桥梁结构专用钢炼钢、连铸工艺研究及质量控制.pdf

章钢 技 Cl SC T ECHNoLoGY 桥梁结构专用钢炼钢 、连铸工艺研究及质量控制 何会琴周远华 李斌 重钢股份公 司钢研所 摘要本文通过对桥梁结构专用钢的生产 一 l 艺难点 、特点的分析 ．介绍 了重钢炼钢 、连铸的生产实践 过程 ．着重介绍 了在优化钢的化学成分 ．解决板坯 内裂 、表面微裂纹 ，提高铸坯质量等方 面开展技术研 究所取得 的效果 。 关键 词桥梁钢炼 钢连铸工 岂质量 1 前言 随着国民经济建设的发展及西部大开发路桥建 设的突飞猛进 ，市场对桥梁结构专用钢的需求量越 来越大 ，技术要求也越来越高。 Q 3 4 5 q O、Q 3 4 5 q E钢属于优质桥梁结构专用钢 ， 要求钢材具有较高的强度及低温 、时效冲击性能 。 对钢质要求高 ，既要求钢材具有较高的强度 ，又要 求钢材有优 良的韧性及焊接性能 ，另外 ，钢板必须 探伤交货。因此 ，要生产出高性能的钢板 ，必须严 格控制钢的化学成分 ，提高钢质 ，提高铸坯表面及 内部质量 。此外 ，由于该钢中含有较高 A 1 、N b等合 金元 素 ，在生产板坯时 ，容易产生铸坯 表面 矫 直横裂纹或网状裂纹 。因此 ，炼钢连铸生产难度较 大 。 2 0 0 2年初试制生产 Q 3 4 5 q D钢时 ，曾经出现了 钢板拉力 “ 白斑” ，2 0 0 2年底试制生产 Q 3 4 5 q E时， 产生了钢板表面微裂纹 ，此系列钢种的改判率较高 。 因此在 2 0 0 3 年的试验研究过程中 ，技术人员采取了 一 系列切实可行的工艺技术措施 ，解决了上述质量 问题 ，生产出优 良的桥梁结构专用钢 ，满足了轧材 性能和用户需求 。 2试制 过程 2 ． 1技术条件 技术人员通过市场调研 ，结合轧制性能要求 ， 研究了此钢种的冶金特性 ，结合理论和炼钢厂实际 ， 分别拟定 了 Q 3 4 5 q O、Q 3 4 5 q E的工艺技术操作要点 ， 其 中钢的牌号和化学成分 熔炼分析， ％ 见表 1 表 2 。 表 1 Q3 4 5 q D钢 的化学成分 2 ． 2 主 要 工 艺 流 程 铁水 、废钢一5 0 t 转炉冶炼一 L F精炼处理一 中 问包一2 。 板坯连铸机 1 7 0 X 1 2 0 0 ra m 、 2 4 0 X 1 4 0 0 ra m 断面 浇铸一铸坯切割一铸坯表面缺陷清理一铸坯 二次切割一加热炉加热一 2 3 5 0 粗轧一 2 4 5 0 精轧 一精整一检验入库 。 2 ． 3 转 炉冶 炼工 艺 、 2 ,3 ． 1冶炼规定 新开炉头 5炉及大面积补炉头 2炉 ， 烟罩系统向炉 内严重漏水时不冶炼此钢 。选择较好 废钢 ，准备好合成渣 、合金等原辅材料 ，做到清洁、 干 燥 。 2 ．3 ． 2冶炼过程控制 采用恒压、分段恒枪位操作 ， 高拉补吹控制终点 ，不允许钢水过氧化 ，终点碳不 小于 0 ．0 6 ％，确保 C T协调。 2 ． 3 ．3转炉出钢及合金化 加锰铁 、硅铁 、S i A 1 B a 进 行脱氧合金化。 加少量合成渣脱硫稠渣 ， 再经 L F进 行深脱硫处理以及调整钢水温度和其它成分。‘ 2 ． 3 ．4转炉装入量 见表 3 表 3 Q3 4 5 q D、Q3 4 5 q E转炉装入量 2 ．3 ．