降低螺纹钢出钢温度生产工艺优化与实践★

2020-09-17邓长付周朝刚杨建华王书桓罗凌云史湘东陈庆功

山西冶金 2020年4期

邓长付，周朝刚，杨建华，王书桓，罗凌云，史湘东，陈庆功

（1.广东韶关钢铁有限公司，广东韶关512123；2.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210；3.华北理工大学以升创新教育基地，河北唐山063210；4.天津铁厂有限公司技术质量科，河北涉县075100）

我国建筑业和工业钢材消耗约占钢材总消费量的90%左右，螺纹钢作为主要的建筑用钢材，拥有广阔的市场和巨大的生产量。但由于市场供需关系的改变、环保要求的日益严苛，导致螺纹钢价格波动，企业经济效益降低。因此采用新材料、新工艺和新技术来降低螺纹钢生产成本、提高产品质量成为企业生存和发展的唯一出路[1-5]。目前国内部分钢铁企业已在生产低成本螺纹钢方面取得实质性进展：宣钢和中南大学合作，利用微氮合金代替硅锰钒等贵金属合金，实现低成本生产高强度螺纹钢[6]；抚顺新钢铁有限责任公司采用转炉全程底吹吹氮工艺冶炼，在满足国家标准的同时降低生产成本[7]。

广东韶关钢铁有限公司（以下简称韶钢）炼钢厂螺纹钢生产流程铁水条件变化范围大，终点及过程控制不稳定，转炉终点出钢温度高，导致钢水氧化性强，螺纹钢生产过程合金、脱氧剂、钢铁料等物料消耗高。为此特成立降低螺纹钢终点温度攻关项目组进行攻关和工艺优化。螺纹钢生产工艺流程：一罐制高炉铁水→120 t转炉→吹氩喂丝站→方坯连铸机。对钢水温降分析，从降低钢水炉内停等时间、出钢过程温降、钢水周转时间及浇注过程温降几方面开展工作，主要包括如图1所示内容。

表1降低螺纹钢出钢温度措施

1）采用转炉高拉补吹工艺，补吹前测温、取样，补吹后出钢，不再等样。

2）提高连铸拉速，实现低温快拉，稳定中包温度。

3）优化增碳工艺，采用细颗粒增碳剂结合碳线增碳，降低原增碳过程氩气搅拌强度、时间，减少增碳温降。

4）细化钢包分类管理，根据不同钢包类型控制出钢温度。

1 冶炼条件

表1 韶钢炼钢厂铁水条件

表2 螺纹钢终点控制及过程温度要求

转炉冶炼过程中，碳氧反应方程式如式（1），碳氧积公式如式（2）。从热力学角度出发，碳氧积主要受温度和CO分压的影响，但实际冶炼过程中CO分压通常为一定值，因此碳氧积的主要热力学影响因素为温度[11-12]。其中转炉终点出钢温度对钢水C、O含量的影响如图2、图3所示。

式中：ΔGθ为标准吉布斯自由能；T为钢水温度，K；PCO为CO分压，Pa；α[C]、αO分别为钢水中C和O的活度，mol/L；m为碳氧的质量分数。

图2 终点温度对C含量的影响

由图2可知，随着转炉终点出钢温度的升高，钢水中C含量降低。

由式（2）得出：当碳氧积m固定，钢水中的C含量越低，O含量越高。即转炉终点出钢温度过高时，会导致钢水O含量增加，从而增加非金属夹杂物的数量和尺寸以及冶炼过程中的合金消耗量，影响成品钢洁净度的同时增加企业经营成本。

图3 终点温度对P含量的影响

由图3可知，随着转炉终点出钢温度的升高，钢水中P含量升高。当钢水中P含量超过螺纹钢终点控制要求时，会导致钢材产生“冷脆”，降低塑性、增加裂纹敏感性。

2 生产工艺优化与实践

2.1 工艺设备

韶钢炼钢厂炼钢一工序工艺设备主要包括3座120 t转炉、3座吹氩喂丝站、3座LF炉、1座RH炉、1台（220～270 mm）×（1 500～2 300 mm)板坯连铸机、1台170 mm×170 mm五机五流方坯连铸机和2台160 mm×160 mm六机六流方坯连铸机。

10月27日，全球领先的数字化技术公司ABB宣布，将在中国投资1.5亿美元新建一座其全球最大、最先进、最具柔性的机器人工厂，实现用机器人制造机器人。新工厂将位于上海康桥，紧邻ABB现有的大型机器人园区，利用包括ABB Ability®解决方案在内的互联数字化技术、一流的协作机器人技术以及创新的人工智能研究，打造ABB最先进、最环保的“未来工厂”。该工厂预计将于2020年底投入运营。ABB还与上海市政府签署了一项全面战略合作协议，重点支持上海工业、能源、交通和基础设施发展，全力打响“上海制造”品牌。上海市市长应勇与ABB集团首席执行官史毕福签署了该协议。

2.2 实施转炉高拉补吹工艺

原炼钢工艺采用“模拟副枪+终点等样出钢”的转炉终点控制方式：即转炉吹炼至熔池碳含量为0.50%～0.60%时一倒测温，根据一倒温度二次吹氧至终点，测温、取样、等样出钢，样不合格时再次补吹[13-14]。在此工艺条件下，转炉终点等样时间长，钢水温度损失大。为改善这一情况将吹炼工艺调整为：转炉一次吹炼至熔池碳含量0.12%～0.17%时倒炉取样、测温，摇正炉子立即补吹，由于一次拉碳接近终点，取样得到的成分完全可以代替终点成分，若有偏差，也可以采取化渣补吹措施进行弥补，因此补吹结束不等样直接出钢，减少了一次转炉倒炉时间约3 min，降低此过程中钢水温度的损失，采用高拉补吹工艺前后转炉冶炼周期变化趋势如图4所示。

图4 采用高拉补吹工艺前后转炉冶炼周期变化趋势

2.3 提高螺纹钢拉速，降低浇注周期

良好的铸坯质量及合适的中包温度是实现连铸高拉速生产的关键[15-17]。为提高螺纹钢生产拉速，降低浇注周期，韶钢炼钢厂采用新型结晶器铜管，修订钢包温度与拉速的匹配关系。

1）推广武进长虹结晶器铜管的使用。新引进的武进长虹结晶器铜管是康卡斯特公司设计的一种高效方坯结晶器。相比于原结晶器铜管，该铜管具有热性能好，再结晶温度高，抗热疲劳强度高，耐磨性能好，不易变形的优点。在连铸高拉速生产条件下，铸坯脱方、角裂、内裂等质量问题有了明显改善。

2）修订钢包温度与拉速的匹配关系。将原来三档的温度区间，变为四档，重点强调“低温快拉”，保证连铸过程的平稳提速。连铸中包温度与拉速关系调整情况如下页表3所示。

3）做好钢水保温工作，加入合适的中包覆盖剂，保持黑液面，做好保护浇铸，减少吸气和二次氧化工作。

2.4 优化螺纹钢增碳工艺

碳是提高螺纹钢强度最廉价的合金料，控制钢水碳含量对稳定螺纹钢性能和降低合金消耗成本具有重要意义[18-19]。由于螺纹钢碳内控范围窄，影响因素多，控碳成为螺纹钢生产的难点之一。原有增碳工艺是在出钢过程中加入150 kg左右增碳剂，氩站等样后对碳含量进行微调。为快速稳定增碳出钢，减少氩站处理过程温度损失，对增碳工艺进行试验调整。