一种船板钢钢液镁处理工艺的制作方法

本发明属于洁净钢冶炼领域，特别涉及一种船板钢钢液镁处理工艺。

背景技术：

船板钢主要用于制造远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板等。船舶钢在服役期间不仅需要承受化学/电化学/生物腐蚀，还要承受风浪冲击所引起的交变负荷作用，另外，船舶加工成型工艺复杂，这要求船板钢具有良好的韧性、强度、耐腐蚀性能、焊接性能、加工成型性能。在中国，随着社会经济的发展，对船板钢的需求不断提高，2003年以后，船板钢生产进入了快速发展阶段，到2010年，船板钢产量达到了2050万吨，之后有所回落，2011年以后基本稳定在1000万吨上下。随着船板钢生产技术和质量控制水平的提高，目前我国船用钢材的国产化率已经超过95％，但从中国船板钢综合性能来看，仍不能完全满足造船业巨型化、多样化、高技术化、工期缩短化及成本低廉化的要求，特别是高技术含量、高附加值的高级别船板还需要进口。

国内船板钢主要通过BOF-LF(RH)-CC工艺冶炼，随着转炉炼钢、炉外精炼和连铸等炼钢理论发展及先进技术的应用，船板钢钢水洁净度控制水平不断提高，但还存在钢材全氧含量高、夹杂物尺寸超标及洁净度控制稳定性差等问题，导致成品板材探伤合格率较低、性能稳定性差、成材较低，严重制约了企业经济效益的提升。如何提高钢水洁净度、并对钢中夹杂物成分、粒度及其分布进行有效控制是进一步提高船板钢性能的关键。

船板钢为典型的铝脱氧钢种，脱氧产物Al₂O₃具有显著的聚合倾向，留在钢中不仅对于钢材的性能具有不利影响，且可导致水口结瘤，显著降低钢水的可浇性而影响生产顺行。为解决该问题，目前普遍采用钙处理技术来变质Al₂O₃夹杂。在实际生产中，钙处理技术表现出一定的局限性，一方面受到液相铝酸钙物理化学性质和生产节奏的限制，夹杂物去除效果并不显著而残留在钢中；另外，钙处理对夹杂物的粒度及其分布控制效果并不显著，例如钢中D类铝酸钙夹杂的存在对钢材的性能具有不利影响。

相对于钙处理，钢液镁处理具有显著的特点，第一，钢液镁处理具有净化钢液的功能，可大大降低溶解氧含量，有利于提高钢水的洁净度；第二，具有夹杂物控制功能，通过变质作用，控制钢中夹杂物呈细小弥散状态分布，从而降低夹杂物对钢材力学性能的危害；另外，对船板钢焊接组织的控制功能，变质生成的尺寸细小、成分稳定、弥散分布的镁系氧化物夹杂可以在焊接过程中钉扎晶界，诱导晶内铁素体(IGF)形核，从而有利于改善焊接热影响区(HAZ)的组织和性能。

但在国内，对于钢液镁处理技术研究多集中于基础理论和实验室研究阶段，工业化技术集成及应用还未见报导。本发明以船板钢BOF-LF(RH)-CC冶炼工艺为依托，提出了一种能够适合于工业化生产需要的，包括了金属镁加入方式、加入方法、加入参数、镁处理时机及钢水成分协调控制等关键技术在内的钢液镁处理集成工艺技术，该技术真正意义上实现了钢液镁处理技术从实验室研究到工业化应用的转化，对于钢液镁处理技术在铝脱氧钢种生产中的应用与拓展具有借鉴意义。

技术实现要素：

本发明根据船板钢BOF-LF-CC或BOF-LF-RH-CC冶炼工艺，提供了一种船板钢钢液镁处理工艺。

钢液镁处理技术的工业应用的核心问题是如何以得到足够高的金属镁收得率和良好的镁处理效果。首先是要解决金属镁的加入方式问题，通常以合金方式加入可以有效实现金属镁的缓释，降低金属镁因汽化而溢出钢液的几率，在研究中，Ni-Mg合金投入钢液为金属镁的代表性加入方式，但对于工业化大生产来说，一方面Ni价格昂贵，另一方面绝大数钢种不含有或不要求Ni元素，也就是说，采用Ni-Mg合金作为镁的加入方式并不合适，需要寻求一种新的含镁合金；第二需要解决镁合金的加入方法及其工艺参数问题，即解决如何加入的问题，使镁合金能够进入到钢液内部，以进一步提高金属镁的收得率、促进镁处理效果的提升；第三需要解决加入时机问题，即解决在炼钢过程中哪个阶段进行镁处理的问题，使其效果更加显著；第四是解决钢水化学成分协调控制问题，在保证镁处理效果的同时还要符合钢水成分控制目标的要求，这与镁合金成分、合金加入量均密切相关。

