转炉薄板坯连铸钢厂炉外精炼工艺的选择

转炉薄板坯连铸钢厂炉外精炼工艺的选择

美国诺克斯-奔驰工厂建成后的十多年里，薄板结构连铸连绵带的生产技术迅速发展。除了产量显著增加外，品种质量也显著提高。目前，传统的连铸-热连续式制造技术可以生产大多数淡水钢板。在生产超薄规格热轧板方面,薄板坯连铸连轧还具有传统工艺不可相比的优势。国外最初采用薄板坯连铸连轧的绝大多数为电炉钢厂,如美国、意大利、墨西哥等国的薄板坯连铸连轧钢厂。由于绝大多数电炉钢厂采用钢包炉(LF)炉外精炼工艺,因此,最初的薄板坯连铸钢厂也均采用了LF炉外精炼工艺,并逐步演变成为薄板坯连铸钢厂的典型炉外精炼工艺配置。近年来薄板坯连铸连轧在中国发展非常快,目前已建成条生产线近期还将有条生产线投产与国外主要为电炉钢厂采用薄板坯连铸所不同,国内已投产或即将投产的14条生产线中,除珠江钢厂之外,其他13家企业均为转炉钢厂,其中一些钢厂还采用或将要采用薄板坯连铸连轧热轧板卷生产冷轧钢板。目前,国内许多转炉薄板坯连铸钢厂遇到了采用LF炉外精炼工艺在生产节奏、冷轧钢种硅含量控制等方面不能很好适应的问题。本文通过对LF炉外精炼工艺功能特点、主要冷轧和热轧钢板类产品的成分控制要求、传统板材生产流程炉外精炼工艺等分析,对适用于转炉—薄板坯连铸连轧钢厂的合理炉外精炼工艺进行研究探讨。1炉渣的环保性能LF炉外精炼是20世纪70年代初日本大同特殊钢公司开发成功的炉外精炼工艺开始主要在电炉钢厂应用,目前已成为普遍应用的炉外精炼工艺之一,特别是电炉钢厂。如图1所示,LF炉外精炼采用电极对钢水进行加热,并通过钢包底部吹氩对钢水进行搅拌。由于能够利用外部电能供热,LF精炼可以造渣且渣量可达20kg/t。与其他炉外精炼工艺相比,LF精炼最大的特点在于其渣—钢精炼功能,因此除了作为电炉钢厂常规炉外精炼工艺之外,还应用于一些超低硫和极低硫钢(管线钢等)的脱硫和超低氧钢(轴承、弹簧等特殊钢)的脱氧和夹杂物控制等。当然,生产超低硫、极低硫钢所要采用的造渣工艺以及消耗的作业时间是不同于一般用钢的。生产超低硫钢,LF精炼过程渣-钢间的脱硫反应式为:钢液中w([S])和w([Al])很低,其活度系数f[S]和f[O]可近似取为1,由式(2)可以得到式(1)反应的平衡常数K为:对式(3)进行整理,可得到:式(4)表明,保持较高的钢液铝含量、增加炉渣CaO活度、降低炉渣Al2O3的活度和CaS的活度系数有利于超低硫钢液脱硫。在实际LF精炼深脱硫处理时,w([Al])通常须控制在0.02%以上,为此必须采用高还原性炉渣。此外,还应该采用高碱度(CaO/SiO2)精炼渣,以提高CaO活度,降低Al2O3和CaS的活度系数。表1为国内生产w([S])低于0.0010%管线钢,在LF精炼结束时的炉渣成分。可以看到,炉渣碱度在4.7～7.0范围,而TFe和MnO的质量分数非常低,分别仅为0.37%～0.42%和0.14%～0.38%。为了使钢材具备优异的抗疲劳破坏性能,对轴承、弹簧、齿轮等特殊钢的w(T[O])控制要求很严,如高品质轴承钢w(T[O])已能控制在0.0007%以下,弹簧、齿轮等优质合金钢的w(T[O])也已能控制在0.0010%左右。除T[O]之外,对高品质特殊钢中非金属夹杂物种类、形貌、尺寸等也要求进行严格控制,如对弹簧钢要求无Al2O3类夹杂物,对轴承钢要求无B类和D类夹杂物等。高品质特殊钢的超低氧冶炼和夹杂物控制主要是通过LF的渣—钢精炼完成的。其工艺特点是在LF精炼初期采用铝对钢液进行直接脱氧,然后造高还原性炉渣,对钢液进行强扩散脱氧。此外,还必须采用高碱度炉渣以降低SiO2活度,如日本山阳特殊钢厂生产轴承钢的LF精炼炉渣的碱度要求大于5。