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沸腾钢浇注的化学封顶工艺
摘　要　主要研究稀土镁硅合金替代铝条应用于沸腾钢浇注的化学封顶工艺; 分析了浇注工艺的可行性。由于应用该工艺钢材质量提高幅度很大, 为稀土在钢中应用开辟了新的途径。
关键词　稀土镁硅合金　应用于沸腾钢　替代铝条
RARE EARTH-Mg-Si ALLOY FOR RIMMING STEEL
MA Chunsheng　YU Huacai　LIU Baozhong
(Benxi Iron and Steel(Group) Co.)
ABSTRACT　In the paper the use of Rare Earth-Mg-Si alloy for rimming steel coping is studied instead of aluminium. The industrial test has proved that the cost is reduced, the steel quality is improved. It is a new application of RE in metallurgy.
KEY WORDS　RE-Mg-Si alloy, use for rimming, instead of aluminium bar
1　前言
　　中国稀土资源十分丰富, 而且品种齐全、 质量好、 分布广、 开采方便, 已探明的稀土储量为37　000万t(折合成稀土氧化物), 约占世界总储量的80 %, 居世界第一位。中国稀土推广应用得到了突飞猛进的发展, 在冶金中应用更为广泛, 1989年中国稀土处理钢的产量已达25万t。稀土加入钢中, 可起到脱氧、 脱硫、 改变夹杂物形态、 提高钢的抗氧化性能, 提高钢的高温强度和塑性, 提高钢的疲劳寿命、 耐腐蚀性及抗裂性等作用。到当前为止, 稀土广泛地应用于镇静钢及铸铁中, 其效果是肯定的。可是稀土在沸腾钢中的应用还只是起步阶段。本文将对稀土在沸腾钢中的应用作阐述, 以期起到抛砖引玉的作用。
2　本钢炼钢厂的生产现状及工艺特点
2.1　本钢炼钢厂的生产现状
　　本钢是拥有三座公称容量为120 t的氧气顶底复吹转炉, 转炉平均出钢量为155 t, 年产普钢为255万t, 其中沸腾钢的比例为95 %, 主要生产Q215F钢和Q235F钢, 以模注为主。
2.2　本钢炼钢厂生产工艺特点
　　本钢沸腾钢的生产, 其浇铸工艺采用的是浇注过程中加铝条与铸后上部加硅铁相结合的化学封顶技术。当钢液中氧含量过高或钢水过热时, 一般采用加铝条调节其沸腾强度和氧化性强弱, 以期消除钢水上呕, 取得良好的封顶效果, 保证沸腾钢良好的头部形状和内部结构。用加铝条来调节, 具有操作方便、 效果稳定的优势。但也渐渐地显露出弊病: ①加铝调节的钢, 从其夹杂物分析看, Al2O3夹杂物增大, 硫化物多为条状的MnS夹杂物, 这种形态的夹杂物塑性好, 在轧制时随着钢材的延伸而延伸, 从而引起钢材夹层等各向异性; ②浇钢过程中当浇钢到锭头部加铝条时, 由于铝条的脱氧力强而造成钢锭头部沸腾不充分, 氧化夹杂物和气体上浮排出困难, 造成钢锭头的坚壳带薄, 而形成一圈结痕, 轧制时极易形成结痕废品, 从而导致钢锭的成坯率下降; ③随着钢产量的增加, 铝的消耗量越来越大, 而铝的价格飞涨。因此, 对于每年加铝消耗190多吨、 价值为400多万元的普沸钢厂家来说, 寻求铝条的代用品——稀土镁硅合金, 对降低成本、 提高沸腾钢的质量具有现实意义。
3　稀土镁硅合金的使用方法
　　本厂的钢锭浇钢高度为2　200 mm, 当钢液在模
表 1　合格率及封顶封住率的比较　　%
　　Table 1　Comparison of qualifing rate and success rate of coping　　%

种类
气囊
接痕
气泡
结疤
总合格率
封住率
稀土工艺
99.872
100.000
99.924
99.941
99.737
95.03
加铝工艺
99.838
99.991
99.804
99.928
99.563
94.67
比较
+0.034

