)調(diào)節(jié)造渣劑和熔劑的加入量、吹氬攪拌時(shí)間和精煉溫度等參數(shù)來(lái)控制脫氧效果。

2.3 LF 爐控鋁工藝

LF 爐控鋁工藝是一種用于鋁合金精煉和凈化的熔劑處理方法，通常使用CaF2或CaO 作為熔劑，并加入一定量的氧化鋁。該工藝通過(guò)在鋁合金熔體中形成Al2O3夾雜，去除鋁合金中的雜質(zhì)和氣體，提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

操作時(shí)，需要控制好加熱速度、熔劑處理時(shí)間和溫度等參數(shù)，以確保鋁合金的精煉和凈化效果，并避免對(duì)鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。保證底吹強(qiáng)度和一次供電時(shí)間，確保渣充分熔化，做好白渣保持工作，冶煉圓鋼將渣中氧化鐵控制在1%以下。造泡沫渣埋弧，防止吸氮及二次氧化。對(duì)過(guò)程黏渣進(jìn)行渣況監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整渣料量及脫氧劑用量。

向鋼水中加入硅鈣線。硅鈣線是一種由硅和鈣混合而成的線材，具有良好的深脫氧性能。將其加入鋼水中后，硅鈣線會(huì)與鋼水中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成CO2和硅氧化物。這些硅氧化物會(huì)成為鋼水中夾雜物的核心，促進(jìn)鋁氧化物的聚集和上浮。在加入硅鈣線后，控制Al 的含量，需要適當(dāng)?shù)財(cái)嚢桎撍?，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，可以使鋼水中的夾雜物更加均勻地分布在鋼水中，提高脫氧效果。

3 連鑄工藝優(yōu)化

冶煉45 號(hào)圓鋼連鑄工藝優(yōu)化，充分做好前期準(zhǔn)備工作，采用直徑24 mm 中包上水口，結(jié)晶器加專用保護(hù)渣，采用浸入式水口。開澆中間包液面正常后，加覆蓋劑，再加碳化稻殼保溫，長(zhǎng)水口澆流處不能有鋼水翻動(dòng)，正常澆鑄中包液面高度≥700 mm。保持恒拉速、采用電磁攪拌，優(yōu)化結(jié)晶器液面控制。采用PLC自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面，遇到異常波動(dòng)，改為手動(dòng)，確保澆鑄液面平穩(wěn)、波動(dòng)小，提高鑄坯質(zhì)量。關(guān)注中包溫度，過(guò)熱度控制在25～40 ℃。關(guān)注澆鑄周期，避免中包低液面澆鑄。對(duì)連鑄過(guò)程過(guò)熱度、拉矯壓力和液面等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，第一時(shí)間獲取鑄坯實(shí)時(shí)工藝參數(shù)，保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量。新開澆的連鑄坯頭部和澆注末期的尾部應(yīng)有足夠的切除長(zhǎng)度，以保證連鑄坯沒有縮孔，換水口鑄坯及時(shí)甩廢。加強(qiáng)工藝設(shè)備維護(hù)，定期維護(hù)大包長(zhǎng)水口機(jī)械手、緩慢開關(guān)大包水口滑板，避免水口翻鋼或鋼液裸澆。通過(guò)連鑄工藝優(yōu)化，提升45 號(hào)圓鋼鑄坯質(zhì)量。

4 45 號(hào)圓鋼鑄坯質(zhì)量提升效果

取鑄坯進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，如圖3 所示，中心疏松0.5 級(jí)，組織相對(duì)均勻、比較致密。通過(guò)一系列優(yōu)化措施，45 號(hào)圓鋼質(zhì)量有了很大提升，45 號(hào)圓鋼鑄坯低倍組織合格率達(dá)到了預(yù)期目的，對(duì)其他品種鋼生產(chǎn)具有積極的借鑒意義。

圖3 45 號(hào)圓鋼低倍組織

5 結(jié)語(yǔ)

為了改善45 號(hào)圓鋼鑄坯質(zhì)量，根據(jù)工藝流程，針對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行類比分析，提出解決辦法。對(duì)電弧爐進(jìn)行冶煉操作、脫磷、脫碳、留鋼留渣、冶煉終點(diǎn)C 與出鋼溫度工藝優(yōu)化，對(duì)LF 爐進(jìn)行造白渣、保鋁工藝和LF 爐鈣處理技術(shù)優(yōu)化，同時(shí)，進(jìn)行連鑄工藝優(yōu)化，鑄坯質(zhì)量顯著提升，取得了較好的效果，具有借鑒作用。