5 吹炼终点 见表 4 3 维普资讯 桥 梁结 构专 用钢炼 钢 、连铸 研究及质帚控制 表 4 转炉吹炼终点 2 ． 4 L F精 炼工 艺 该钢种均进行了 L F精炼处理 。钢中硫主要是在 L F T序脱除 ，加入合成渣进行深脱硫 ，加入 A l 丝 、 s i C a 线 、硅铁 、锰铁 、铌铁等进行脱氧合金化 ；电 弧加热调整钢水温度 ；底吹 A r ] ． 艺均匀钢水温度 、 成分 ，去除气体 、夹杂。 经过 L F精炼处理 ，较大程度地去除了钢中[ s 】 、 【 0 】 含量 ，并 调整 [ C 】 、[ Ml n、[ S i 】 、[ Al t 】 、[ N b ] 达 到成 品 要求 ，钢水温度能满足浇注工艺要求。 L F精炼处理工艺参数见表 5 。 表 5 L F精 炼 处 理 工 艺 参 数 2 ． 5 连 铸 工 艺 2 ．5 ． 1连铸工艺要求 正常生产 中， 中包 目标温度为 l 5 2 0 ～ 1 5 3 5 c 【 ， 2 4 0 1 4 0 0 mm 断面按典 型拉速 0 ．7 5 n d m i n控制 ，1 7 0 l 2 0 0 mm 断 面按 典 型拉 速 1 ． 4 m ／ rai n控 制 。大包 至 中 间包采 用长水 口加密封环保护浇注 ，大包长水 口应 对 中，不得倾 斜 ，浇完钢前 3 - 5 m i n取下长水 口，严 禁大包渣放人中间包 内。严禁 中间包烧氧 ，实行 中 间包换渣操作 每浇完 3炉钢后中间包放渣一次 。 正常浇注时 ，保证中包浇沣液面高度 ≥7 0 0 m m，换 包时 ≥5 0 0 mm。结晶器保护渣采取少加 、勤加的方 式 ，保持液面覆盖 良好 ，火苗均匀不得发红和裸露 ， 保护渣加入应 以保持液渣层厚度 l 0 ～ l 5 m m和一定厚 度粉渣层为宜。结晶器液面保持平稳 ，中包塞棒吹 氩强度合适。 2 ． 5 ． 2 浇注 过程 钢 水 温度 见表 6 表 6 浇 注过程钢水温 度 2 ． 5 ．3结 晶器保护渣 通 过试 验 ，优选 了结 品 器专用 保 护 渣f l 7 0 i 2 0 0 ram 断 面采用 XB O l ，2 4 01 4 0 0 mm 断 面采 用 C B 3 2 用于此钢种的浇沣。控制保护渣水份≤0 ．5 ％， 督促T人加好 保护渣 ，勤加 、少加 、勤捞 渣罔或渣 条 ，保持液面覆 盖 良好无发红和裸露 ，以充分发挥 保护渣的功效 。 2 ． 5 ．4二冷制度 二次 冷却采用气水喷雾冷却 。每次浇钢前必须 认 真检查二冷水情况 ，保证喷水均匀 、雾化情况 良 4 好 。采 用弱 冷 配水 制度 。 3主要 试 验研 究 工作 3 ． 1【 C】 、【 P 】、【 s 】 的控 制 [ C 】 的控制 冶炼尽可能提高终点[ C 】 ，避免钢水 过氧化。过氧化会使合金收得率降低 、气泡和夹杂 物增加 。 通过强化操作 ， 终点【 C ] 平均 0 ．0 6 8 ％。同时 ， 严格控制 出钢后的增碳量 ，避免碳出格造成的改判 。 『 P ] 的控制 针对钢中[ P ] ，尽量在转炉内脱除。 L F炉采用 的是还原渣不利于脱磷 ，而 且在还原气氛 下长时间冶炼可能造成 回磷。因此 ，炉前应脱好磷 ， 出钢挡好渣 ，控制下渣量 L F精炼处理时间不宜过 长 。 [ s 】 的控制 [ s 】 是钢中第一大有害元素 ，会降低 钢的延展性 ，增加钢的热脆 ，容易引起铸坯 中心偏 析和中心裂纹。