低合金鋼AOD冶煉初探

1、AOD爐精練低合金鋼初探威蘭閥門（蘇州）有限公司 李紀(jì)宏鄭州海特機(jī)械有限公司 余健 申少輝 谷新波 薛振華一 前言 近幾年，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，鋼鐵業(yè)生產(chǎn)能力的快速增長和鋁合金產(chǎn)量的急劇增長，拉動(dòng)了冶金，采礦設(shè)備的強(qiáng)勁需求，這些行業(yè)是鑄鋼件的最大用戶。鐵路部門是鑄鋼件的第二大用戶，從鐵路客運(yùn)車輛的多次提速，到高鐵客運(yùn)專線的快速建設(shè)，大中型城市地鐵項(xiàng)目的全面開工，高速重載貨運(yùn)機(jī)車的需求；整個(gè)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資必將加大對鑄鋼件的需求；還有電站設(shè)備，船舶制造和工程機(jī)械行業(yè)也是鑄鋼件的重要用戶。此外，隨著石油鉆井和煉油設(shè)備的增加及管道輸送的發(fā)展，對閥門和泵用鑄鋼件的需求與日俱增。類似

2、的應(yīng)用優(yōu)質(zhì)高附加值，鑄鋼件的場合極多，不勝枚舉。國內(nèi)外市場對高附加值鑄鋼件需求十分可觀。 我公司近年來致力于石油化工泵，閥類；工程機(jī)械及軌道交通等高品質(zhì)鑄鋼件的研發(fā)取得了一定的進(jìn)展。<一>.高品質(zhì)鑄鋼件的基本概念：如前所述現(xiàn)代高品質(zhì)鑄鋼件主要應(yīng)用于冶金，采礦，軌道交通，電站，石油化工等重要領(lǐng)域，為保證鑄鋼件高可靠性，高保安性，高穩(wěn)定性要求，從化學(xué)成分，機(jī)械性能；表面質(zhì)量；內(nèi)在質(zhì)量，夾雜物級別，焊修歷程，熱處理歷程等提出全面細(xì)致的要求；另外鑄件唯一標(biāo)示和可追朔性（關(guān)鍵件要永久保存檔案資料）。1 化學(xué)成分； P，S超標(biāo)準(zhǔn)限定 CSN18；（ P0.016 S0.015 )2 力學(xué)性能；

3、本體性能要求，本體動(dòng)態(tài)撕裂3 表面粗糙度；GB/T6060.1(ISO 2632/III);MASS-SP-55 氣孔，砂孔，冷隔，芯撐，水紋，氣割表面，打磨表面4 濕法熒光磁粉（MPI）100% GB/T9444-2007(ISO 4986:1992)5 滲透探傷 （PT）GB/T9443-2007（ISO 4987：1992）6 全身或關(guān)鍵區(qū)域RT GB/T5677-2007（ISO 4993：1987）常用ASTM E446 E186 E280 E1927 超聲波探傷（UT）GB/T7233 （ASTMA609A；EN12680-1/2）8 熱處理原始記錄 定期的爐溫的均勻性測定9 缺陷

4、修補(bǔ) 有嚴(yán)格要求（必須做焊接工藝評定；重大缺陷要客戶批準(zhǔn)）；關(guān)鍵件熱處理后不許任何包括焊接在內(nèi)的熱歷程。 <二>.一般純凈鑄鋼（碳鋼和低合金鋼）應(yīng)控制在S+O（或N）總量小于150×10-6的水平，O小于60×10-6，夾雜物GB/10561-89（A硫化物，B氧化物，C硅酸鹽，D球狀和點(diǎn)狀氧化物）一般認(rèn)為要小于8微米。顯然普通電爐冶煉已不能滿足高品質(zhì)鑄鋼件要求；獲得高純凈鋼液可采用鋼包吹氬凈化，鋼包喂線凈化，感應(yīng)爐氬氣凈化（爐底吹氬和爐口氬氣保護(hù)），真空感應(yīng)爐精煉，氬氧爐AOD（Argon Oxygen Decarburization）精煉，鋼包LF(Ladl

