H08A冶炼工艺优化及质量改进分析.pdf

酒钢科技 2023 年第 4 期-7-H08A 冶炼工艺优化及质量改进分析富志生(酒钢集团宏兴股份公司钢铁研究院，甘肃，嘉峪关，735100）摘要：基于酒钢炼轧厂现有的装备水平及工艺条件，针对 H08A 钢冶炼化学成分、脱氧度、铸坯皮下气孔和钢水可浇注性等关键技术控制的工艺难点，通过对生产现状及影响因素的分析，确定了酒钢炼轧厂 H08A 炼钢生产的工艺优化改进措施：顶吹转炉采用高拉补吹法，保证钢水进 LF 炉温度 1560，转炉出钢平均温度下调到 1620，转炉出钢平均 O控制在(400500）10-6，从源头上控制氧含量；出钢采用 Fe-Mn-Al 及铝钙镁合金球代替硅钙钡脱氧；LF 精炼炉造黄白渣控氧控铝的工艺；连铸提拉速及降低钢水过热度。H08A 工艺优化后，在炼钢成本不大幅增加的前提下，冶炼的稳定性及钢质将会大幅提升。关键词：焊条钢；氧活度；皮下气孔；黄白渣Analysis on Smelting Process Optimization and Quality Improvement of H08AFu Zhisheng(Iron and Steel Research Institute of Hongxing Iron&Steel Co.Ltd.,Jiuquan Iron and Steel(Group)Corporation,Jiayuguan,Gansu,735100)Abstract:Based on the existing equipment level and process conditions of JISCO steelmaking and rolling plant,aiming at the process difficulties in the control of the key technologies of H08A steel smelting,such as chemical composition,deoxidation degree,subdermic porosity of casting billet and the castability of steel,through the analysis of the production status and influencing factors,the process optimization and improvement measures of H08A steel production are determined:the top blow converter adopts the high pull and fill blowing method to ensure that the temperature of molten steel into LF furnace is more than 1560,the average temperature of converter steel output is reduced to 1620,and the average O of converter steel output is controlled at(400 500)10-6 to control oxygen content from the source.Fe-Mn-Al and aluminum-calcium-magnesium alloy balls are used instead of silica-calcium-barium deoxidation.Technology of oxygen and aluminum control for yellow slag making in LF refining furnace is used;increase drawing speed and reducing superheat of molten steel in 酒钢科技 2023 年第 4 期-8-表 1 H08A 化学成分要求（%）图 1 转炉一次高拉碳碳含量分布continuous casting isused.After the optimization of H08A process,the stability of smelting and steel quality will be greatly improved under the premise of no significant increase in steelmaking cost.Key words:weld electrode steel;oxygen activity;subcutaneous blowhole;yellow and white slag1 前 言焊接用钢盘条作为重要的焊接材料，广泛用于手工电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气焊和气体保护焊等焊接工艺。