本发明的船板钢钢液镁处理工艺，如下：

首先，确定镁处理的工位与时机：

如果船板钢冶炼工序采用BOF-LF-CC，则在LF工序合金微调后加入Mg-Al-Fe合金包芯线；

如果船板钢冶炼工序采用BOF-LF-RH-CC，则在RH工序真空处理后加入Mg-Al-Fe合金包芯线；

其中：

Mg-Al-Fe合金的成分及其质量百分含量为：Mg：5～15％，Al：40～65％，余量为Fe和不可避免的杂质；

Mg-Al-Fe合金包芯线参数为：直径Φ13～13.8mm，铁皮厚度为0.4～0.42mm，芯粉粒度为0.01～3mm，芯粉填充率0.2～0.3kg/m；

其次，确定铝量和镁处理喂线量

根据钢种酸溶铝含量，在保证Mg-Al-Fe合金包芯线镁处理效果的前提下，协调配置喂铝量和镁处理喂线量；

然后，进行镁处理：在LF或RH工序中，采用包芯线喂入法向船板钢钢液中加入Mg-Al-Fe合金包芯线，最终获得成品钢水；其中，Mg-Al-Fe合金包芯线的喂入参数为：喂入位置为钢包二透气砖对侧，距钢包中心1/3～1/2半径处，喂线速度为2.5～4.0m·s^-1；

本发明方法中，所述的船板钢为铝脱氧钢。

本发明方法中，以Mg-Al-Fe合金的方式加入钢液进行钢液镁处理，该合金利用铝可与镁和铁易形成任意比例合金的特点制备，合金中铝与铁的存在可有效稀释金属镁，铁的存在可有效提高合金的熔化温度，这均可有效控制金属镁的熔化或释放、溶解、扩散与反应；由于合金中含有金属铝，该合金仅适用于铝脱氧钢的钢液镁处理。

本发明方法中，采用包芯线喂入方法将Mg-Al-Fe合金加入钢液。合金加入钢液的方法主要包括投入法、钢包底喷粉方法和包芯线喂入方法等；对于本发明的Mg-Al-Fe合金来说，其密度低于钢液，采用投入法，易受到钢包渣层和钢水浮力的影响，加入深度不易控制，难以得到稳定的镁收得率和处理效果；如果以底喷粉的方法加入，则需将镁合金磨制成粉末且需增设喷粉系统和进行钢包结构改造；如果以包芯线的形式喂入钢液，则可通过调整喂线管尺寸和角度，控制合适的喂线位置，通过调整喂线速度而实现喂线深度控制，而且包芯线制备技术成熟，且可利用钢厂现有的喂线设备。

本发明的镁合金包芯线喂入参数的确定：在合金成分一定条件下，镁的收得率主要与包芯线的喂入位置和喂入深度有关，如果喂线位置处于下降流区域，则金属镁随钢水先下降再上升，有利于金属镁在较长时间内保持液态，延长了金属镁在钢水中的扩散时间，从而增加与钢水中非金属夹杂物反应的机会；合适的加入深度有利于抑制镁的气化而提高镁的收得率。

本发明方法中，当钢液为采用BOF-LF-CC工艺冶炼时，Mg-Al-Fe合金喂入钢液的工位与时机为：在合金微调之后进行，喂线后软吹时间大于等于12min；当钢液为采用BOF-LF-RH-CC工艺冶炼时，Mg-Al-Fe合金喂入钢液的工位与时机为：在RH真空处理复压后进行，喂线后软吹时间大于等于12min。采用BOF-LF-CC或BOF-LF-RH-CC工艺冶炼的船板钢生产过程和要求如下：在转炉工序，冶炼终点温度和碳、磷、硫成分合格后，挡渣出钢并进行脱氧合金化，出钢结束后加入石灰等进行顶渣处理；在LF工序，进站测温取样后喂入铝线调整酸溶铝含量，到加热位后加入石灰和顶渣脱氧剂、加热升温造白渣并进行合金微调。对于要求氢含量控制的钢种，需经RH精炼处理。

