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。質量的穩定性已成為阻礙我公司進一步成為國內一流特鋼企業的一大難題。

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，脫氧后變為三氧化二鋁進入渣中。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節。

（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，埋弧升溫效果優良，對耐材侵蝕強度低等優點。

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化：

（1）優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%。

本項目的研發成功增加了公司優質鋼的冶煉成功率，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。