在部分炉 次经铁水预处理脱硫 盼隋 况下 ，转炉内脱除部分硫 ，再经 L F精炼处理进行深 脱硫 ，使钢的成品[ s 】 进一步降低。统计 5 0炉钢的成 品[ S 】 平均为 0 ．0 0 8 5 ％， 达到了低硫钢水平 。由于硫 的大幅度降低 ，从而提高了 M r u S比，使沿晶界分布 的 F e S被 Mn S取代 ，M n S呈球状 ，可增加钢的高温 延展性 ，减少热脆 ，从而减少 中心偏析和 中心裂纹 的发 生几 率 。 通过多项措施 的实施 ， 效果 良好 ， 冶炼终点[ C 】 、 【 P J 分别控制在平均 0 ．0 6 8 ％、0 ． 0 1 4 ％，成品[ c 】 、[ P ]、 【 S ] 平均达到 0 ． 1 3 8 ％、 0 ．0 l 5 ％、 0 ．0 0 8 5 ％， 较为理想 3 ． 2脱 氧 与合 金化 脱氧与合金化是实现钢 的化学成分优化和提高 钢的内部质量的重要环节。制定了一套合理 的合金 加入制度 ，采用加 S i A 1 B a 、喂 A l 丝 、喂 S i C a 线 的方 式复合脱氧 ，s i C a 具有脱氧、脱硫 、改变夹杂物形 维普资讯 桥梁结构专用钢炼钢 、连铸 J 艺研 究及 质量控 制 态 、提 高钢 的抗韧断及脆断能力 ，同时可改善钢水 流动性 。采用 S i F e 、Mn F e 、碳锰合金球进行 S i、 Mn的合金化工艺 ，使 S i 、Mn 成分达到了理想控制。 3 ． 3钢 的微 合 金化 为 了改善钢材性能 ，提高屈服强度 ，满足钢材 的可焊性和韧性 ，对此钢种实施 了微合金化T艺。 通过添加 N b微合金元素 ，利用控轧控冷工艺 ，使 N b 在加热过程 中同溶 ， 在控轧控冷过程中以 N il C N 的形式沉淀析 出，达 到细化 晶粒 、提高钢的强度和 韧性 的 目的 ，并改善钢 的焊接性 能。另外 ，加人少 量 T i 也起到了细化品粒改善钢材性能的综合作用。 3 ． 4 板坯 的质 量控 制 3 ．4 ． 1提高铸坯洁净度措施 调整和减少 ‘ L F炉 ’渣料 的用量 ，推广使用新 型预熔渣 ，减少 ‘ L F炉 ’的增氢几率。实施钢包在 线底吹氩工艺 ， 严格控制吹氩时间和强度 ， 保证 ‘ L F 炉 ’足够 的软吹氩时间 ，以利于钢中气体 、夹杂的 上浮和排除 。专 门制定了此钢种的堆码缓冷时间规 定 ，有利于氢 的扩散 。 加强原辅材料的质量管理 ， 主要是理化性能指 标 抽查 和水份控制 。重点对与钢水直接接触的原辅 材料进行质量抽查 。注意原辅材料的防水防潮工作， 严禁 水份超标 。改进中包 、水 口材质 ，用涂料 中包 替代绝热板 ，用 A 1 C质水 口替代石英质水 口，以避 免耐材熔损或破裂造成的吸气和夹杂物增加 。 通过多项措施的实施 ，有效地控制和减少了钢 中氢含量及夹杂物含量 。 3 ．4 ．2改善板坯中心偏析 ，减少内裂缺陷 ，提高铸坯 内部质量 抓浇钢稳定性工作 ，改进塞棒吹压工艺 ，控制 合适的吹氩强度 ，减少钢水液面 的翻卷。同时 ，提 高钢水温度 、节奏合格率 ，提高连铸恒速率 ，稳定 浇钢操作 。 采用弱冷二冷制度 ， 防止冷却强度过大造成的 铸坯矫直温度偏低而致 的表面横裂纹或网状裂纹 。 