当向钢液中加入铝后,式(5)所表示的脱氧反应迅即发生。由于铝具备非常强的脱氧能力,在2～3min之内,钢液溶解氧w([O])即会降低至0.0003%～0.0004%。图2为Gaye根据[Al]、[Si]、[Mn]脱氧热力学计算得到的1600℃下不同脱氧产物的优势区图。可以看到,铝脱氧钢中的脱氧产物主要为Al2O3。铝脱氧生成的Al2O3夹杂物主要为块状和簇群状2类(图3)。Al2O3类夹杂物坚硬、轧制过程不变形、外形呈尖角、块或链串状,对高强度钢的抗疲劳破坏性能有害。轴承、弹簧、重轨等特殊钢均要求对钢中Al2O3类夹杂物进行严格控制。采用LF工艺对轴承、弹簧等特殊钢进行精炼时,当高碱度、高还原性炉渣形成后,由于渣—钢间的氧势很低,渣中的CaO、MgO会被还原,部分Ca和Mg进入钢液中,生成CaO和MgO并与钢液中存在的Al2O3作用,将簇群状或块状的Al2O3夹杂物转化为液态钙铝硅酸盐类夹杂物。液态夹杂物更容易聚合和长大,因此也有利于其由钢液中上浮去除,部分滞留在钢中的该类夹杂物多呈球状。须指出的是,采用LF工艺进行超低硫、超低氧精炼和夹杂物控制,受钢液中[S]、[O]传递速率限制,需要较长的精炼处理时间,通常纯精炼时间需要45～60min。除了用于超低硫钢和特殊钢的炉外精炼之外,由于LF工艺具备加热、吹氩、合金成分调整等功能,一些钢厂也用其对普通钢水进行加热、搅拌、合金化和一般性脱硫处理等,处理周期控制在40～50min。但是,必须指出,此种操作并没有充分利用LF精炼工艺的优势,即强的渣—钢精炼功能。2传统木材生产流程中的墨水精装工艺2.1超低碳钢的脱硫和干气处理冷轧钢板厚度大多在0.3～1.0mm,主要用于汽车、家电、建筑、食品罐、日用品等。根据钢的碳含量,通常将冷轧钢板类钢种分为3类:(1)低碳铝镇静钢(LCAK),w(C)在0.04%～0.06%;(2)微碳钢(ELC),w(C)在0.01%～0.02%;(3)超低碳钢(ULC),w(C)≤0.004%,也称为无间隙原子钢(IF钢)。表2为上述3类钢的大致化学成分范围。冷轧钢板类钢种化学成分的特点为:(1)为了获得良好冲压性能,w([C])、w([N])、w([Si])很低;(2)均为铝脱氧钢。除脱氧作用之外,铝对冷轧钢板的织构控制也具有重要作用;(3)对w([P])和w([S])控制要求相对较宽松;(4)为了保证良好表面质量,对非金属夹杂物要求严格控制。如汽车钢板中的夹杂物尺寸须小于100μm,DI罐用钢板中夹杂物须小于40μm。冷轧板钢种通常采用转炉炼钢工艺流程。由于对w([S])要求相对较宽松,因此对冷轧板钢种便没有必要采用LF工艺进行深度脱硫处理。此外,冷轧类钢种也不宜采用LF工艺的强扩散脱氧的方法,这是因为渣—钢间氧势很低时,渣中的SiO2会被还原,造成钢液w([Si])超标(>0.03%)。另外,在LF精炼过程,还容易造成钢液增氮和增碳的现象。可见,采用LF精炼会对冷轧钢板钢种成分控制造成不利影响。传统流程钢厂冷轧类钢种的炉外精炼主要采用RH和CAS2种工艺。对ULC超低碳钢必须采用RH精炼工艺(少数钢厂尚采用VOD),利用真空将w([C])脱除至0.002%以下,然后加入铝进行脱氧,并在真空条件下通过钢水的快速循还,去除钢水中生成的Al2O3脱氧产物。对于ELC钢一般也采用RH进行一定程度的脱碳。对于LCAK钢,部分优质钢种采用RH真空精炼,而对于相当多的普通用途钢种,则可以采用CAS精炼。CAS(或CAS-OB)是20世纪70年代新日铁公司开发的炉外精炼方法(图4),该工艺由钢包底部向钢水吹入氩气,在钢水表面吹出一个无渣“亮面”后,将一耐火材料浸渍罩插入钢液,将吹氩造成的钢水表面裸露部分与炉渣分隔,并处于罩内Ar气氛保护下。