本发明方法中，采用钢水成分协调控制技术：本发明中采用的为Mg-Al-Fe合金，合金中金属铝含量较高，合金喂入钢液后会增加钢水中酸溶铝含量；为满足酸溶铝含量要求，本发明根据钢种酸溶铝含量控制目标、镁合金中铝含量，在保证镁处理效果的前提下，协调配置LF进站喂铝量和镁处理喂线量；例如LF进站时可以控制钢中酸溶铝含量在目标下限。

本发明的船板钢钢液镁处理工艺，有益效果为：

(1)本发明方法应用在船板钢精炼过程中，镁处理过程平稳，可有效保证金属镁的收得率和镁处理效果，并有利于改善工作环境。

(2)本发明方法，应用到船板钢精炼过程中，可有效调高钢水洁净度，并可有效控制钢中非金属夹杂物的成分、数量、粒度及其分布，有利于改善钢材的力学性能及其稳定性。

附图说明

图1本发明实施例1的BOF-LF-CC路线镁处理工艺流程图；

图2本发明实施例2和实施例3的BOF-LF-RH-CC路线镁处理工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

一种船板钢钢液镁处理工艺，如下：

首先，确定镁处理的工位与时机：

本实施例依托的钢种为Q345B钢，该钢种所采用的冶炼工艺路线为BOF-LF-CC，进行了两个炉次的工业生产；转炉公称容量为150吨，Mg-Al-Fe合金包芯线喂线操作均在LF合金微调完成后进行；Mg-Al-Fe合金的成分及其质量百分比为：Mg：5.32％，Al：52.61％，Fe：41.70％，余量为碳硅锰磷硫等杂质；Mg-Al-Fe合金包芯线参数为：直径Φ13mm，铁皮厚度为0.42mm，芯粉粒度为0.01～3mm，芯粉填充率0.25kg/m；

BOF-LF-CC路线镁处理工艺流程如图1所示；

其次，确定铝量和镁处理喂线量

根据钢种酸溶铝含量，在保证Mg-Al-Fe合金包芯线镁处理效果的前提下，协调配置喂铝量和镁处理喂线量，具体如下：

成分控制：LF进站后，根据该钢种酸溶铝含量控制范围和钢水进站酸溶铝含量，如表1所示，按下限0.015％控制；喂线量为150m；

然后，进行镁处理：在LF合金微调后，采用包芯线喂入法向船板钢钢液中加入Mg-Al-Fe合金包芯线；其中，Mg-Al-Fe合金包芯线的喂入参数为：喂入位置为钢包二透气砖对侧，距钢包中心1/2半径处，喂线速度为3.0m.s^-1；

喂线过程平稳，未出现钢水喷溅和大翻现象，只在钢水表面包芯线喂入位置存在微弱亮光，无明显烟尘产生；最终获得Q345B成品钢水。

Q345B钢成品钢水成分如表1所示，均符合内控标准要求。

两个炉次连铸坯全氧含量均为0.0013％，较原钙处理工艺的平均0.0020％显著降低；非金属夹杂物控制效果表明，钢中氧化铝夹杂被充分变质为以镁铝尖晶石为主的夹杂物，LF离站时非金属夹杂物粒度小于2μm的占90％以上，平均直径为1.112μm，较钙处理工艺显著细化，呈细小弥散化分布。

表1 Q345B钢成品钢水成分(质量百分数，％)

实施例2

一种船板钢钢液镁处理工艺，如下：

首先，确定镁处理的工位与时机：

本实施例依托的钢种为AH32钢，该钢种所采用的冶炼工艺路线为BOF-LF-RH-CC，进行了两个炉次的工业生产，转炉公称容量为150吨，Mg-Al-Fe合金包芯线操作均在RH真空处理后进行；Mg-Al-Fe合金的成分及其质量百分比为：10.18％Mg，54.87％Al，34.71％Fe，余量为碳硅锰磷硫等杂质；Mg-Al-Fe合金包芯线参数为：直径Φ13mm，铁皮厚度为0.42mm，芯粉粒度为0.01～3mm，芯粉填充率0.25kg/m；