对喷嘴进行 了优化选型配置 ，并加强了 日常喷水柃 查 ，避免喷嘴堵塞和脱落 ，加强水质监控 ，保证了 二冷喷水的均匀 良好 。 加强铸机 的维护检修 ，保证铸机精度也是非常 重要的 。注意提 高铸机对弧精度和开 口度精度 ，特 别注重铸机 凝固末端 的精度控制 。保证振动平稳 ， 保证 足够的负滑脱时间。 此系列措施的实施 ，改善了铸坯 内部质量 ，铸 坯中心偏析控制较好 ， A类偏析 比例低 ， 板坯 内裂率 和钢板探伤合格率指标优 良。 3 ．4 、3板坯表面微裂纹的控制 针 对 2 0 0 2年 Q3 4 5 q E钢 产 生 的表 面微 裂纹 的 情 况 ，作 了认 真 分 析研 究 ，认 为 主要 原 因是 钢 中 含 有 较高 A 1 、N h等合金元素 ，在连铸浇钢凝固过程 中， 析 出 A 1 N、N b C N产生表面横裂纹或网状裂纹 统称 铸坯表面微裂纹 。为此 ，在 2 0 0 3 年 的试制过程中， 采 取 了如 下措 施 优化振动参数 ，提高频率 ，降低振幅 ，保证振 动平稳 ；调整 了保护渣理化性能指标 ，优选 出适合 此钢种 的保护渣种类 ，对于减轻振痕 ，提高板坯表 面质量有利。 严格控制铝丝加入量 ，控制钢 中 A h走中下线 改进了大包长水 口和密封环材质 ，试验并推广了长 水 口氩封新工艺 ，提高了保护浇注效果 ，减少了吸 氮几率 ，减轻 了 A 1 N的析出几率和微裂纹 的产生 技术人员加强现场浇钢工艺监督 ，提高浇钢稳 定性 ，减少钢液面波动 。 采用弱冷二冷制度 ，以提高铸坯的矫直温度 ， 减少铸坯表面横裂纹或 网状裂纹 。 通过实施 以上措施 ，提高 了板坯表面质量 ，有 效 的控制 了板坯表面微裂纹的产生 ，今年 以来所生 产的此系列钢种铸坯表面微裂纹大大减少。 4 钢的质量情况 4 ． 1钢的化 学成分 熔炼分析 见表 7 表 7 化 学成分 从表 7可看 出，钢中 C 、S i 、Mn 、 N b等化学 成分控制 良好。P 、 S含量低 ， 特别是 S达到 0 ． 0 0 8 5 ％ 的低硫水平。 ’ 4 ． 2 炼成 率 2 0 0 3年 l ～ l 2月 ，Q 3 4 5 q O、Q 3 4 5 q E钢 的综合炼 成率为 9 6 ． 7 0 ％，比 2 0 0 2年有较大提高 ，主要原因是 减 少了探伤不合改判 ，以及铸坯 内裂和表 面微裂纹 、 改判 。 5结语 针对 Q 3 4 5 q O、Q 3 4 5 q E这类优质桥梁结构钢 的 生产工艺难点和特点 ，技术人员作了充分 的技术准 5 维普资讯 桥 梁结中 勾专用 炼 俐 、j 生游 1 研究及质量控制 备 。制定 了一套合理可行的冶炼 、精炼 、连铸 T艺 制度。通过优化改进转炉冶炼 、脱 氰合金化 、L F精 炼 、连铸等T艺 ，实现了 C 、S i 、Mn 、A h 、N I 等 成分的 良好控制 ，有效的去除了钢中 P 、S等有害 元 素含量 以及气体 、夹杂物 含量 ，提高了钢坯 的纯 净度 ，改善 了板坯中心偏析 ，减少 了铸坯内裂缺陷 和表面微裂纹缺陷 ，提高 了铸坯实物质量 ，满足 了 轧材性能要求和市场需求 。 图 巴朗连铸 工 序不 采 用 中间包加 热 按 ] _ 艺要求 ，图巴朗公 司在钢水装进 巾问包之 前 ，必须将 中间包加热至 l 1 0 0 左右 。图巴朗公司 统计过 ， 就中间包加热丁序一项每年需要消耗约 9 0 0 万 N m 的天然气 。