CAS精炼工艺能够对钢水进行脱氧、合金化、成分调整和加热(CAS-OB),设备投资和生产成本也较LF低,是目前大型转炉炼钢厂广泛采用的主要炉外精炼方法之一。采用CAS工艺对冷轧钢板类钢种进行精炼时,直接向钢水加入铝进行脱氧,然后进行强吹氩搅拌,促进脱氧产物Al2O3聚合和上浮去除。CAS精炼方法具有很好的去除夹杂物的效果,这一点已被日本等国的钢厂和我国宝钢、鞍钢等工厂所证实,这些钢厂近一半的LCAK钢种采用CAS精炼工艺,生产的铸坯可以达到很高的洁净度,w(T[O])可以控制在0.0016%～0.0025%。此外,与LF精炼相比,在CAS精炼过程中,钢液[C]会有少量降低,而[N]的增加也少得多。值得注意的是,RH和CAS精炼所需时间较短,RH精炼时间在25～30min,CAS的精炼时间则可以控制在25min之内,因此在生产节奏方面能够与大型转炉和连铸适应。RH和CAS精炼工艺的另一特点是基本不利用炉渣参与精炼;由于须防止钢液硅含量超标,因而不能采用高还原性炉渣,而钢包内炉渣的w(FetO)一般在8%～16%。一些厂在RH精炼时采用炉渣改质处理,向包内炉渣加入CaO-Al改质剂,可使包内炉渣w(FetO)控制在3%～5%。2.2脱硫废水的脱硫和脱硫热轧钢板包括热轧板卷和中厚板,根据钢的化学成分和性能,可将其分为3类:(1)碳钢;(2)低合金钢;(3)微合金化钢。表3为上述3类钢的大致成分范围。与冷轧钢种相比,热轧钢板类钢种可以含较高硅,硫含量则低得多,尤其在低合金钢和微合金化钢中,包括很多超低硫和极低硫含量钢种。此外,由于较冷轧钢板厚得多,除优质管线钢对钢中硫化物夹杂物种类和形貌控制有严格要求外,绝大多数热轧钢板对钢中夹杂物没有明确的控制要求。除少数超低硫和极低硫钢种之外,热轧钢板类钢种传统生产流程的炉外精炼主要采用CAS或RH精炼工艺。其工艺特点是,对铁水进行脱硫预处理,转炉炼钢后在出钢过程加入硅、锰铁合金和部分铝,在CAS或RH精炼开始后加入铝进行脱氧,然后利用CAS过程的强搅拌和RH真空精炼去除钢液中生成的Al2O3脱氧产物。热轧钢板硫含量较冷轧钢种低得多,对于热轧类钢种的硫含量控制分为以下2类情况。(1)对成品w([S])≥0.0040%的钢种,绝大多数钢厂采用CAS或RH精炼工艺。对硫含量的控制主要包括:(1)采用脱硫预处理将铁水w([S])降低至0.003%～0.006%;(2)通过尽量扒除脱硫渣、控制转炉用废钢和造渣剂的硫含量、改善转炉炼钢造渣等措施,将转炉炼钢过程钢液回硫的质量分数控制在0.0020%～0.0040%以下;(3)对于其中的超低硫钢种,采用转炉出钢过程加入合成渣脱硫的工艺技术。(2)对成品w([S])<0.0040%的钢种,除采用铁水脱硫预处理、转炉炼钢抑制回硫等措施之外,还须采用LF精炼对钢液进行深度脱硫。在LF超低硫精炼时,采用高碱度和高还原性炉渣,并对钢水进行强的搅拌。由于钢液硫含量低,受脱硫反应速度限制,LF精炼时间通常需要45～55min,加上其他辅助时间,LF总处理时间会在1h左右或以上。如上所述,CAS和RH是大型转炉板材传统流程钢厂普遍采用的炉外精炼工艺,大多数转炉板材钢厂设置2台以上的CAS和RH,另外再设置1座LF用于超低硫和极低硫钢的炉外处理,甚至有一些转炉板材钢厂不设置LF精炼装置。由于超低硫和极低硫钢液的LF精炼时间长,与转炉炼钢和连铸节奏很难适应,设置LF装置的转炉板材钢厂大多数将其作为少数钢种的“离线”精炼装置。因此,LF精炼装置一般都不放在靠近转炉出钢作业线的位置上,而将RH或CAS放在靠近转炉出钢作业线的位置上,以避免天车的作业时间较长的矛盾。