關于30MnSi鋼水流動性的分析
（山西建邦集團通才工貿有限公司 關文博 趙良江 張崇堯，山西 臨汾，043400）
摘要：本文通過分析對比建邦特鋼煉鋼廠在2015年30MnSi生產的相關數據，對該鋼種經常出現流動性差的情況做了相應的分析，發現當鋼水Ca含量高、連鑄增N較高等情況時鋼水流動性差的幾率明顯提升。并針對此現象，制定了相應的措施：細化氬站供給精煉的鋼水成分和溫度范圍；根據鋼水中Al含量控制鈣處理程度，降低鋼水中的Ca含量；連鑄做好保護澆鑄、減輕鋼水的二次氧化。通過對工藝和流程的改進，30MnSi鋼水的流動性得到了較好的改善。
關鍵詞：鋼水流動性 鈣處理 夾雜物
引言
建邦特鋼煉鋼廠現有60t氧氣頂吹轉爐兩座，60t頂底復吹轉爐一座，70t精煉爐兩座，五機五流方坯連鑄機一座，斷面160x160mm，六機六流方坯連鑄機兩座，斷面分別為150x150mm和160x160mm。主要生產鋼種為Q195、Q235、HPB300、HRB400（E）、HRB500E、MG335、MG400、30MnSi、60#-70#鋼、YL82B等。
30MnSi的生產采用“轉爐——LF精煉爐——連鑄”的工序順序進行，在生產過程中發現30MnSi在澆鑄過程中頻繁出現流動性差的現象，在全年生產的19個澆次中，出現鋼水流動性差的共計11澆次，比例高達57.89%，甚至出現流動性差導致非計劃斷澆等惡性生產事故。
一、鋼水流動性差的分析
眾多的分析表明，鋼水流動性差的主要原因一是因為鋼水溫度過低，接近鋼水液相線溫度時，其流動性變差；還有就是鋼水在澆鑄過程中，鋼水中的固態夾雜物在水口壁聚集，也會導致其流動性變差。
根據歷史數據來看，因低溫現象導致的鋼水流動性差的現象很少，目前30MnSi的生產過程中鋼水流動性差的原因主要是因為鋼水中的高熔點夾雜物含量偏高。
從查閱資料[1]的結論來看，常見的導致鋼水流動性差的夾雜物有Al2O3、CaS以及鋁酸鈣硫化物復合夾雜等，現從這些成分入手進行分析。
1.1 Al含量的分析
目前在生產30MnSi時，轉爐使用的脫氧劑為硅鋁鋇鈣復合脫氧劑，此外，加入的硅鐵、硅錳合金等均有脫氧功能，而硅鐵中的Al含量也需要考慮。根據2015年3月到10月的數據統計來看，鋼水中的Al含量在0.002-0.011%之間，平均值為0.005%。一般而言，采用小方坯連鑄工藝時，由于中間包水口內徑較小，為了防止水口的粘接和堵塞，經常會控制鋼水中的Al含量低于0.005%，以改善其流動性[1]。數據統計見圖1、表1。
圖1 Al含量的影響
表1 Al含量的影響
從圖1和表1的數據可以看出，30MnSi鋼水中Al含量在0.005%以下的比例為42.56%，但發生絮流的比例為6.01%，略低于于Al含量高于0.05%時的絮流比例：6.88%和整體的6.51%，這說明30MnSi的絮流現象不全是因為鋼中Al含量高所導致的。
1.2 Ca含量的分析
在Ca處理過程中會發生如下的反應[1]：
3[Ca]+(Al2O3)inc=3(CaO)inc+2[Al]
3(CaO)inc+2[Al]+2[S]=2(CaS)inc+(Al2O3)inc
在進行Ca處理的過程中生成的CaS夾雜物也具有很高的熔點，從1.1的分析中可以看出，30MnSi鋼水中Al含量對其流動性的影響沒有十分明顯的對應關系，從上面的兩個反應式可以看出在Ca處理過程中容易產生高熔點的CaS夾雜。文獻表明：在進行鋼水的鈣處理時，鈣含量超過一定含量（34ppm）時，CaS就會開始析出，會影響鋼水流動性和可澆性[3]，袁方明、王新華[2]等人的研究表明，在鋼水鈣處理時控制鋼水中的Ca含量在17-23ppm時，能明顯改善鋼水流動性。因此必須控制鈣含量防止CaS的析出。下面對Ca含量進行分析。
