转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究

转炉冶炼特殊钢工艺技术的研究
传统特殊钢生产一般采用电炉工艺。

随着炉外精炼技术的发展，目前国外大量采用转炉冶炼轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等特殊钢。

如日本转炉冶炼的特殊钢己占全部特殊钢产量的75%以上。

在国内，由于废钢紧缺，电价较高，采用转炉冶炼特殊钢具有更明显的成本优势，而且有利于提高产品质量。

因此，近两年许多转炉钢厂开始研究采用转炉生产特殊钢的工艺技术。

本文介绍了本溪钢铁集团公司(以下简称本钢)利用转炉生产特殊钢的工艺技术，并对3年来的试验研究结果和产品质量进行分析。

1 转炉冶炼特殊钢的基本条件
本钢粗钢生产能力为500万t/a，其中转炉钢450万t/a，电炉钢50万t/a，转炉钢的主要品种为：石油管线钢、汽车用钢、结构钢、冷轧深冲板钢、压力容器钢、耐候钢、链条钢和热镀锌板钢等八大系列产品。

电炉钢的主要品种为：齿轮钢、车辆轴坯钢和军工用钢等500多个钢号。

2001年末，普钢生产线经过全面的技术改造，新建了铁水预处理、炉外精炼LF/RH等设备，实现了全连铸，转炉采用顶底复合吹炼工艺和终点动态控制技术。

在此基础上研究开发纯净钢生产工艺，使产品质量得到明显提高。

特钢生产线的800mm×650mm大型轧机，适宜生产大规格特殊钢产品。

但因废钢短缺、电价上涨等原因使电炉炼钢生产成本偏高，产品缺乏市场竞争力。

因此，在普钢实现了全连铸后，利用连铸机检修时的过剩铁水，研究开发转炉冶炼特殊钢的生产技术，组织特殊钢生产，有利于发挥本钢普特结合的技术优势，降低生产成本，提高特殊钢产量。

2 试验情况与试验结果
从2002年开始进行转炉生产特殊钢的试验研究，采用转炉冶炼、模铸工艺，经过800mm/650mm轧机轧制成Φ20 mm×280mm不同规格的棒(方)型材。

经过两年多的试验生产，到目前为止共计炼钢25万t，形成四大品种系列：军工钢系列以炮弹钢为主，专用钢系列以火车轴坯钢LZ50，石油钻铤4145H为主，合金钢系列以20CrMnTiH齿轮钢、42CrMo汽车前桥钢为主，优质碳结钢系列以45汽车曲轴钢为主。

经用户检验，使用性能均满足用户的技术要求。

利用转炉生产的特殊钢产品性能指标己超过电炉钢，如：车辆轴坯钢LZ50、压力容器钢34Mn2V 和石油钻铤钢4145H等特殊用途的专用钢。

炮弹钢系列9260钢种经国家经贸委、兵器工业总公司鉴定验收。

LZ50钢的生产工艺及产品经铁科院辽宁省科技厅、辽宁省经贸委鉴定验收，正式投入大批量生产；在齿轮用钢生产方面，己成为全国该类钢的主要生产基地。

转炉生产特殊钢的成本也在大幅度降低，按2002年度废钢、电、矿石等大宗原料成本价格计算，转炉生产特殊钢比电炉生产成本降低280元/t，试验的情况见表1，试验中研究开发的新钢种如下。

表1 试验生产情况
年份生产
炉数合格钢水量/t 合格钢锭量
/t
生产
品种/个
特殊钢
品种/个
成分
合格率/%
成材
率/%
2002 750 104 990.900 99 103.038 23 16 99.73 84.6
9
2003 699 95 733.424 91 869.386 26 18 99.81 83.5
6
2004 (1~10月) 429 60 461.384 56 730.550 13 10 100 84.9
2
军工钢：9260、D60、58SiMn、35CrMnSiA、823、40Mn2Si。

专用钢：20CrMnTiH(0-5)、LZ50、LZ40、45(曲轴用)、42CrMoA、GCr15。

合金钢：20CrH、40Cr、40Mn2、P20、34Mn2V、12Mn2VB。

优质碳结钢：20 、35、45H、Q235B、Q235D、Q235DT、55、50Mn。

3 转炉生产特殊钢工艺
3.1 工艺流程
和普钢相比，特殊钢要求保证钢材的综合力学性能，因此，要求对钢水实现窄成分控制，以提高钢材的淬透性能。

提高钢水洁净度，严格控制钢中气体含量，以保证钢材具有较高的强度和疲劳性能。

根据本钢的具体条件，为满足特殊钢的质量要求，决定采用以下工艺路线：高炉铁水→铁水脱硫预处理→复吹转炉冶炼→炉外精炼(LF/RH)→模铸→800mm/650mm轧机轧制成材。