3炉外精制工艺国外最初采用薄板坯连铸的钢厂绝大多数为电炉钢厂,而且当初也没有考虑生产冷轧产品,如美国Nucor、Gallatin、BHP北极星、意大利Arvedi等。由于绝大多数电炉钢厂采用LF炉外精炼工艺,因此,最初的薄板坯连铸钢厂也均采用了LF精炼工艺,并逐步被简单地视为薄板坯连铸钢厂的典型炉外精炼工艺配置。与生产长材相比,短流程电炉钢厂采用薄板坯连铸连轧生产板材后,LF精炼脱硫的任务加重。此外,由于薄板坯连铸采用扁长型浸入式水口,水口易被钢液中的Al2O3夹杂物粘结堵塞,因此必须在LF精炼后对钢液进行钙处理,将钢液中的Al2O3转变为低熔点的12CaO·7Al2O3等钙铝酸盐化合物。薄板坯连铸电炉钢厂采用LF精炼,处理时间通常在60min左右,能够与电炉炼钢和连铸(电炉钢厂采用的薄板坯厚度较薄)的生产节奏很好适应。此外,由于主要生产热轧钢板,LF精炼采用高还原性炉渣引起的硅含量上升也不会对钢的成分控制造成问题。与国外主要为电炉钢厂采用薄板坯连铸所不同中国采用薄板坯连铸连轧工艺的绝大多数为转炉钢厂,其中许多钢厂还采用或计划采用薄板坯连铸连轧板卷生产冷轧钢板。目前,已投产的几家薄板坯连铸连轧生产冷轧钢板企业,均遇到了采用LF精炼工艺在生产节奏、钢液[Si]、[N]控制等方面的问题。3.1生产效率较低,周期较短,很难长与热轧钢板生产相比,冷轧钢板的品种、规格相对较少、产品批量大,传统冷轧板材生产企业因此大都采用大型转炉、较快速的炉外精炼(RH或CAS)、高拉速板坯连铸、连续轧制(热连轧、冷连轧)、连续退火等装置,强调不同工序间生产节奏的相互适应和匹配,以获得高的生产效率。薄板坯连铸连轧转炉钢厂生产冷轧产品,为提高竞争力,也必须适应冷轧产品工艺流程高效、快节奏的特点。与生产中厚板的传统板坯铸机相比,薄板坯连铸机拉速快,同类产品的批量大,并且更重视多炉连浇,目前转炉薄板坯连铸钢厂浇铸一炉钢一般在40～45min。此外,转炉炼钢的冶炼节奏也快于电炉,一般在32～36min之间,如果采用“三脱”铁水预处理工艺,则转炉的冶炼周期可缩短至20～25min。转炉炼钢、炉外精炼和连铸3个主要工序的生产时间节奏匹配,应该符合式(7)表示的关系,即炉外精炼的周期应短于转炉炼钢和连铸的周期,才能适应多炉连浇的要求,并使转炉、连铸机、连轧机都获得高的生产效率。而转炉薄板坯连铸钢厂采用LF精炼,由于炉外精炼周期长于转炉炼钢和连铸的生产周期,LF精炼会成为提高生产效率的瓶颈。在使用LF的情况下,许多钢厂采取先炼2炉钢,分别在钢包回转台和LF工位等候,再炼出第3炉钢后,才开始连铸开浇。这样,在上述等待过程中,连铸机、热轧机都不能正常运行,炼钢、连铸、热带轧机整条生产线的生产效率都会受到LF冶炼周期长的影响,同时也会带来能耗增高、钢包寿命降低等问题。这应是有待改进的命题。式中,tsm为炉外精炼的冶炼周期;tBOF为转炉炼钢冶炼周期;tcc为连铸周期。3.2lf监管炉渣、炉渣碱度变化除了生产时间节奏方面的问题之外,转炉薄板坯连铸钢厂采用LF精炼工艺,在生产冷轧钢种时还遇到了钢液硅含量容易超标的问题。为了解决LF精炼钢液偏高问题许多厂采用了提高炉渣碱度以降低渣中SiO2活度的方法。但是,尽管石灰用量显著增加,所生产的冷轧钢种的硅含量仍然高于传统流程。图5为国内某转炉薄板坯连铸钢厂生产SPHD冷轧钢种时钢液w([Si])、w([S])和炉渣w(FetO+MnO)以及炉渣碱度的变化情况。可以看到,脱硫预处理后铁水w([S])可以降低至0.003%,但是,由于抑制钢水回硫不利,转炉炼钢结束时钢液w([S])升至0.024%。