統計現有數據見圖2和表2。
圖2 Ca含量的影響
表2 Ca含量的影響
從圖2和表2的數據來看，當Ca含量低于25ppm時，鋼水絮流的比例為2.68%，Ca含量在25-35ppm時，發生絮流的比例為6.57%，接近于整體絮流比例6.51%，而當Ca含量高于35ppm時，發生鋼水絮流的比例升高到15.91%，遠高于6.51%。可以看出，鋼水中Ca含量偏高時（高于35ppm），鋼水流動性明顯變差，而當Ca含量控制在25ppm以下時，絮流比例明顯減少。表2 Ca含量的影響
鋼水中Ca的主要來源是在精煉工序鈣處理時通過硅鈣線或者純鈣線喂入鋼水，通過統計數據做出精煉工序鈣處理時硅鈣線的喂入量，見表3、圖3。
表3 精煉爐硅鈣線喂入量的影響
圖3 精煉爐硅鈣線喂入量的影響
從表3和圖3的數據來看，當精煉鈣處理硅鈣線喂入量高于200m時，絮流比例23.21%，遠高于整體絮流比例5.98%。結合表3數據可以判斷出精煉工序鈣處理過重，鋼水中Ca含量偏高，是導致30MnSi鋼水流動性變差的重要原因。
二、 從各工序過程分析
2.1 轉爐冶煉的影響
出鋼過程中擋渣不良，下渣嚴重也會明顯增加鋼水中夾雜物的含量，含氧極高的氧化渣進入鋼水不僅僅會直接增加鋼水中夾雜物的含量，而且帶入的大量的氧會使得鋼水二次氧化產物明顯增多。下渣的判定以回P量來確定，當回P量為0.005%以上視為下渣較為嚴重，現統計30MnSi生產中下渣量和絮流的關系見圖4和表4。
圖4 下渣回P量的影響
表4 下渣回P量的影響
從圖4和表4的數據來看，回P量在0.003%-0.005%之間時，鋼水絮流比例為13.25%，高于整體比例的6.31%；但當回P量高于0.005%時，鋼水絮流的比例為6.80%，略高于整體比例6.31%；但當回P量小于0.003%時，鋼水絮流比例明顯減少。因此，盡可能減少下渣，有利于提高鋼水的純凈度，也有利于改善鋼水的流動性。
2.2 精煉工序的影響
精煉工序能使得夾雜物變性和促進夾雜物的上浮以達到凈化鋼水的作用，在30MnSi的冶煉過程中，精煉爐直接負責供給連鑄鋼水供其澆鑄，因此，精煉爐的控制至關重要。在歷史數據的統計中發現，精煉爐的物料加入量（統計硅錳、硅鐵和碳化硅）和鋼水流動性有著較為明顯的對應關系，見圖5和表5。
圖5 精煉物料加入量的影響
表5 精煉物料加入量的影響
從圖5和表5的數據來看，精煉爐的物料加入量在251-300kg/爐、301kg/爐以上時，出現絮流的比例分別為5.47%和7.81%，均高于5.09%。可以看出，當精煉爐的物料加入量較多時出現絮流的比例明顯增多。統計的物料主要是硅錳、硅鐵和碳化硅。精煉爐物料加入量越多，精煉過程產生的夾雜物會增多，而且必然會導致整體精煉時間增加。研究表明，出鋼過程中把硅鐵加入鋼包，在中間包試樣中未發現鈣鋁酸鹽夾雜物（CaO·Al2O3），而在LF爐加入硅鐵尤其在LF爐后期加入硅鐵，中間包試樣中鈣鋁酸鹽夾雜物明顯增加，這也意味著水口堵塞的幾率也會明顯增加[5]。此外生產過程中因為生產節奏的影響，精煉爐處理時間有限，無法在短時間內進行夾雜物的去除，也必然會導致鋼水中夾雜物含量上升。
關于硅鈣線的加入量的分析見1.2。
2.3 連鑄中包的影響