+0.009
+0.120
+0.013
+0.174
+0.36

内上升至2　050～2　100 mm时, 开始用挑加具挑稀土镁硅合金袋(袋装稀土镁硅合金, 0.8 kg/袋), 随钢流加入中注管内, 稀土合金便经过中注管进入模内钢水, 其加入量为0.08 kg/t左右。当钢液上升至2　200 mm时停流, 延时1～2 min后, 向模内直接加入硅铁(按3.75～5.00 kg/支(模)), 并一次性搅拌均匀即可。
4　结果与讨论
4.1　生产工艺方面
　　从1996年11月开始, 稀土镁硅合金在我厂的沸腾钢生产中已应用于大生产, 到当前为止已经过了三个多月的3　000多炉钢的生产使用, 并与同期加铝封顶工艺两个月生产的1　600炉沸腾钢作对比(表1)。经过对比能够看出, 稀土镁硅合金的沸腾钢封顶工艺取得的各项指标均优越于加铝条的沸腾钢封顶工艺。前者完全消除了结痕轧后废品的产生, 钢锭的质量明显提高, 钢锭的成坯率比计划指标提高了0.73 %, 钢锭合格率提高了0.174 %, 钢锭头部封顶封住率提高了0.36 %; 统计发现, 吨钢消耗稀土镁硅合金量为0.080 kg, 比加铝条的沸腾钢的封顶工艺消耗的0.083 kg/t略有降低, 取得了很大的经济效益(稀土镁硅合金价格仅为铝价格的一半)。
　　表2是本钢现在使用的稀土镁硅合金的成分。这种配比的稀土镁硅合金在生产中应用, 既克服了铝条脱氧力极强、 预脱氧尺度不易掌握的困难, 又起到了复合脱氧剂脱氧的作用; 既保证了钢液预脱氧后沸腾充分, 又能使钢液深度脱氧。
表 2　稀土镁硅合金的化学成分　　%
　　Table 2　Chemical composition of alloy　　%

RE
Mg
Ca
Si
其它
Fe
6.0～8.0
9.0～11.0
≤3.0
38～44
6～7
余量

　　从实际应用中和用户使用该钢时的信息反馈看, 加稀土镁硅合金生产的沸腾钢的质量上的优势更加明显。影响沸腾钢质量和成坯率的因素主要是沸腾钢锭的头部形状。加铝条封顶工艺, 一般在钢液浇到2　050～2　100 mm时开始加铝条, 在钢锭头部100～200 mm位置脱氧很强而且比较集中, 这样有时就造成浇钢到钢锭头部的钢液不沸腾或者沸腾不充分, 加硅铁立即搅拌封顶, 则钢锭头部较快凝固, 钢液内的气体和氧化夹杂物上浮排出不充分, 造成钢锭中上部及头部质量恶化, 轧制时钢坯头部断面出现流渣、 孔洞、 舌形等, 降低了钢锭的成坯率及合格率, 另外, 钢锭头部100～200　mm的坚壳带较薄, 在加热时易烧漏而影响板材的表面质量。
　　稀土镁硅合金替代铝条的沸腾钢生产工艺, 结合延时封顶技术解决了以上的问题, 改进了钢锭中上部特别是头部的质量, 提高了钢锭的成坯率及合格率。延时封顶技术的采用给操作人员带来了极大的方便, 不象加铝封顶工艺的封顶时间很紧, 如不抓紧封顶, 则钢锭头部结壳, 加入硅铁后难以与钢液完全接触, 不立即搅拌就会使钢锭头部冒涨成菜花头的形状, 而影响了钢的质量。加稀土镁硅合金的沸腾钢在封顶操作时, 钢锭的头部在2 min内不结壳(Al2O3渣壳熔点比SiO2渣壳熔点高), 使操作人员有充分的时间进行封顶搅拌, 这样硅铁充分与钢液接触熔化, 发挥了硅铁的脱氧作用, 同时也保证了钢液中的脱氧产物、 夹杂物及气体有充分的时间上浮或排出, 改进了钢锭的头部质量, 钢锭轧制后结痕废品降为零, 成材率明显提高。
　　另外, 稀土镁硅合金中含有一定的碳酸盐, 它在高温下分解产生的CO2气体加强了钢液内部的动力学条件, 使钢液沸腾充分, 钢锭的坚壳带增厚, 改进了钢锭的质量。一般认为, 模内钢水沸腾开始越早, 钢水沸腾越强烈, 钢锭的坚壳带越厚。而钢锭坚壳带的厚度是评定沸腾钢质量的重要标志之一。
4.2　沸腾钢的板材性能方面
4.2.1　钢板材质检验结果
　　钢板材质的检测单位是中国科学院沈阳金属研究所。
　　(1) 检材的化学成分见表3(每组取10个样品)。
　　(2) 冲击试验
　　将检材加工成横向非标准冲击试样(每组取5个试样), 其尺寸为: 原板厚×55 mm×10 mm, 开”V”型口, 依据GB228—63金属常温冲击韧性试验法, 试验结果见表3。
　　(3) 夹杂物检验
　　根据YB25—77钢中非金属夹杂物显微检验法, 磨制检材(各50炉)的纵向剖面金相试样在100倍下检验, 结果如下。
　　1) 夹杂物分布: 检材中的夹杂物均匀分布在板材中心, 约占板厚1/2的范围内, 两侧边缘无夹杂物或夹杂物很少。
表 3　检材的化学成分(%)及力学性能
　　Table 3　Chemical composition(%) and mechanical
property of test steel