为了脱硫和防止硅含量增加,在LF精炼中采用了高还原性和高碱度炉渣(终渣碱度接近7)。由图5可以看到,LF精炼10min时,尽管炉渣碱度已超过3,由于炉渣氧化性高(w(FetO+MnO)>21%),w([S])仅由精炼开始前的0.024%降低至0.022%。LF精炼至30min时,炉渣碱度达到了4.9,w(FetO+MnO)降低至1.81%。但是,由于精炼时间不够,w([S])仅能够降低至0.017%。当LF精炼至46min时,炉渣碱度升至6.3以上,w(FetO+MnO)降低至1.41%,此时钢液w([S])才脱除至0.007%。由图5同时可以看到,在LF精炼至30min时,由于炉渣还原性提高(w(FetO+MnO)降低至1.81%),钢液硅含量开始增加。尽管采用了高碱度炉渣以抑制w([Si])提高,LF精炼结束时钢液w([Si])仍然增加至0.044%,超过了冷轧钢板的硅含量控制标准。冷轧钢种如硅含量偏高超标,冷轧钢板屈服强度/抗拉强度比值增高,会影响钢板的冲压性能。此外,硅含量高还会降低镀锌钢板镀层与基板的粘附性,镀层容易脱落。除硅含量问题之外,采用LF精炼工艺生产冷轧钢种,精炼后钢液氮含量通常会有较大增加,碳含量也会有所提高,这对冷轧钢板的冲压性能是非常不利的。表4为邯钢采用转炉—LF—薄板坯连铸工艺生产LCAK冷轧钢种,在LF精炼前后钢液[C]、[Si]、[N]的变化情况。为了对比,还给出了宝钢采用CAS和RH工艺生产LCAK冷轧钢种,精炼前后钢液相关成分的变化情况。3.3对措施2:cas或rh精制钢由以上分析可知,转炉薄板坯连铸钢厂如采用LF炉外精炼工艺,生产时间节奏与转炉炼钢和薄板坯连铸不相适应。如转炉薄板坯连铸钢厂采用LF工艺生产冷轧钢种,除生产时间节奏不适应的问题之外,还存在钢液硅含量容易超标和氮含量偏高的问题。此外,采用LF精炼在设备投资和生产成本方面都高于CAS炉外精炼工艺。出于以上原因,笔者认为,转炉薄板坯连铸钢厂的炉外精炼应主要采用CAS和RH精炼工艺,对不同类别钢可采用以下工艺:(1)对w([S])在0.008%～0.010%的热轧类钢种,通过铁水预处理将铁水w([S])脱除至0.004%～0.006%,并采取尽量扒除脱硫渣、控制转炉炼钢原料硫含量、改善造渣等措施将转炉炼钢过程钢液回硫的质量分数控制在0.004%以下,然后采用CAS或RH精炼;(2)对w([S])在0.005%左右的超低硫热轧类钢种(薄板坯连铸钢厂此类钢种很少),通过铁水预处理将铁水w([S])脱除至0.003%～0.004%,采取措施将转炉炼钢过程钢液回硫控制在0.003%以下,在转炉出钢过程加入合成渣进一步脱硫,然后采用CAS或RH精炼;(3)对w([S])在0.004%以下的极低硫热轧钢板类钢种(目前薄板坯连铸连轧尚不生产此类钢种),采用LF“离线处理”进行深度脱硫;(4)对LCAK、ELC和ULC冷轧类钢种,可采用传统转炉流程炉外精炼工艺,即根据钢种碳含量要求和用途,选择采用RH或CAS。目前许多转炉薄板坯连铸钢厂对于采用CAS或RH替代LF尚存在以下顾虑:(1)认为薄板坯连铸对[S]的要求严于传统板坯连铸,因此有必要采用LF以加强脱硫;(2)薄板坯连铸钢水要求进行钙处理,担心采用CAS和RH精炼,炉渣氧化性较高会影响钢液钙处理效果。目前薄板坯连铸钢的硫含量控制标准主要源于SMS公司为早期电炉CSP薄板坯连铸制定的工艺标准。由于电炉钢Cu、Sn等混杂元素含量高,容易造成薄板坯各类裂纹缺陷。为了防止铸坯裂纹缺陷,薄板坯连铸电炉钢厂除增加原料中DRI或HBI比率之外,还对钢的硫含量提出了较传统板坯连铸更为严格的控制要求。我国转炉钢厂采用薄板坯连铸,钢中混杂元素含量较电炉