一种低碳钢碳含量稳定控制的冶炼方法与流程

本发明涉及技术领域，更具体的说，涉及一种低碳钢碳含量稳定控制的冶炼方法。

背景技术：

转炉冶炼低碳钢([c]≤0.08％)，传统低碳钢冶炼工艺为转炉-lf精炼-连铸，该工艺可能导致成品碳含量偏高，且碳的波动范围较大，碳含量容易出格，进而影响到客户的使用和生产；低碳钢另一种冶炼工艺为转炉-rh脱碳-lf处理-连铸，转炉出钢后直接上rh，采用碳氧反应降低钢中的碳含量，实现低碳控制，然而rh真空处理工序的运用直接导致成本大幅增加、使得生产效率下降，同等质量条件下降低了产品的竞争优势。

在使用传统低碳冶炼工艺条件(转炉-lf精炼-连铸)生产[c]≤0.08％的低碳钢时，存在碳含量波动范围大、控制不稳定的现状，从230炉历史数据看(详情见图1、图2)，成品碳含量平均值0.052％，最小值0.04％，最大值0.08％，碳含量在0.05％以下比例只有36.1％，而0.05％以上比例占63.9％，其中0.05-0.06％占比53.5％，占比最大，成品碳含量如图1和图2所示。在传统工艺中，采用转炉-lf精炼-连铸制备低碳钢的难度较大，而且在冶炼低碳钢的过程中会带来氧含量高，脱氧产物多，渣中feo高，对lf精炼中造渣工艺，以及钢中的夹杂物均带来很大的危害。

据客户反馈，本发明的材料主要用于制作汽车发动机电机爪极，成品碳含量对于最终产品输出性能影响很大，故需要能将圆钢碳含量稳定控制在0.05％以内，并且减少碳含量的波动范围。为满足客户使用要求，同时兼顾生产效率和经济效益，(转炉-rh脱碳-lf处理-连铸)的冶炼工艺成本高，不做考虑，那么如何优化传统炼钢工艺(转炉-lf精炼-连铸)，在保证钢材品质同时，实现降低碳含量，且波动小，使得碳含量稳定控制在0.03％～0.05％的目标成为必须解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明提供一种低碳钢碳含量稳定控制的冶炼方法，旨在不增加成本的前提下，在传统的转炉-lf精炼-连铸工艺下进行改进，实现低碳钢的稳定控制(成品碳含量≤0.05％，且减少碳含量波动，控制波动范围控制在0.03％～0.05％)，从而满足客户的使用要求，增加产品的竞争力。

本发明所涉及的目标低碳钢化学成分按重量百分数计为：[c]≤0.08％、[si]0.15～0.35％、[mn]0.30～0.60％、[p]≤0.035％、[s]≤0.035％、[cr]≤0.10％、[ni]≤0.10％、[cu]≤0.20％。

进一步，低碳钢中碳含量≤0.05％，作为优选：低碳钢中碳含量稳定控制在0.03～0.05％。

本发明所提供的冶炼方法包括转炉、lf精炼和连铸，具体操作如下：

(1)转炉加入炼钢原料冶炼，全程底吹氩搅拌，控制出钢[c]0.01～0.03％，出钢温度1630～1660℃，出钢1/4时随钢流依次加入脱氧剂、低碳合金和渣料，出钢过程采用滑板挡渣操作，出钢时间4～5min。

底吹模式可根据实际情况进行选择，作为优选，步骤(1)底吹选用优钢模式，。

作为优选，步骤(1)中采用的炼钢原料主要为铁水、废钢，铁水占炼钢原料总重的80％～90％，炼钢原料的总装入量135～145t/炉，转炉吹氧冶炼13～15min。

作为优选，步骤(1)中的脱氧剂为铝块，相对于炼钢原料的参考加入量为0.8～1.2kg/t；步骤(1)中的合金为低碳锰铁、硅铁；步骤(1)中渣料及加入量为石灰700kg/炉、化渣剂300kg/炉。

作为优选，化渣剂的主要成分al2o340％～50％，cao35％～40％，sio21％～6％，h2o≤0.5％，粒度范围优选为3～30mm。

出钢终点碳的波动主要是由于碳高补吹后未取样所致，终点碳的不稳定给精炼增加控制难度，传统冶炼工艺转炉出钢目标[c]按0.030～0.045％控制时，导致成品c≤0.05％稳定控制难以实现。

本发明首先提出转炉终点碳必须严格按照0.01％～0.03％控制，考虑钢水氧化性强对炉衬的侵蚀，生产时可考虑两台转炉交替生产；同时提高转炉出钢温度，减少精炼升温的幅度和时长。