编号
钢种
C
Si
Mn
P
S
aK/J*cm-2
注
1
Q235BF
0.16
0.07
0.40
0.015
0.035
76
加RE
2
Q235BF
0.16
0.07
0.40
0.009
0.035
54
加Al
3
Q215BF
0.14
0.07
0.36
0.011
0.038
64
加RE
4
Q235BF
0.14
0.07
0.36
0.010
0.036
52
加Al
5
Q195BF
0.11
0.07
0.37
0.007
0.025
73
加RE
6
Q215BF
0.11
0.07
0.34
0.020
0.040
49
加Al

　　2) 加稀土镁硅合金(即加RE)钢与加铝钢中的夹杂物有较明显的区别, 即加RE钢中的夹杂物多呈点状或链状, 加铝钢中的夹杂物则呈点状或较连续的条状。
　　3) 夹杂物成分分析
　　因检材较多, 钢板的化学成分大同小异, 由此认为加RE钢中的夹杂物成分也相似。因此只分析了一组试样的成分。
　　①光谱定性分析结果
　　1号: 试样为铁基, 并含有少量的Si、 Mn元素, 不含Al。
　　2号: 试样为铁基, 并含有少量的Si、 Mn元素, 不含稀土元素。
　　②用能谱仪分析夹杂物的成分见表4。
　　4) 夹杂物含量的测定
　　用德国进口的IPS500型图像分析仪分析检材中的夹杂物含量, 见表4。
表 4　夹杂物的化学成分及含量　　%
　　Table 4　Chemical composition and content of inclusion　　%

序号
夹杂物
形状
夹杂物成分
夹杂物含量(面积)
注
Mg
Al
Si
S
Ca
Mn
条状或链状
点状
1
链状
—
—
—
6.60
—
10.90
链状20.6
21.9
MnS

点状
—
—
—
8.90
—
18.90

MnS
2
链状
—
6.00
15.10
0.90
0.40
40.60
条状21.6
25.5
硅铝酸盐

点状
—
0.02
0.09
17.04
0.40
40.41

主要MnS

　　　　(4) 检验结果
　　1) 加RE明显提高了钢板的横向冲击性能, 减小了钢材的各向异性。
　　2) 加RE能改变钢中硫化物的形貌, 由条状变为点状或链状。
4.2.2　加RE工艺与加铝条工艺对钢板力学性能的影响
　　根据常规力学性能统计180炉数据, 加RE工艺比加铝条工艺的钢的塑性指标δ5略有增加, 强度指标σs、 σb也略有改进。
　　以上的结果表明, 加稀土镁硅合金钢板的力学性能指标的平均值均略高于加铝条工艺生产沸腾钢的力学性能。钢中的条状MnS夹杂物略有减少, 减少的条状MnS夹杂物变成了点状或链状, 对夹杂物的形貌有一定程度的改变, 钢材的横向性能得到了改进。
5　结论
　　(1) 在浇注沸腾钢时, 加稀土镁硅合金调节钢液的氧化性、 结合硅铁的化学封顶工艺, 能够完全取代加铝条的工艺, 稀土镁硅合金是沸腾钢生产工艺中用铝的理想替代产品。
　　(2) 稀土镁硅合金的使用, 提高了钢的韧塑性, 改进了钢的各向异性; 稀土镁硅合金中的碳酸盐在钢液中分解产生的二氧化碳气体, 有利于钢液中氧化夹杂物上浮和排出。
　　(3) 在沸腾钢的生产过程中, 加稀土镁硅合金调节钢液的氧化性结合延时封顶, 可使钢液沸腾充分, 这样增加了钢锭坚壳带的厚度, 减少了轧制前均热时钢锭表面气泡暴露现象, 提高了钢的成材率和质量。