预应力钢棒用30MnSi控氧技术研究与应用

2015-03-10供稿苑卫科YUANWeike

金属世界 2015年4期

关键词：硅铁钢棒结晶器

供稿|苑卫科 / YUAN Wei-ke

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

供稿|苑卫科 / YUAN Wei-ke

作者单位：河北联合大学矿业学院，河北邯郸 056015

内容导读

针对邯钢一炼钢厂小方坯连铸机浇注30MnSi结晶器液面波动幅度大，塞棒上涨造成30MnSi连拉炉数低被迫停浇的问题，提出控制精炼钢水出站氧含量，通过优化转炉脱氧工艺、精炼成分微调和精炼控氧技术研究，并应用于生产实践。采取控氧工艺后，精炼出站氧含量控制在(15±2)×10-6，连铸机浇注30MnSi时结晶器液面稳定，连拉炉数提高到12炉以上，成功解决了30MnSi因结晶器液面波动幅度大，塞棒上涨造成停浇的问题。

预应力钢棒(简称PC棒)是制造预应力混凝土PHC管桩的重要材料[1]，管桩钢筋要求必须具有良好的机械性能，目前国内比较普遍的是30MnSi热轧盘条。应市场用户需求，邯钢一炼钢厂自开发生产30MnSi以来，出现过小方坯连铸机浇注30MnSi结晶器液面波动幅度大，钢水流动性差，塞棒上涨，造成30MnSi连拉炉数低，被迫停浇的问题。经过对30MnSi脱氧工艺进行优化，提出控制精炼钢水出站自由氧氧含量，通过优化转炉脱氧工艺、精炼成分微调和精炼控氧技术研究与应用，成功解决了结晶器液面波动大、连拉炉数低的问题，产品批量生产投放市场后，经用户使用反馈，该钢性能良好，没有出现延迟断裂等问题，较好地满足管桩钢筋生产和不同用户的需求。

生产概况及存在问题

工艺设备概况

邯钢一炼钢厂拥有1座铁水倒罐站，3套铁水预处理设施，3座120 t顶底复吹转炉，2座120 t LF精炼炉，1座120 t RH真空精炼炉，2台八机八流方坯连铸机和1台异型坯连铸机等设备，年设计能力310万t。钢包吹氩，中间包保护浇注，结晶器液面自动控制技术，结晶器电磁搅拌，断面150 mm× 150 mm，热送高线轧制。

生产工艺流程

炼钢生产工艺流程：铁水倒罐站→顶底复吹转炉→LF精炼炉→方坯连铸机→铸坯热送。成分设计见表1。

存在问题

2012年8月下旬到9月中旬，小方坯连铸机浇注30MnSi连续4个浇次，因为结晶器液面波动幅度大，钢水流动性差塞棒上涨，造成30MnSi被迫停浇、连拉炉数低的问题，通过对转炉、精炼过程脱氧工艺分析，认为可能是精炼钢水出站自由氧含量低，在连铸浇注时由于氧位低对保护浇注要求较高，造成钢水二次吸氧引起结晶器液面波动；另一个原因可能是合金含铝量较高，钢水二次氧化形成Al2O3夹杂，堵塞水口使塞棒上涨。

表1　化学成分(质量分数)%

影响因素分析

冶炼终点对氧含量的影响

转炉终点碳含量越低，终点氧位就越高，在冶炼30MnSi时，转炉终点碳实际控制范围0.046%~ 0.097%，终点氧位0.0247%~0.0998%。

化学成分对氧含量的影响

从上表2可以看出，精炼进站碳、硅、锰含量波动范围较大，主要是转炉终点碳含量低，氧位较高，转炉出钢1/4时采用硅锰铁、硅铁、增碳剂脱氧合金化，合金化脱氧加入顺序为增碳剂、硅锰铁、硅铁，因此增碳剂、合金加入量大而且吸收率不稳定。

精炼进站温度影响

从表3来看，进站温度越低，精炼时间相应延长，降电极加热时间就越长。随着精炼过程温度的升高，精炼白渣保持的时间就越长，钢水氧位越来越低趋近于平衡。

精炼终渣碱度影响

表2　精炼进站成分(质量分数)%

表3　进站温度

从图1可以看出，精炼顶渣碱度对氧含量的影响随着碱度的增加，钢水氧含量越低。精炼顶渣碱度越高，渣中氧化物含量越低。根据渣氧近似平衡得知钢水氧化性越低(FeO+MnO＜1)。对于30MnSi而言，夹杂物主要是SiO2、MgO、Al2O3等复合夹杂物，实践证明，当精炼终渣碱度较高(R＞2.5)时，渣中SiO2就越高说明越有利于吸附夹杂，氧含量越低。冶炼30MnSi时使用的钢包全镁碳砖修砌，精炼加热时在电弧光辐射下，钢包衬耐材受到侵蚀进入钢液中MgO、Al2O3等夹杂，通过控制精炼顶渣的碱度及流动性，提高顶渣的吸附夹杂能力。精炼顶渣碱度越高渣中MgO含量越低，说明钢包内衬砖侵蚀的程度就越小。

