張建師 1 ，秦登平 1，魏銳 1 ，初仁生 2 ，王東柱 1
(1． 秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島 066326;2． 首鋼技術研究院，北京 石景山 100043)
摘要: 闡述了以 738H 為代表的高合金鋼主要雜質(zhì)元素成分控制方法。重點考慮合金增磷量，通過“轉爐雙渣 + 抑制爐后回磷”方法實現(xiàn)磷含量穩(wěn)定控制在 140 ppm;通過精煉造白渣操作進行深脫磷，實現(xiàn)硫含量穩(wěn)定控制在 30 ppm 以下。
關鍵詞: 高合金鋼;冶煉;雜質(zhì);元素;成分;控制
0 引言
首秦公司高合金鋼坯冶煉合金成分總和在 2%～3%之間，冶煉時對溫度、周期、成分的控制、連鑄影響和鑄坯的堆冷等已經(jīng)具有相當大的難度。而目前以 738H 為代表的高合金鋼鋼坯中目標成分合金含量已經(jīng)達到了 4．5% 以上，所以冶煉時對溫度、周期、成分的控制難度更大。高合金鋼中合金含量大意味著加入合金的量比較大，更意味著從原材料中帶入的雜質(zhì)比較多，以 738H 鋼中磷含量為例，加入合金帶入的磷會增加 40 ～50 ppm，而該鋼成品磷要求是在 150 ppm 以下，對磷的控制提出了極高要求。同時高合金鋼坯硫含量要求小于 30 ppm 和 T［O］小于 20 ppm，這對脫硫帶來了極大的考驗。因為有過高的合金加入量使得 LF 爐脫硫前到站鋼水溫度非常低，需要長時間的加熱，在保證冶煉周期的前提下就要求快速深脫硫，這對冶煉過程中的控制帶來了更大考驗。
1 磷含量控制
磷使鑄坯產(chǎn)生裂紋，降低鋼材表面及內(nèi)部質(zhì)量。通過對板坯連鑄工藝流程的實測數(shù)據(jù)分析，認為鋼中硫、磷等雜質(zhì)元素的晶間偏析是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的內(nèi)因。隨著鋼中磷、硫含量的增加，鑄坯中間裂紋的級數(shù)也整體增加。磷元素在鋼液凝固時偏析傾向大，使鋼的晶界脆化，從而使鋼的熱裂紋傾向增加。鋼中［P］＞0．017% 時，鋼的高溫強度和塑性降低，鑄坯容易產(chǎn)生縱裂，尤其是裂紋敏感性高的高碳高合金鋼。高碳高合金類鋼種 738H 成品磷含量判定要求≤0．015%，出鋼后合金加入量 63．40 kg /t。按照合金種類和合金中磷含量計算，加入合金進行合金化后，合金帶入的增磷量為 0．0043%，如果出鋼過程下渣的回磷量按照 0．0025%計算，為滿足高碳高合金的磷含量控制要求，轉爐終點的磷含量內(nèi)控需控制在 0．0077%，而達到成品磷含量的目標要求是轉爐終點的磷含量更低，為 0．005 7%。因此，高碳高合金類鋼種冶煉轉爐終點磷含量的控制要求極為嚴格。
1． 1 理論模型
由于高爐冶煉不能脫磷，礦石中的磷完全進入鐵水，因此在沒有鐵水預脫磷處理的情況下，磷完全依靠轉爐冶煉去除。轉爐脫磷雙渣法冶煉脫磷反應:
2［P］+5(FeO) +4(CaO)(4CaP·P2O5) +5［Fe］ (1)
由表 1 可以看出，隨著溫度的升高，反映平衡常數(shù) K 變小。也就是說在反應達到平衡時，其他條件不變的情況下，較低的溫度能得到比較低的磷含量。
高磷高合金鋼坯磷含量要求≤150 ppm。結合首秦公司設備狀況，鋼中的磷主要是通過轉爐雙渣法冶煉和控制后續(xù)工序回磷來實現(xiàn)的。
1． 2 轉爐雙渣法脫磷工藝