十三五期间，我国焊材表观消费量占全球 50%以上，已成为名副其实的焊材生产和消费大国。焊接材料主要有焊条钢与焊丝钢，而 H08A 是制做结构钢焊条芯的主要原料，是焊条生产主要用钢，其供货形式是 5.56.5mm盘条。H08A 具有良好的机械性能，优良的焊接工艺性能，因此它一直在焊接用原材料中占有重要地位。但同时 H08A 属于典型的低硅低碳钢，其主要用途决定了盘条成分均匀、组织良好、性能稳定等特点1。因此冶炼成分控制严格、连铸、轧制和控冷等工艺过程要求高，才能实现到化学成分均匀、组织状态良好、表面质量优良、通条性能稳定的盘条，满足下游用户需求。2 生产现状2.1 H08A 冶炼工艺酒钢炼轧厂生产 H08A 已有近三十年历史，通过不断优化生产工艺，产品质量持续提高，产品供应大桥集团、大西洋焊条公司、兰州长虹焊条公司等重点焊材企业。H08A 生产工艺流程为：铁水预处理脱硫 50t 顶吹转炉冶炼 60t 钢包吹氩处理 150150mm 方坯连铸机，其化学成分控制见表 1。入 转 炉 铁 水 要 求：P 0.100%，S 0.020%，0.30%Si 0.80%。转炉终点控制情况：跟踪 30 炉钢的冶炼数据，转炉一次高拉碳含量分布见图 1，一次高拉碳的 C 含量在 0.05%0.12%，平均拉碳值为0.08%。一倒后补加石灰继续供氧吹炼，高拉碳二次补吹后出钢平均 C 含量为 0.058%，钢水终点 O含量平均值达到 74910-6，氧含量范围见图 2，基本控制在(4001100)10-6范围内。元素CSiMnPSCrNiCu含量 0.10 0.030.400.60 0.030 0.030 0.2 0.3 0.2酒钢科技 2023 年第 4 期-9-图 2 转炉出钢钢水 O表 2 钢水终点 O 与脱氧剂加入量对应关系 表 3 各元素对焊接性能的影响出钢炉后脱氧及合金化种类有：中碳 Fe-Mn、Ba-Ca-Si、Fe-Mn-Al、铝线、钙铝线/金属钙线。脱氧合金 Ba-Ca-Si 出钢时随钢流定量加入，加入量 0.20.4kg/t 钢，Fe-Mn-Al 的加入量根据转炉出钢定氧钢水终点的氧含量确定,为3.25.6kg/t 钢，Fe-Mn-Al 与钢水终点氧的加入量对应关系见表 2。吹氩站处理：出钢过程全程底吹氩气，钢水到站后首先调温、吹氩，吹氩时间大于 3min 并镇静 30s 后取样及定氧，根据定氧结果喂入铝线调整钢水 O,钢水出站 O 控制在(3080)10-6之间，喂入金属钙线 60120m 进行钙处理，钙处理后弱吹氩 58min。H08A 的典型液相线温是 1525，连铸拉速控制在(1.62.0)/min，中包浇注温度控制在15451565，钢水过热度实际控制在 2040，大包采用注流保护浇注、非注流保护浇注时间 3min，中包使用有挡墙的碱性涂料包，使用锆质水口，连浇炉数 25 炉。2.2 存在的问题酒钢焊条钢生产时间较长，行业内受到用户的认可,但近年来随产量的提升及钢材市场竞争，用户对质量和成本严格控制的要求，提出的质量异议呈上升趋势。生产过程主要存在成分命中率不稳定，改判钢种炉次多；铸坯表面气孔缺陷；连铸过程中存在絮流且易断浇。用户反馈的质量异议主要是盘条化学成分不达标，表面夹渣、气孔等质量缺陷及拉拔脆断等。3 影响因素分析H08A 在生产中均存在连续浇注能力差、铸坯易产生气泡等共性问题2。酒钢 H08A 的冶炼因为不经过精炼，对化学成分的稳定性及钢中夹杂物控制均有影响。影响焊条钢质量的主要因素包括化学成分、表面缺陷及钢中非金属夹杂物等因素。3.1 化学成分对钢的质量要求化学成分的控制是最基本也是最重要的关键控制点，参考相关研究，H08A中各元素对焊接材料性能的影响归纳为表 3。