在進行精煉鈣處理的統計數據時發現，硅鈣線加入量在200m以上的爐次共計為52爐，其中屬于開澆前3爐的有38爐，比例為73.1%。而在統計的19個澆次中，出現開澆前3爐絮流的澆次達7個，比例為36.84%，據此推斷連鑄中包可能對鋼水流動性，尤其是對開澆爐次的流動性有較大影響。
連鑄保護澆鑄未做到位，鋼水出現較為嚴重的二次氧化，導致鋼水中的夾雜物含量上升，這也是導致很多澆次開澆第一爐就出現了鋼水流動性差的一個原因。1#連鑄機因為設備原因在第一包大包開澆時無法立即執行大包長水口保護澆鑄，需要裸澆20s-30s的時間，且連鑄機中包相比3#連鑄機較小，中包深度淺，無設置擋墻和堰，鋼水在中包停留時間短，夾雜物上浮比例小，這也會導致鋼水的流動性惡化。
關于保護澆鑄的判定以連鑄中包增N量衡量，數據見表6和圖6。
表6 連鑄中包增N量的影響
圖6 連鑄中包增N量的影響
從表6和圖6的數據中可以看出，當中包增N量低于0.0003%時，絮流比例為3.03%；當增N量在0.0003%-0.001%區間，以及0.001%-0.003%區間時，絮流比例分別為7.00%和7.22%，略高于整體的6.00%；而當增N量高于0.003%時，絮流比例為14.29%明顯高于6.00%。連鑄增N偏高意味著保護澆鑄沒有做好，鋼水會出現較為嚴重的二次氧化，也會導致鋼水流動性變差。
三、采取的措施與效果
根據上述分析，煉鋼廠針對改善30MnSi鋼水流動性采取了以下措施：
1、轉爐工序嚴格控制下渣量，當明顯下渣或回P可能導致鋼水P超上限（0.025%），禁止上精煉工序，組織改鋼種或回爐處理；
2、細化氬站出站成分，提高出氬站Si含量到0.65-0.70%，出站溫度控制到1540℃以上，盡可能減少精煉爐的升溫、調整成分的壓力，有效減少精煉爐的物料加入量；
3、精煉鈣處理時，根據鋼水中Al含量的高低確定硅鈣線、鈣線的喂入量，目前將硅鈣線的加入量減少到100-120m，純鈣線的加入量減少到50-80m，將Ca含量控制在35ppm以內，目標控制到25ppm左右；
4、連鑄做好中包密封工作，烘烤時間適當延長，做好保護澆鑄工作并及時加入足量覆蓋劑，減輕鋼水的二次氧化。
通過采取上述措施，目前30MnSi鋼水的流動性有了明顯的改善。
四、結論
1、30MnSi鋼水中Ca含量偏高是導致其流動性差的一個重要原因。在Ca處理時，考慮鋼水中Al含量的多少來決定硅鈣線和鈣線的加入量來控制鋼水中Ca含量在25ppm左右。
2、轉爐出鋼擋渣未做好，下渣較為嚴重不僅直接增加鋼水中夾雜物的含量，而且會增加精煉爐的工作壓力，在生產節奏緊張的情況下，精煉去除夾雜物的時間有限，鋼水純凈度降低。
3、連鑄中包保護澆鑄未做到位，鋼水二次氧化較為嚴重時，也會導致鋼水流動性變差。
4、通過對工藝和流程的優化，30MnS鋼水流動性有了明顯的改觀。
參考資料：
[1] 王新華主編.鋼鐵冶金——煉鋼學[M]北京：高等教育出版社,2007,6,219-220.
[2] 袁方明,王新華,楊學富.鈣含量對鋼水流動性的影響[J].鋼鐵釩鈦, 2006, 27(1):27-32．
[3] Madias J, Cicutti C, González J C. Control of microinclusions in calcium treated aluminium killed steels[J]. Ironmaking & steelmaking, 1997, 24(2):155-159.
[4] 干勇主編.現代連續鑄鋼使用手冊[M].北京：冶金工業出版社,2010,3,305-306.
[5] 蔡開科主編.連鑄坯質量控制[M].北京：冶金工業出版社,2010,5,51-55.