轉爐脫磷主要通過雙渣法:入轉爐鐵水溫度控制在1 300℃，鐵水硅含量控制在 0．40%，采用優(yōu)質(zhì)廢鋼。頭批渣造渣時加入白灰3 ～4 t，輕燒白云石2 t，爐渣堿度控制在 1．8～2．2，溫度控制在1350 ～1400 ℃，頭批渣造渣時間控制在4～5 min;倒掉磷含量較高的頭批渣，頭批渣倒渣量≥60%。第二批渣料加入石灰 3 ～4 t，二批渣堿度控制在 3．5 ～4．5，底吹氬氣流量保持在500m3 /h，拉碳溫度在 1600～1640 ℃之間。
通過轉爐雙渣法脫磷控制工藝，高合金鋼連鑄坯冶煉轉爐終點鋼水磷平均含量控制在 80 ppm 以內(nèi)(見表2)。
1． 3 爐后抑制回磷
爐后抑制回磷主要在轉爐出鋼過程中，采用擋渣錐擋渣與 AMEPA 下渣檢測系統(tǒng)配合進行控制。
保證轉爐出鋼口良好狀態(tài)，使出鋼時間穩(wěn)定控制在4 ～6 min。轉爐出鋼時強化擋渣，擋渣錐擋渣，并用 AMEPA 下渣檢測系統(tǒng)。
通過以上各項工藝技術措施，有效地減少了轉爐出鋼過程的下渣量，下渣厚度控制在 50 mm 以內(nèi)，使回磷量控制在 25 ppm 以內(nèi)。
1． 4 合金化增磷
高碳高合金類鋼種冶煉出鋼后合金的調(diào)整量較大，738H 鋼達到 61． 83 kg /t。出鋼過程采用鋁鐵合金脫氧，然后采用硅錳合金進行配硅，鉬鐵合金進行配鉬，釩鐵合金進行配釩;在 LF 爐精煉過程中用高碳錳鐵和低碳錳鐵進行配錳，采用兩種合金的原因是減少合金帶入的磷含量，最終 738H 鋼合金化過程增磷量為 38 ppm，詳細數(shù)據(jù)如表 3 所示。
1． 5 冶煉過程磷含量控制
圖 1 為高合金鋼 738H 鋼冶煉時在轉爐出鋼后，整個冶煉過程中的磷含量變化。從圖 1 中看出，磷含量控制較好，滿足對成分磷含量的控制要求。
2 硫含量和氧含量控制
高合金鋼冶煉過程的硫含量控制穩(wěn)定，滿足鋼種冶煉要求，采用 LF 爐精煉脫硫對鋼中硫含量進行控制。在實際生產(chǎn)中，成品鋼的平均硫含量和氧含量為 0． 002%以下。
出鋼過程采用鋁鐵合金強脫氧，加入量為 330kg /爐。根據(jù)計算脫氧劑的耗量可將轉爐終點的氧基本脫除，從而為脫硫創(chuàng)造良好的條件。
LF 爐精煉采用微正壓操作，嚴格控制渣、鋼的氧化性和精煉渣脫硫冶煉工藝。精煉過程采用鋁粒進行渣面脫氧和鋼液脫氧，鋁粒的總加入量為 121kg /爐次;精煉過程的白灰和螢石總耗量為 1 320kg /爐次，LF 爐精煉過程的詳細數(shù)據(jù)如表 4 所示。
精煉過程采用鋁粒進行渣面脫氧，精煉結束渣中(FeO + MnO)≤2．0%(見表 5)，精煉渣的堿度控制在 5．46，并且保證有效精煉時間控制在 45 min。為保證 LF 爐的精煉效果，LF 爐精煉的脫硫率必須達到 80．0%。
738H 鋼 LF 精煉的渣樣對比如圖 2 所示，冶煉過程中各工位的硫含量和氧含量控制如圖 3、圖 4所示。
3 結語
(1)738H 類高合金鋼采用爐后添加合金的方法，由于高合金鋼中合金含量高，加入的合金中磷元素含量也較高，加入合金后鋼水合金增磷為 30 ～50ppm。因此，爐后合金增磷非常嚴重，轉爐脫磷后出鋼溫度較低。整個冶煉過程中滿足成分磷含量要求，成品磷含量控制在 140 ppm。
(2)高合金鋼冶煉過程中的硫含量控制穩(wěn)定。采用 LF 爐精煉造白渣工藝進行深脫硫操作，在實際生產(chǎn)中成品鋼的平均硫含量穩(wěn)定控制在 30 ppm以下。