(2)lf采用铝粒、硅铁粉进行渣面脱氧，不用或少用电石和碳化硅脱氧，根据渣况加入适量的石灰和萤石以保证炉渣流动性，确保精炼时间≥35分钟，作为优选，精炼时间控制在35～50min，待成分、温度调整合适后进行吹氩操作，吹氩时间15～25分钟，软吹后确保合适的调包温度。

进一步，软吹前成分调整至目标范围(c≤0.05％，si0.15％～0.23％，mn0.36～0.40)，考虑软吹会导致降温，软吹前温度会比优选的调包温度高5～10℃。

进一步地，步骤(2)中软吹后的调包温度为：开浇炉次1605～1625℃、连浇炉次1575～1595℃，非正常周转包温度可提高5～10℃，温度可根据实际情况酌情调整。

精炼过程中，脱氧剂的选择及加入方式不当会导致钢水增碳；精炼长时间升温和氩气控制不当(大于300l/min)可能导致电极增碳；

为了克服上述问题，本发明提出脱氧剂采用铝粒、硅铁粉进行渣面脱氧，不用含碳脱氧材料比如电石，以减少脱氧剂带入的增碳量；通过氩气调节档位控制，前期按200～300l/min控制，后期调整为100～200l/min来降低电极损耗导致的钢水增碳，避免精炼过程中发生电弧不稳、弧光发亮等异常情况；软吹时全部使用钢包覆盖剂，减少碳化稻壳的使用量。

作为优选，钢包覆盖剂主要成分c≤10％，al2o315％～25％，cao10％～20％，sio240％～50％，mgo1％～5％，h2o≤0.5％，熔点1350℃。

(3)连铸工序选用220mm×260mm断面生产，全程保护浇铸，采用低过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～35℃，拉速控制在0.90m/min，晶器采用电磁搅拌、非正弦振动模式，一冷水流量为(1850±100)l/min，水温差为6.5～8.5℃，二冷采用弱冷配水模式。

作为优选，步骤(3)中，结晶器电磁搅拌参数为电流(180±10)a、频率为(3±0.5)hz；非正弦振动为振幅±2.5mm，频率130+40vopm，偏斜率为0。

进一步地，步骤(3)中弱冷配水模式中，比水量0.30l/kg，各段配水比例为44/40/16。

连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包采用整体式塞棒中包，水口直径≥30mm，中包使用时间≤15小时。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种低碳钢碳含量稳定控制的冶炼方法，在确保炉况情况下，降低转炉出钢碳含量，转炉出钢碳控制在0.01％～0.03％；适当提高出钢温度，作为优选，出钢温度控制在1630～1660℃，减少精炼升温幅度20～40℃；通过氩气调节和档位控制来降低电极损耗导致的钢水增碳，避免精炼过程中发生电弧不稳、弧光发亮等异常情况；

调整脱氧剂的种类，精炼过程脱氧剂以铝粒为主，不使用含碳脱氧材料电石，减少脱氧剂导致的增碳；软吹时先加入钢包覆盖剂，减少碳化稻壳的用量，由原工艺全部使用碳化稻壳覆盖减少为每炉钢添加3～5包碳化稻壳，每包重5kg，减少覆盖剂增碳。

本发明通过转炉出钢过程中预脱氧、在转至lf精炼前，在氩站喂入铝线、精炼结束后通过氩气流量调节、软吹时间等条件的调整，不仅能保证碳含量能达到预期效果，而且还能避免传统低碳含量冶炼中所带来不利影响，如氧含量高，脱氧产物多，钢水纯净度差，渣中feo高，成品钢中夹杂物多等，确保成品碳控制在0.05％以内，还能保证低碳钢的质量，而且通过条件的控制，使碳含量波动较小，成品碳波动范围能稳定控制在0.03％～0.05％，夹杂物含量低。更好的满足了客户使用要求。

与传统冶炼工艺为转炉-lf精炼-连铸相比，成品碳控制更稳定，波动范围小，成品碳目标值命中率高，满足成品碳≤0.05％，有利于产品质量稳定，品质优，减少了因成分出格而导致的改判或报废。与转炉-rh脱碳-lf处理-连铸冶炼工艺相比，在控制低碳量的同时，还能使操作简单，生产效率高，有效的降低了吨钢成本，提高了产品竞争力，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为传统工艺制备的低碳钢中碳含量实际控制水平；

图2为传统工艺制备的低碳钢中碳含量分布区间；

图3为出钢碳和中包成品碳含量的对应关系；

图4工艺优化前后成品碳控制对比；

图5为传统工艺制备的低碳钢中非金属a细夹杂物评级占比；

图6为传统工艺制备的低碳钢中非金属b细夹杂物评级占比；

图7为传统工艺制备的低碳钢中非金属d细夹杂物评级占比；

图8为本发明工艺制备的低碳钢中非金属a细夹杂物评级占比；

图9为本发明工艺制备的低碳钢中非金属b细夹杂物评级占比；

图10为本发明工艺制备的低碳钢中非金属d细夹杂物评级占比。

具体实施方式

本发明的冶炼工艺简述如下：转炉冶炼→lf精炼→连铸

传统工艺

(1)转炉

出钢目标碳控制0.03％～0.045％，出钢温度≥1600℃，出钢碳实际控制高，终点碳的不稳定给精炼增加控制难度；出钢温度低，增加了精炼升温的幅度和时长，从而导致电极增碳。