BOF-LF-RH-CC路线镁处理工艺流程如图2所示；

其次，确定铝量和镁处理喂线量

根据钢种酸溶铝含量，在保证Mg-Al-Fe合金包芯线镁处理效果的前提下，协调配置喂铝量和镁处理喂线量，具体如下：

成分控制：LF进站后，根据该钢种酸溶铝含量控制范围和钢水进站酸溶铝含量，如表2所示，按下限0.015％控制；喂线量为100m；

然后，进行镁处理：在RH复压后，采用包芯线喂入法向船板钢钢液中加入Mg-Al-Fe合金包芯线；其中，Mg-Al-Fe合金包芯线的喂入参数如下：喂入位置为钢包二透气砖对侧，距钢包中心1/2半径处，喂线速度为3.0m·s^-1；

喂线过程平稳，未出现钢水喷溅和大翻现象，只在钢水表面包芯线喂入位置存在微弱亮光，无明显烟尘产生；最终获得AH32成品钢水。

AH32钢成品钢水成分如表2所示，均符合内控标准要求。

两个炉次连铸坯全氧含量分别为0.0012％和0.0010％，较原采用钙处理工艺的平均0.0020％显著降低；钢中氧化铝夹杂被充分变质为以镁铝尖晶石为主的夹杂物，LF离站时非金属夹杂物粒度小于2μm的占92％以上，平均直径为1.207μm，较钙处理工艺显著细化，呈细小弥散化分布。

表2 AH32钢成品钢水成分(质量百分数，％)

实施例3

一种船板钢钢液镁处理工艺，如下：

首先，确定镁处理的工位与时机：

本实施例依托的钢种为DH36钢，该钢种所采用的冶炼工艺路线为BOF-LF-RH-CC，进行了5个炉次的工业生产，转炉公称容量为150吨，镁处理喂线操作均在RH真空处理后进行；Mg-Al-Fe合金的成分及其质量百分比为：Mg：8.24％，Al：56.47％，Fe：35.23％，余量为碳硅锰磷硫等杂质；Mg-Al-Fe合金包芯线参数为：直径Φ13mm，铁皮厚度为0.42mm，芯粉粒度为0.01～3mm，芯粉填充率0.24kg/m；

BOF-LF-RH-CC路线镁处理工艺流程如图2所示；

其次，确定铝量和镁处理喂线量

根据钢种酸溶铝含量，在保证Mg-Al-Fe合金包芯线镁处理效果的前提下，协调配置喂铝量和镁处理喂线量，具体如下：

成分控制：LF进站后，根据该钢种酸溶铝含量控制范围和钢水进站酸溶铝含量，如表3所示，按下限0.015％控制；喂线量为120m；

然后，进行镁处理：在RH复压后，采用包芯线喂入法向船板钢钢液中加入Mg-Al-Fe合金包芯线；其中，Mg-Al-Fe合金包芯线的喂入参数如下：喂入位置为钢包二透气砖对侧，距钢包中心1/3半径处，喂线速度为4.0m.s^-1；

喂线过程平稳，未出现钢水喷溅和大翻现象，只在钢水表面包芯线喂入位置存在微弱亮光，无明显烟尘产生；最终获得DH36成品钢水。

DH36钢成品钢水成分如表3所示，均符合内控标准要求。

表3 DH36钢成品钢水成分(质量百分数，％)

五个炉次连铸坯全氧含量控制稳定，平均为0.0013％，显著低于钙处理工艺的平均水平0.0020％；钢中氧化铝夹杂被充分变质为以镁铝尖晶石为主的夹杂物，RH离站时非金属夹杂物粒度小于2μm的均占94％以上，平均直径在1.1～1.25μm范围内变化，细小弥散化分布特征显著。成品钢板主要力学性能指标完全满足国家标准的要求，屈服强度、拉伸强度、延伸率和0℃纵向冲击功平均值分别达到了422.8MPa、541MP、28.6％和207.8J，分别较原钙处理工艺提高了7.86％、4.64％、26.55％和12.32％。