这种传统丁序过程 中，中问包必 须 南常温被 加热到工作所需要的温度 ，所花费 的时 间为 2 ．5小时。此外 ，因循环作业需要再次对 中问包 进行加热 ，开浇时轴承上常常会产生塞棒阻塞现象 ， 因而造成 设备T时浪费严重。因此 ，公司开展在连 铸工序 中直接采用 冷中问包进行 浇注的课题研究 ， 目的是为 了提高T序 的经济效益。 连铸T序用的中问包是一个 内壁砌有耐火材料 的罐子 ，该 罐子具有 以下基本功能 钢水分流 、保 留钢水直到钢包 的调换 、通过夹杂物与渣之问的接 触 ，分离出非金属夹杂物。与此 同时 ，促进 中问包 内钢 水流 动 。 现 阶段 ，一般钢铁厂考虑采用的操作T艺是 ， 将 中间包耐火材料 内衬加 热至1 0 0 0 其 主要 目的 是 减少钢水到中间包 的热损 ； 避免开浇时拉铸第一块铸坯的表面起泡 ； 由于热温反差大 ，避免耐火材料的碎裂 ； 实际操作 时 ，必须采用专用设 备对 中间包进行 加热 ，以便用最短的时间把 中问包加热至T作温度j 因此 ，这种T艺经常要使用大量空气／ 天然气 的混合 气体 ，所 以需要大量燃气 以利达到较高 的燃烧温度 ， 这就是导致消耗大量 的天然气 ，增加 了丁艺生产成 本 为了改进这一现状 ，项 目对减少 中间包加热生 产 停顿时间以及节约天然气使用 等问题进行重点研 究 试验 中 ，采用 冷中间包进行连铸生产 。碰 到的 第一个困难就是 ，采用冷 中间包使钢包 中的钢水 到 人 中问包后会快速 降低温度 ，在开浇时导致浇铸 时 的阻塞现象 。而中间包温度较高时就不会出现这种 情 况。针对此问题 ，课题组对冷 中间包作业 T艺上 的几个 环 节进行 了改进 ，即 1 均质气体 中间包气体高温运动 ；2 控制温度 采用相适应的设备使气体温度一致 ； 3 空气， 天然气 混合达到低温状态。 通过上述关键环节调整 ，图巴朗连铸冷 中问包 fJ f 究取得以下显著效果 一一 因循环操 作时不需 要 再对 中间包进 行加 热 ， 减少了生产停顿影响 ， 降低生产停顿时间的 7 0 ％， 并提高了设备使用效率 ； 降低 7 8 ％11 ,0 天然气消耗 ； 提高 中间包使用寿命 。 神户 I t mk 3炼铁新工艺中试取得初步成功 Me s a b i N u g g e t 公 司在明尼苏达州东北部的 I t m k 3 中试厂开始生产粒铁 。神户钢铁公司称 ，2 0 0 3年 5 月 2 4日、2 5日的试运行生产 了 5 t 粒铁 ，自2 0 0 3年 6月 7日起 ，该设备一直以 2 t／ h的生产率稳定运行。 这次的生产试验持续 3 5 1 ，但依据项 目的开发计划， 演示周期将持续到 2 0 0 4年 6月。动力钢公司在其巴 特勒厂试用了铁块样 品，炼钢车间反映效果良好。 6 I t m k 3丁艺是南 Mi d ze x公司联合开发 ，其合伙 投资人有克利夫兰克里弗兹公 司 、F e tT o m e t r i c s公司 和动力钢公司 ，项 目总投资约 2 6 0 0万美元。该 T艺 是刚转底炉将矿粉和煤粉转 化成 富铁粒铁 ，品质与 高炉生铁相当 ， 含铁 9 6 ％一 9 8 ％， 含碳 2 ％ 4 ％，包括 还原 、熔化 和排渣 操作 在 内的整个生 产 周期 仅有 l Omi n 维普资讯