图1　精炼渣碱度对氧含量的影响

精炼出站氧含量

精炼在出站前10 min，调小氩气流量进行软吹，采用喂入钙线处理改变Al2O3的性状，形成低熔点液态的12CaO·7Al2O3，在净吹条件下有利于夹杂物上浮被顶渣吸附，可以有效改善钢水的可浇性，防止中间包水口堵塞，同时促进条形的MnS向球状的CaS转变。钙处理后定氧操作，钢水中自由氧含量在3.5×10-6~13.5×10-6之间波动，如图2所示。

图2　精炼出站氧含量

化学成分与质量的关系

C、Mn、Si是提高预应力钢棒质量和性能的主要成分因素，其含量增加能提高奥氏体稳定性，降低临界冷却速度，提高淬透性。C含量的增加在提高淬透性的同时，大幅度降低钢材塑性和焊接性，Mn，Si含量增加使30MnSi调质热处理(淬火+回火)过程中组织分解转变速度减慢，提高心部的硬度，减少心部与表面的硬度差，对钢棒的后期加工使用有利，同时增加回火抗力，提高回火稳定性，随回火温度升高而使强度、硬度下降的程度减弱；Si与Mn相比，Mn的淬透性和提高强度、回火稳定性的能力又较Si好，与高碳钢相似，30MnSi存在一定程度的碳偏析，在连铸坯冷却过程中，由于结晶器或者二冷段末端的电磁搅拌不能正常使用，引起连铸凝固时产生严重的微区Si、Mn偏析，或者由于液面波动引起铸坯坯壳卷渣。因此C含量适中，Mn、Si含量较高的盘条，可以得到良好的综合性能。

通过以上原因分析，笔者认为精炼钢水出站自由氧含量低是造成结晶器液面波动幅度大的主要原因。

优化措施

转炉工序

◆ 转炉终点控制

C含量在0.08%~0.15%，P含量≤0.011%。碱度R≥3.5。

从化学成分对质量的影响来看，要求转炉进站成分满足表4要求。

表4　转炉进站成分(质量分数) 　%

◆ 脱氧合金化

合金加入顺序为增碳剂、硅锰铁、硅铁。硅铁使用低铝硅铁(含铝量≤0.1%)，降低合金含铝量，避免钢水脱氧形成Al2O3内生夹杂，降低钢水氧位。低铝硅铁成分见表5。

表5　低铝硅铁成分(质量分数) 　%

进站温度要求大于1560 ℃，双挡渣出钢，不允许下渣。

精炼工序

钢水进站破开渣面后，降电极加入造渣料化渣，进站定氧。

白灰用量900~1200 kg/炉，萤石用量200~400 kg/炉(白灰6~8 kg/t钢，萤石1.5~3.0 kg/t钢)，白渣精炼不使用硅铁粉、碳化硅等脱氧剂，精炼前25 min完成白渣精炼，精炼后期留氧操作。

精炼过程全部小气量吹氩(裸眼小于300 mm)，调碳、调合金适当调大氩气流量，严禁大吹、暴吹。

出站温度：第一炉1610~1615 ℃，连拉1565~ 1575 ℃，钙前定氧，钙后6 min定氧，钙前温度连拉1575~1580 ℃，净吹要求：先加保温剂，然后保持渣面“黑面”操作，净吹时严禁裸露钢液面，净吹时间大于15 min。

连铸工序

结晶器保护渣烘烤。

连铸采用全程保护浇注，钢包长水口采用氩封保护，每炉更换纤维密封圈。中间包包盖密封严实，中间包及塞棒烘烤时间240 min，水口烘烤时间150 min。中间包钢水液面采用普通覆盖剂，上层加碳化稻壳，开浇前测温孔、塞棒孔用纤维毯密封，大包开浇前2 min中包用氩气驱赶中包空气。

结晶器振动采用非正弦方式，选用中高碳保护渣，二冷选用弱冷冷却方式。

中间包第一炉开浇温度：1540~1550 ℃；连浇过程中的适宜温度为：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，启用结晶器电磁搅拌，电流350 A，频率3 HZ。正常浇注过程中，中间包钢水液面不低于600 mm；浇次最后一炉中包剩钢厚度不低于300 mm。

生产实践

经过对30MnSi脱氧工艺进行优化，控制精炼钢水出站自由氧氧含量后，成功解决了结晶器液面波动大连拉炉数低的问题，实现连浇炉数12炉以上，连续4个月无生产质量事故，产品批量生产投放市场后，经用户使用反馈，该钢性能良好，没有出现延迟断裂等问题，较好地满足管桩钢筋生产和不同用户的需求。采取精炼控氧技术后，精炼终渣碱度和出站自由氧含量对比分析如表6、表7。