(2)lf精炼

采用铝粒和电石脱氧，电石属于含碳材料，脱氧剂带入一定增碳量；精炼时间40～65min，精炼时间长容易导致电极增碳；软吹过程全部使用碳化稻壳，导致了一定程度的增碳。

(3)连铸

连铸全程保护浇铸。

采用传统转炉冶炼→lf精炼→连铸工艺，制备的成品碳含量控制范围在0.04～0.08％，其中0.05～0.08％成品碳占比63.9％。所以传统工艺不仅碳含量较高，而且碳含量波动范围大。(图1、图2、图4攻关前)

其中，图3是出钢碳和中包成品碳含量的对应关系，从统计数据看，出钢碳越高，中包碳含量越高，因此要确保成品碳含量控制在0.05％以下，首先必须保证终点碳含量在0.03％以下。但仅控制出钢碳含量仍难以达到预期的效果，其中仍存在碳含量大于0.04％时，甚至大于0.05％的情况，这说明后续精炼过程中也存在增碳环节，如果后续采用传统精炼工艺对成品碳含量控制，最终成品碳含量仍无法达到预期效果。

综上，传统工艺增碳的主要原因有：

①转炉出钢碳高，且出钢碳不稳定，增加后续精炼难度，导致成品碳很难控制在0.05％以内。

②转炉出钢温度低，精炼时间长导致电极增碳。

③精炼过程中脱氧剂的种类选择和加入，导致钢水增碳。

④软吹过程加入稻壳导致钢水增碳(其中稻壳c含量≥40％)。

本发明优选工艺

(1)转炉

出钢目标碳控制0.01％～0.03％，因终点碳较低，钢水氧化性强，考虑炉衬侵蚀，生产时可用两台转炉交替生产；提高出钢温度，作为优选，出钢温度控制在1630～1660℃，减少精炼升温幅度20～40℃，出钢1/4时随钢流依次加入脱氧剂、低碳合金和渣料，出钢过程采用滑板挡渣操作，出钢时间4～5min。

其中，炼钢原料主要为铁水、废钢，铁水占炼钢原料总重的80％～90％，炼钢原料的总装入量135～145t/炉，转炉吹氧冶炼13～15min。脱氧剂为铝块，相对于炼钢原料的加入量为0.8～1.2kg/t；合金为低碳锰铁、硅铁；渣料为石灰700kg/炉、化渣剂300kg/炉。

(2)lf精炼

lf采用铝粒、硅铁粉进行渣面脱氧，精炼时间35～50min，待成分、温度调整合适后进行吹氩操作，吹氩时间15～25分钟，前期氩气流速了控制200～300l/min，后期调整为100～200l/min，软吹时全部使用钢包覆盖剂。

精炼过程中脱氧剂以铝粒为主，取消电石脱氧，辅之以硅铁粉进行渣面脱氧，以减少脱氧剂带入的增碳量；通过氩气调节档位控制来降低电极损耗导致的钢水增碳，并避免精炼过程中发生电弧不稳、弧光发亮等异常情况，前期氩气流速了控制200～300l/min，后期调整为100～200l/min；缩短精炼时间，由原先的40～65min减少为现行的35～50min；吹氩时间15～25分钟，软吹时全部使用钢包覆盖剂，减少碳化稻壳使用量，由原先全部覆盖减少为3～5包，包重5kg，仅覆盖软吹点。

(3)连铸

连铸全程保护浇铸。

采用本发明优化后的转炉冶炼→lf精炼→连铸工艺，制备的成品碳含量控制范围在0.05％以下，其中0.03-0.05％成品碳占比99％以上。碳含量低，而且碳含量波动范围小。(图4攻关后)

效果对比

通过调整转炉出钢碳、出钢温度、精炼脱氧剂由原来的电石和调整为硅铁粉、精炼时间、软吹时先全部加入钢包覆盖剂再减少碳化稻壳用量等手段，通过这些条件之间的相互协同配合，最终能降低碳含量的目的，工艺优化后碳含量控制在0.03-0.05％(占比达到99％以上)(见图4)，碳含量平均值0.042％。碳含量控制和稳定性相比传统工艺，均得到显著的进步。而且成品钢中非金属夹杂物得到显著降低和控制。

表1工艺优化前后非金属夹杂物评级对比(按gb/t10561标准中a法检验)