5、e Furnace) 精煉, VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）精煉，電渣熔鑄精煉等現(xiàn)代技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)。必須看到，純凈鑄鋼及其精煉技術(shù)是當(dāng)前鑄鋼技術(shù)發(fā)展的重要方向。當(dāng)然獲得清潔鋼液及高品質(zhì)鑄鋼件的途徑還有很多，也還要其它工藝條件配合，爐料管理和清潔；澆注過程控制；鋼液過濾技術(shù)；型砂技術(shù)；熱處理等等。但這里僅對AOD冶煉工藝技術(shù)展開討論。由于種種原因，迄今還很少采用AOD或VOD精煉工藝生產(chǎn)高品質(zhì)鑄鋼件，尤其是低合金鋼鑄件。我公司2008年投資建設(shè)3噸AOD（Argon Oxygen Decarburization）精煉爐，已冶煉鋼種：ZG0Cr13Ni4Mo；

6、CF8M；CF3M；ASTM A487；27CrNiMo這里僅討論低合金鋼鑄件的AOD冶煉實(shí)踐。二 設(shè)備情況1 AOD爐體和工作層爐襯材料 AOD氬氧爐主要用于熔煉不銹鋼，近年來擴(kuò)大到用于碳鋼和低合金鋼的生產(chǎn)。AOD氬氧爐精煉過程對耐火材料的作用如下： <1> 為將鋼中碳降到很低（0.01%），精煉溫度需達(dá)1710-1720以上，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引起熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落； <2> 開始吹氧時(shí)，鋼中硅氧化為SiO2，爐渣變?yōu)閴A度很低的酸性渣（B0.5）。而在脫硫期，需要高堿度渣（B3.0）。精煉過程中，耐火材料受到堿度變化范圍很大的堿酸性爐渣的侵蝕作用； <3>

7、 大量噴吹氬氣和氧氣，鋼液和爐渣激烈攪動(dòng)，對噴嘴和噴嘴區(qū)耐火材料的侵蝕作用尤為嚴(yán)重； <4> AOD爐為間歇式操作，爐襯工作面熱震大。 因此，AOD爐用耐火材料應(yīng)具有良好的抗熱震性，耐機(jī)械磨損，抗沖刷，結(jié)構(gòu)致密，并具有高強(qiáng)度。 AOD爐襯材質(zhì)主要有兩種類型：鎂鉻質(zhì)和白云石質(zhì)。鎂鉻質(zhì)系耐火材料具有高溫強(qiáng)度大，對中低堿度爐渣抗侵蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。但受高堿度脫硫渣的侵蝕嚴(yán)重，且抗熱震性差，廢磚污染環(huán)境，價(jià)格較高。而白云石磚能克服上述缺點(diǎn)，隨著冶煉操作過程造渣制度改進(jìn)，AOD爐已趨向于采用白云石質(zhì)耐火材料1。（1）國內(nèi)某工廠AOD爐工作層用半再結(jié)合鎂鉻磚筑砌1， 表1: 半再結(jié)合鎂鉻磚理化性

8、能1化學(xué)組成物理性能MgOCr2O3SiO2顯氣孔率常溫耐壓強(qiáng)度荷重軟化點(diǎn)溫度高溫抗折強(qiáng)度%MPa0.2MPa T0.61400 MPa71.516.452.7515.050.017009.0該材料高溫強(qiáng)度高，熱抗震穩(wěn)定性好，抗渣侵蝕力強(qiáng)，比較適合間歇式精練生產(chǎn)。采用該材料根據(jù)工況對工作層實(shí)施異型砌筑后，AOD爐齡可以達(dá)到30爐左右。 （2）AOD爐筑砌完成后必須進(jìn)行烘烤，是將半再結(jié)合鎂鉻磚中的水分烘烤干凈并使其緩慢相變至完全，其烘烤工藝如表2表2: AOD爐半再結(jié)合鎂鉻磚工作層烘烤工藝1溫度范圍（）升溫速率（/h）保持時(shí)間（h）保持溫度（）0-300308-12300300-650308-1