3.2 铁水预处理
铁水全部进行脱硫预处理，处理后的[S]含量按钢种[S]含量的控制要求确定。

通常，对于RH 真空处理的钢种，铁水预处理后、(w[S])≤0.005%；经LF处理的钢种，铁水预处理后w([S])60.01%即可满足工艺要求。

3.3 复吹转炉炼钢
(1)造渣制度：正常采用单渣法不留渣操作，特殊要求[P]低的钢种有时也采用双渣法冶炼。

(2)供氧制度：氧枪工作压力设定在0.8~0.9MPa，供氧流量设定为33000~35000m3/h。

(3)温度制度：终点降温时可根据情况使用不同冷却剂。

降温值大于10℃时采用铁矿石或海绵铁降温值小于10℃时采用冶金渣或粒钢。

(4)脱氧合金化制度：
①采用硅铝钡锶钙复合脱氧剂脱氧，如果包中单合金元素的质量分数大于1%时，要求对合金加热(不高于300℃)。

②合金加入顺序为硅铝钡锶钙→硅锰→硅铁→高锰→中锰→钼铁→铬铁→钛铁。

③合金加入时间为合金总量少于2t时，从出钢1/4开始至1/2加完；合金总量大于2t时，从出钢1/5开始至4/5加完。

④兑氧合金化制度要依据钢种合金量的不同而确定，当总量超过3t时，有时合金化要在转炉内进行，在出钢过程中进行调整。

(5)终点控制：根据钢种含[C]的不同，采用拉碳法和增碳法两种工艺。

3.4 炉外精炼
(1)LF-IR处理工艺，可生产w([S])≤10×10
-6
的超低硫钢。

成分控制精度可保证w([C]) 偏差±0.01%，w([Si])偏差±0. 01%.w([Mn])偏差±0.02%，温度偏差±5℃，LF-IR的操作工艺如下。

温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋0~25℃(根据精炼处理不同目的确定)；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。

合金化制度：合金化要在炉渣基本转白后进行。

合金化时尽量争取一次合金化成功。

喂线制度：丝线种类有铝丝、硅钙丝和碳丝。

喂丝期间，根据透气砖情况采用弱搅拌，吹氩强度以钢水不裸露为准。

喂丝结束后继续搅拌3~5min.
(2)RH-IB真空脱气工艺，适宜生产超纯净钢，钢水纯净度可达到钢中气体w([H])≤1.5×10-6，w([O])≤25×10-6，w([N])≤50×10-6。

生产特殊钢时RH-TB的操作工艺如下。

温度制度：精炼前温度＝精炼后温度＋20~40℃(根据精炼处理不同目的确定；精炼后温度＝开浇温度＋15℃(精炼处理后至开浇温降)。

升温制度：升温不允许大于30℃，升温氧铝比控制在0.8~1。

处理周期：普特结合钢种RH处理周期越短越好，时间控制在30~50min。

合金化制度：在处理结束前5min，合金化必须结束，并保证净吹氩时间大于5min。

合金化必须一次完成。

3.5模铸
3.5.1 选择锭型
根据生产特殊钢产品的技术条件和成材规格要求，设计确定了3.16t方形锭和4.8t知形锭两种锭形，其中除炮弹钢、铁路轴坯钢和石油钻铤钢等有压缩比要求和大规格(大于200mm)的钢种采用4.8t锭型外，其余钢种均采用3.16t锭型。

3.5.2 温度制度
浇注温度按下式确定：
浇注温度＝液相线温度1536－∑(i×w
B
)＋过热度(40~60℃)
其中∑(i×w
B )为各元素对液相线温度的影响之和；i为各元素每1%质量分数的温降；w
B
为各
元素的质量分数。

根据普特结合生产的特点：如浇注底盘多、浇注时间长、钢包温降慢(0.3~0.8℃/min)和满足钢种质量要求，一般钢种过热度选择为50℃，对少Si、Mn质量分数高，流动性好的钢种选择为40℃，低碳、粘稠钢种选择为60℃，浇注温度范围控制为±5℃。

3.5.3 浇注速度
浇注速度的控制根据不同锭型的浇注质量及帽口补缩要求，分锭型进行控制。

3.16t锭：锭身浇5min以上，帽口浇4min以上；
4.8t锭：锭身浇8min以上，帽口浇7min以上。

3.5.4 氩气保护
对于气体含量有特殊要求的钢种，为防止钢水浇注过程中的二次氧化和吸气，在浇注时采取简易有效的氩气保护，保护形式为钢流逆向方式吹氩。

4 产品质量
转炉试制特殊钢品种共计26个，表2列出了具有代表性的钢种成品材的质量检测结果。

表2 转炉特殊钢成品材的力学性能、低倍组织及夹杂物情况钢号检验炉次力学性能夹杂物低倍组织
合格炉数合格率
/%
合
格
炉
数
合格率/% 合格
炉数
合格率/%
9260 22 22 100 2
1
95.24 20 90.91
35CrMnSiA 6 6 100 6 100 6 100
LZ50 5 4 80.00 5 100 5 100
20CrMnTiH 20 18 90.00 2
100 20 100
42CrMoA 31 30 96.77 2
3
74.19 30 96.77
转炉生产与电炉生产相比较，具有以下质量优势：组批量大(转炉150t/炉，电炉40t/炉)，降低用户检验成本；钢质纯净，除了由于全铁法和处理工艺降低[S]、[P」外，全铁法还使得不能用氧化法除掉的有害元素(Pb、As、Sn、Sb、Bi)非常低；气体含量低，电弧炉炼钢时易电离空气中的[H]和[N]，使钢中[H]和[N]气体含量比转炉高。