O 含量/10-6 400400500500600600700700800800900(Fe-Mn-Al)/kg160170170190190220220250250270270280元素优点缺点C焊接的过程中，产生的电弧高温能使 C 元素与 O发生氧化反应，生成CO2及CO防止空气中的氮、氧、氢等各类有害气体元素对熔池产生的不良效果，减少焊缝金属中气体含量含 C 量过高,降低钢的塑性；焊接过程引起更大的飞溅进而产生气孔；C 高也会造成焊条制作时拉拔性能的急剧下降，容易出现拉断现象；C 使钢的淬硬性以及对裂纹敏感性增加酒钢科技 2023 年第 4 期-10-SiSi 能提高钢的抗拉或屈服，还能提高钢的抗酸性能和弹性；适量的 Si 含量能减少焊接缝中的氧含量Si 高造成焊接飞溅大、影响焊缝冲击韧性；渣中 SiO2较高的酸性焊条可恶化焊缝表面质量使得产生气孔的倾向增强Mn焊接的过程中 Mn 元素能减少焊接缝中的氧含量；Mn 与 S 反应生产的 MnS 浮于熔渣中，还可以降低焊缝的热裂纹倾向；适当提高钢中 Mn 含量，能确保焊缝金属的抗低温冲击性能，同时可使焊缝金属具有与基体金属相匹配的力学性能/P、S/P 易导致钢材冷脆；随着钢中 S 含量的增加，焊接缝产生热裂纹的几率将大大增加CrCr 具有提高钢的耐腐蚀性、耐磨性和硬度的作用Cr 对于 H08A 属于杂质元素，Cr 易于急剧氧化，生成 Cr2O3是一种十分难熔的氧化物，提高了焊缝中金属夹杂物产生的几率；Cr2O3进入到熔渣后提高熔渣粘度，导致流动性降低As/As 是一种极易产生晶界偏聚的元素，导致焊缝产生回火脆性，产生应力松弛断裂以及晶界腐蚀断裂酒钢炼轧厂生产的 H08A 用户反映的成分问题主要是个别盘条存在 P 超标，说明存在成分偏析问题。As 为钢中“五害”元素之一,在国标未明确要求，但 As 元素对焊接性能影响较大，大多焊材生产钢厂 H08A 中 As 元素在0.007%0.015%范围内，因此用户对 H08A 钢中 As 元素含量有限制，部分用户对 As 元素超出0.0015%即提出质量异议，冶炼过程应该从源头上控制原材料带入的 As。3.2 表面质量缺陷脱氧度的控制是 H08A 生产的核心技术，钢水凝固过程中生成气泡是关键因素。相关研究表明吹氩后溶解氧的确定与拉速密切相关，拉速(1.71.9)m/min 脱氧度控制在(3040)10-6，拉速(2.02.3)m/min，脱氧度控制在(4045)10-6，拉速(2.32.5)m/min，脱氧度控制在(4550)10-6，铸坯质量可满足线材的质量要求3。炼轧厂冶炼 H08A 皮下气孔的缺陷 4%左右，脱氧度控制与拉速匹配未建立相关的工艺制度也是原因之一。连铸夹渣主要来自熔点高、流动性差、结晶器内浮渣被咬入铸坯表面所残留的熔渣所造成4。从炼轧厂冶炼工艺分析主要有两方面影响因素：一方面由于转炉直上连铸，冶炼周期与浇铸周期不匹配，过程出现钢水衔接紧张，中包液面过低，钢水停留时间短，不利夹杂物的上浮；另一方面转炉直上出钢氧活度高，吹氩站大量喂入铝线，浮渣中 Al2O3增多，吹氩时间不足，造成表面夹渣缺陷。3.3 非金属夹杂酒钢炼轧厂冶炼 H08A 工艺无 LF 炉精炼,中间包采用保护浇铸,钢中大型夹杂物是影响焊条钢拉拔深加工的主要危害之一。根据刘军5对无 LF 炉精炼和中间包保护浇铸对 H08A 全流程夹杂物演变规律的研究：夹杂物类型主要是硅锰铝氧化物的复合夹杂物,转炉终点绝大多数为小型 Al2O3夹杂；脱氧合金化后，夹杂物成分趋于稳定，主要为 MnO-SiO2-Al2O3、MnS-MnO-SiO2、MnS-MnO-SiO2-Al2O3和 MnS，其中大尺寸夹杂物多为 MnO-SiO2-Al2O3，尺寸最大达到70m，喂钙线反应剧烈且喷溅严重，钙收得率不高，在夹杂物中没有发现典型钙氧化物夹杂酒钢科技 2023 年第 4 期-11-物。因此 H08A 冶炼过程脱氧合金化及钢中全氧含量控制是对钢中非金属夹杂物控制关键点。4 改进措施H08A 工艺优化及质量改进关键点在于对钢的化学成分、脱氧度、铸坯皮下气孔和钢水可浇注性等关键技术的控制5-6。结合酒钢冶炼 H08A钢的生产现状，过程存在的问题及影响因素的分析，提出以下冶炼工艺优化及质量改进措施。4.1 工艺路线优化生产实践证明没有 LF 精炼和中间包保护浇铸，即使将吹氩站钢水 TO 质量分数控制在5010-6以下，铸坯中 TO 质量分数仍然很难控制在 10010-6以下。