9、0650650-1100508-121100（2）我們主要以低合金鋼冶煉為主，不銹鋼冶煉為附，兼顧考慮到價(jià)格便宜，無公害及其它優(yōu)點(diǎn)，故選用白云石質(zhì)耐火材料。表3:鎂白云石磚的理化指標(biāo)1項(xiàng)目化學(xué)組成%體積密度/g.cm3顯氣孔率/%常溫耐壓強(qiáng)度/MPaMgOCaOSiO2Al2O3Fe2O3Mn3O4A62370.50.30.70.22.981366B39590.780.470.780.162.9512.6105 表3: AOD爐鎂白云石工作層烘烤工藝溫度范圍（）升溫速率（/h）保持時(shí)間（h）保持溫度（）0-300308-12300300-650308-10650650-1100508-1211

10、00 爐襯壽命也可以達(dá)到20左右。 2控制系統(tǒng) 日本橫河3供氣和配氣系統(tǒng)4除塵系統(tǒng)三 冶煉工藝1 感應(yīng)電爐熔煉配合AOD精煉的前提是先在感應(yīng)電爐內(nèi)完成鋼水的熔化，并使鋼水溫度達(dá)到AOD入精煉條件。 （1）感應(yīng)電爐不氧化法熔煉要求：熔清提溫至1600以上，取全樣分析。并根據(jù)分析樣進(jìn)行合金化。調(diào)整成分 C控制在0.9-1.2；Si 0.2-0.3；Mo 、Ni 、Mn控制在中下限，Cr按殘余控制，各種殘余元素低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 （2）提溫至1650-1700，插鋁0.1%,出鋼至中間包。 （3）中間包使用前必須烘烤至800以上，秤重并將鋼水兌入AOD爐中，秤空包并計(jì)算凈鋼水量。2AOD爐精煉過程控制

11、冶煉低合金鋼的工藝與冶煉不銹鋼工藝差別在于：低合金鋼的冶煉過程只相當(dāng)于不銹鋼冶煉的前兩期，而沒有了第三期強(qiáng)制脫碳工藝和Cr鐵的還原過程。低合金鋼冶煉的難點(diǎn)在于碳值的控制和溫度的匹配，每個(gè)鋼種都要摸索數(shù)據(jù)，找規(guī)律，使之做到當(dāng)碳值成分合格時(shí)溫度也要適合出爐。 圖1 為碳鋼和低合金鋼精煉工藝控制示意，整個(gè)冶煉期內(nèi)對溫度和碳的控制變化趨勢。 圖1 碳鋼和低合金鋼精煉工藝控制示意AOD精練操作過程的控制是精煉的關(guān)鍵，要完成鋼液的去氣、去夾雜、脫氧、升溫、微合金化等任務(wù)。 1 兌鋼前先開冷卻氣體主N2付N2全部打開，混氣包壓力達(dá)到0.45Mp左右。預(yù)裝3%生石灰；烘爐3h，確保工作層烤紅。2 兌入鋼水后，

12、搖平爐體停主N2，測溫取樣。溫度控制范圍1540-1570。3 旋轉(zhuǎn)爐體到-57回傾角，開主O2起爐開吹（混氣包壓力至少0.3Mp才能起爐，否則有燒槍危險(xiǎn)），此時(shí)混氣包壓力為0.80.9Mp。這樣吹煉510分鐘。 根據(jù)化學(xué)成分和溫度按下式計(jì)算用氧量： (SiT%）×W×0.0148-(C%-0.15)×W×0.148+0.25×W×0.011 SiT% 入爐鋼水中硅的百分含量 C% 入爐鋼水中碳的百分含量 W 入爐鋼水做重量 （Kg）4 吹煉碳值到0.20.3%時(shí)，取樣測溫拔渣。用螢石調(diào)整渣的粘稠度，適當(dāng)降低氧氣，防止溫度過高，直至方