表2中，9260钢低倍组织合格率偏低是由于开始试制时，铸锭温度偏高所致；LZ50钢力学性能合格率偏低是试制时碳含量控制在中上限，
使得塑性(δ
5
、φ)低，现在己将碳含量控制在中下限，合格率己提高到95%以上；20CrMnTiH
钢力学性能中的淬透带要求比较窄，HRC≤64，使得成分控制范围很小，另外，这类钢合金元素多，特别是含有易氧化合金元素[Ti]，合金元素成分很难控制，成分的偏差造成淬透性合格率的降低。

通过工艺试验，己较稳定地控制了化学成分含量。

铁路运输提速和单车增加运量之后，原车辆轴坯钢LZ40改为现在LZ50，以解决疲劳强度低造成寿命短的质量问题。

影响钢材疲劳强度的主要因素是纯净度。

(1)LZ50钢w[H]≤2.5×10-6、w([O])≤30×10-6；(2)低倍组织一般疏松在2.5级以下、中心疏松在2.5级以下、锭型偏析在2. 5级以下、点状偏析在2级以下；(3)非金属夹杂物A≤2.5级、B≤2. 5级、C≤2.5级、D≤2.5级、A＋C≤3.0级；(4)晶粒度在5级以上。

对利用转炉生产的42炉LZ50辆轴坯钢结果进行了气体含量、低倍组织和非金属夹杂物统计分析、证明用本溪特有的矿产资源优势，采用独特的工艺路径：铁水预处理→转炉全铁水冶炼(150t)→炉外精炼→800mm轧机可生产出气体含量低、非金属夹杂物少而弥散的均匀致密组织的轴坯钢，与电炉冶炼的轴坯钢相比，具有明显的质量优势。

4.1 钢中气体含量
表3给出LZ50钢中气体含量的分析结果，从表3可以看出，采用转炉生产特殊钢可严格控制钢中气体含量，w([O])平均达到12.21×10-6，w([H])为0.78×10-6，w([N])为60.4×10-6。

图1给出了钢中气体含量的分布情况。

表3LZ50钢中气体质量分数10-6
[H] [O] [N]
最大值 1.4 19 90
最小值0.5 9 40
平均值0.78 12.21 60.4
图1 LZ50钢中气体含量分布图
4.2 钢中非金属夹杂物
采用转炉生产特殊钢可以严格的控制钢中的非金属夹杂物，基本消除C类和D类夹杂，如表4
所示。

表4LZ50钢中各级别非金属夹杂物的分布频数
级别A类B类C类D类粗细粗细粗细粗细
0 0 0 0 0 42 42 38 41
0.5 1 3 31 22 0 0 1 0
1 5 16 8 16 0 0 3 1
1.5 11 12 2 3 0 0 0 0
2 11 6 0 1 0 0 0 0
2.5 1
4
5 1 0 0 0 0 0
3 0 0 0 0 0 0 0 0
平均值 1.
8
8 1.43 0.6
9
0.80 0.00 0.00 0.08 0.02
4.3 低倍组织
表5给出了钢中低倍组织的分析结果。

表5 LZ50钢的低倍组织
级别一般疏松中心疏松锭型偏析
频频率/% 频频率/% 频次频率/%
次次
0 2 4.76 20 47.62 9 21.43
0.5 3 7.14 14 33.33 28 66.67
23.81 5 11.90 2 4.76
1 1
1.5 1
35.71 3 7.14 1 2.38
5
2 9 21.4
3 0 0.00 2 4.76
2.5 3 7.14 0 0.00 0 0.00
注：总样本数为42
5 结论
(1)本钢采用铁水预处理→转炉复吹→钢水精炼→模铸→连轧工艺流程生产特殊钢，工艺成熟，具有广泛的推广应用价值。

(2)转炉冶炼特殊钢具有气体含量低，钢质纯洁，夹杂物少，弥散分布的质量特点。

(4)转炉生产特殊钢质量稳定，生产批量大，生产成本低，具有明显的市场竞争优势。

(3)根据本钢转炉冶炼特殊钢的试验，现己决定将模铸改造为大方坯连铸，进一步提高产品质量，降低生产成本。