因此为进一步提升 H08A的品质，将 H08A 冶炼工艺路线优化为：50t 顶吹转炉冶炼 60 吨 LF 炉精炼 150150mm 方坯连铸机，取消原来的铁水脱硫及吹氩站精炼处理环节，在成本未大幅上升的前提下，钢坯质量将得到很大提升。4.2 转炉冶炼酒钢炼轧厂转炉冶炼 H08A 因为无底吹的原因，为保证出钢 C 含量达标，采用高拉补吹二次倒炉出钢或高拉补吹后直接出钢的方式，由于补吹后直接出钢炉次未二次定氧，转炉出钢平均 O 为 52010-6，实际估算补吹后平均 O 应在约 75010-6。影响钢水氧化性的主要因素为钢中的 C 含量、钢水的残 Mn 含量、温度及枪位等操作因素7。钢水未上 LF炉只在吹氩站定氧微调成分，转炉平均出钢温度达到 1690，出钢温度高是导致钢水氧化性高的主要原因。工艺路线优化后，只需保证钢水进 LF 炉 1560，转炉出钢平均温度可下调到 1620，转炉平均 O 控制在(400500）10-6，从源头上控制氧含量为后道工序打好基础。4.3 脱氧合金化转炉出钢氧化性降低后，相应终点脱氧使用Fe-Mn-Al 由（3.25.6）Kg/t 钢调整为 4.0Kg/t 钢定量加入，确保精炼进站钢水氧活度在(30100）10-6 之间。同时选择使用铝钙镁合金球代替硅钙钡脱氧，铝钙镁合金球具有脱氧能力强、效率高的特点，同时其脱氧产物易于上浮，能大幅度减少钢中非金属夹杂物含量，还可降低因硅系脱氧剂带来的增硅8。4.4 精炼工艺H08A 钢在 LF 炉处理的关键是造黄白渣，严禁造白渣。酒钢炼轧厂曾在 LF 精炼炉试生产H08A，钢水可浇性差，连铸絮流严重，根本原因在于对低碳低硅钢造黄白渣机理与操作未严格控制。生产实践证明,钢水中氧活度低于 3010-6，极易造成钢水絮流，精炼处理关键在于确保出站O 控制在(3050）10-6，造黄渣且流动性良好。确保精炼进站 TAl 25010-6 是 H08A 冶炼稳定的前提，精炼出站 TAl 6010-6是 H08A 稳定生产的关键9。4.5 连铸工艺工艺优化前由于钢水不经过 LF 精炼炉，转炉冶炼周期 30min，导致连铸不得不降低拉速等钢水，而提高拉速对连铸而言可抑制或减少 CO气泡生成。工艺优化后，由于精炼的缓冲作用，将连铸拉速由(1.62.0)/min 提高到(1.82.2)/min有利于脱氧度提高后的浇注及保证铸坯质量。钢水的过热度同样会影响钢中 O 含量，过热度高的钢水不仅会造成耐火材料的损耗，还会造成水口吸气严重，进一步增加钢中氧、氮含量10。工艺优化后，LF 炉处理钢水温度均匀、连铸拉速提高，都有利于降低钢水过热度。中包浇注温度及钢水过热度可下调 10，实际控制在2030。5 结束语H08A 化学成分的稳定及各工序间钢水氧酒钢科技 2023 年第 4 期-12-活度的控制、钢水 TAl 的控制是消除表面缺陷及钢中非金属夹杂物等的关键，而不经过 LF精炼及中包保护浇注，难以将其控制在合理区间内。工艺优化后，转炉平均出钢温度下调70左右，从源头上控制钢水氧活度，保证了出钢脱氧合金化及 LF 精炼工序处理后钢水纯净度；LF 炉造黄白渣、严禁造白渣以及控氧控铝保证钢水可浇性；连铸工序适当提高拉速、降低钢水过热度降低了生成皮下气孔的几率。H08A 工艺优化后，在炼钢成本不大幅增加的前提下，冶炼的稳定性及钢的质量将会大幅提升。参考文献1 尚巍巍,支旭波,等.电弧焊用 H08A 盘条试制 J.金属制品,2022,10.2 邱涛.H08A 焊条钢工艺及质量控制 J.中国冶金,2018,11.3 胡军强,胡黎宁,等.转炉-连铸工艺生产 H08A 的技术开发 J.河北冶金,2004,02.4 李东辉.连铸小方坯表面夹渣缺陷质量评判 J.中国冶金,2015,03.5 黄刘军,宋朝琦,等.H08A 焊丝钢夹杂物演变规律分析 J.中国冶金,2021,03.6 蒋志国,H08A 钢生产工艺的技术进步 J.河北冶金,2016,01.7 张岩,张红文.氧气转炉炼钢工艺与设备 M.北京：冶金工业出版社,2016.8 龚波.达钢 H08A 焊条钢炼钢生产工艺开发与实践 D.西安建筑科技大学,2018,06.9 贯生金,李洪伟.天钢 LD-LF-CC 流程冶炼 H08A 的生产工艺优化 J.天津冶金,2012,04.10 王田田,杨树峰,等.连铸坯皮下气泡缺陷成因及控制 J.中国冶金,2020,12.作者简介:富志生(1969-)男，汉，甘肃嘉峪关人，高级工程师，2009 年毕业于北京科技大学冶金工程专业，现在酒钢集团宏兴股份公司钢铁研究院主要从事炼钢工艺技术及新产品开发工作，邮箱：。