13、便取樣拔渣。在拔渣后等光譜結(jié)果這段時(shí)間可以加入少許石灰、螢石、Si-Ca粉保持爐內(nèi)在等待階段不吸氣氧化。5 吹煉結(jié)束，取樣光譜分析，按結(jié)果加入增碳劑調(diào)整碳值，繼續(xù)吹氣，目標(biāo)溫度1700，碳值在0.15%。 如溫度低需進(jìn)行升溫操作：要加入升溫混合料 升溫用Al （1700-測量溫度+30）×0.7 升溫用石灰量 升溫用Al×2.20 升溫用氧量 升溫用Al×1.156 吹氬氣5分鐘左右，搖平爐取樣、測溫，加硅鈣粉和硅鈣塊來保持爐內(nèi)的還原性氣氛，等待取樣結(jié)果。 還原混合料計(jì)算： 需還原總量=總用氧量 - (SiT%）×W×0.0148-(C%-0.

14、15)×W×0.0173+0.25×W×0.011 硅鐵需要量=(0.25%×W) +(需還原氧量×W×0.2÷1.48) 還原需鋁量=需還原氧量×0.8 ÷1.15 石灰需要量=還原需鋁量×2.2 + (SiT%×W + 需還原氧量×W×0.2÷1.48)×3.8預(yù)裝生石灰量7 根據(jù)結(jié)果，微調(diào)碳值（增碳劑吸收率按90%計(jì)算），并加入Cr、Ni、Mo、電解錳等來調(diào)整其他合金成分（這個(gè)階段必須加入微碳合金）。加入電解鋁強(qiáng)制脫氧，搖起爐吹氬

15、半分鐘到一分鐘左右使合金熔化成分均勻。8 測溫，溫度應(yīng)該在1620-1640時(shí)出鋼，在鋼包中加入硅鈣脫氧劑。包內(nèi)取全成品樣分析。9 澆注水口直徑為45mm ；澆注溫度為1550-1580。備注：低合金鋼是可以脫P(yáng)操作的1 若要脫P(yáng)，則需要先在爐底加入公斤純凈的小塊石灰，兌鋼后，視鋼水溫度稍微吹氣，控制溫度不可過高小于1500，然后搖爐拔渣，拔渣后再加入石灰和些許螢石，稍微吹氣后再拔渣；連續(xù)23次同樣操作流程，可以將P降至0.01%以下，然后再繼續(xù)正常吹煉。注意還原后P會(huì)回升一部分，大概在0.0050.01%左右。2 若加冷料的話，在氧化期升溫階段加，溫度至15501600度左右加入冷料，視冷料

16、成分而定看是否需要加硅鐵升溫，不可過早加入防止粘在爐壁熔化不掉。3 最后還原吹氬后的取樣和加料一定要快，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候溫降很快，防止溫度過低的反吹。4 如果爐內(nèi)爐渣粘稠，則需要加入螢石和硅鈣塊來調(diào)稀，以泡沫狀的流動(dòng)渣為宜。四 效果評價(jià)1.機(jī)械性能要求 抗拉強(qiáng)度 PSI 屈服強(qiáng)度 PSI 延伸率 %斷面收縮率 % 動(dòng)態(tài)撕裂 -51 （J） 120000 90000 14 30 202.成品鋼27CrNiMo 化學(xué)成分要求C%Si%Mn%P%MAXS%MAXCr%Ni%Mo%0.2-0.30.3-0.81.1-1.60.0350.0350.4-0.60.3-0.60.2-0.4 顯微夾雜分析 AB類

17、 感應(yīng)爐冶煉 2-3級 穩(wěn)定提高到一級 KV2 力學(xué)性能 GB/T229-2007 同等強(qiáng)度水平下，韌性提高明顯 報(bào)告編號試樣編號KV2（J）實(shí)驗(yàn)溫度備注C090604-3852CJ-11C091030-3（1）48-40AODC091030-3（1）61-40AODC091030-3（1）63-40AOD平均57C090604-3852CJ-1861-428-40普通861-432-40普通861-434-40普通平均31 氣體含量材質(zhì)試樣編號ONH27CrNiMoC090601-2920000580000840000010AOD27CrNiMoC090601-0858000520000820000010AOD27CrNiMoC080601-1329001300001800000023普通27CrNiMoC080601-1523001500001100000039普通五