一種船板鋼鋼液鎂處理工藝的製作方法
2023-10-22 15:26:57 1
本發明屬於潔淨鋼冶煉領域，特別涉及一種船板鋼鋼液鎂處理工藝。
背景技術：
船板鋼主要用於製造遠洋、沿海和內河航運船舶的船體、甲板等。船舶鋼在服役期間不僅需要承受化學/電化學/生物腐蝕，還要承受風浪衝擊所引起的交變負荷作用，另外，船舶加工成型工藝複雜，這要求船板鋼具有良好的韌性、強度、耐腐蝕性能、焊接性能、加工成型性能。在中國，隨著社會經濟的發展，對船板鋼的需求不斷提高，2003年以後，船板鋼生產進入了快速發展階段，到2010年，船板鋼產量達到了2050萬噸，之後有所回落，2011年以後基本穩定在1000萬噸上下。隨著船板鋼生產技術和質量控制水平的提高，目前我國船用鋼材的國產化率已經超過95％，但從中國船板鋼綜合性能來看，仍不能完全滿足造船業巨型化、多樣化、高技術化、工期縮短化及成本低廉化的要求，特別是高技術含量、高附加值的高級別船板還需要進口。
國內船板鋼主要通過BOF-LF(RH)-CC工藝冶煉，隨著轉爐煉鋼、爐外精煉和連鑄等煉鋼理論發展及先進技術的應用，船板鋼鋼水潔淨度控制水平不斷提高，但還存在鋼材全氧含量高、夾雜物尺寸超標及潔淨度控制穩定性差等問題，導致成品板材探傷合格率較低、性能穩定性差、成材較低，嚴重製約了企業經濟效益的提升。如何提高鋼水潔淨度、並對鋼中夾雜物成分、粒度及其分布進行有效控制是進一步提高船板鋼性能的關鍵。
船板鋼為典型的鋁脫氧鋼種，脫氧產物Al2O3具有顯著的聚合傾向，留在鋼中不僅對於鋼材的性能具有不利影響，且可導致水口結瘤，顯著降低鋼水的可澆性而影響生產順行。為解決該問題，目前普遍採用鈣處理技術來變質Al2O3夾雜。在實際生產中，鈣處理技術表現出一定的局限性，一方面受到液相鋁酸鈣物理化學性質和生產節奏的限制，夾雜物去除效果並不顯著而殘留在鋼中；另外，鈣處理對夾雜物的粒度及其分布控制效果並不顯著，例如鋼中D類鋁酸鈣夾雜的存在對鋼材的性能具有不利影響。
相對於鈣處理，鋼液鎂處理具有顯著的特點，第一，鋼液鎂處理具有淨化鋼液的功能，可大大降低溶解氧含量，有利於提高鋼水的潔淨度；第二，具有夾雜物控制功能，通過變質作用，控制鋼中夾雜物呈細小彌散狀態分布，從而降低夾雜物對鋼材力學性能的危害；另外，對船板鋼焊接組織的控制功能，變質生成的尺寸細小、成分穩定、彌散分布的鎂系氧化物夾雜可以在焊接過程中釘扎晶界，誘導晶內鐵素體(IGF)形核，從而有利於改善焊接熱影響區(HAZ)的組織和性能。
但在國內，對於鋼液鎂處理技術研究多集中於基礎理論和實驗室研究階段，工業化技術集成及應用還未見報導。本發明以船板鋼BOF-LF(RH)-CC冶煉工藝為依託，提出了一種能夠適合於工業化生產需要的，包括了金屬鎂加入方式、加入方法、加入參數、鎂處理時機及鋼水成分協調控制等關鍵技術在內的鋼液鎂處理集成工藝技術，該技術真正意義上實現了鋼液鎂處理技術從實驗室研究到工業化應用的轉化，對於鋼液鎂處理技術在鋁脫氧鋼種生產中的應用與拓展具有借鑑意義。
技術實現要素：
本發明根據船板鋼BOF-LF-CC或BOF-LF-RH-CC冶煉工藝，提供了一種船板鋼鋼液鎂處理工藝。
鋼液鎂處理技術的工業應用的核心問題是如何以得到足夠高的金屬鎂收得率和良好的鎂處理效果。首先是要解決金屬鎂的加入方式問題，通常以合金方式加入可以有效實現金屬鎂的緩釋，降低金屬鎂因汽化而溢出鋼液的機率，在研究中，Ni-Mg合金投入鋼液為金屬鎂的代表性加入方式，但對於工業化大生產來說，一方面Ni價格昂貴，另一方面絕大數鋼種不含有或不要求Ni元素，也就是說，採用Ni-Mg合金作為鎂的加入方式並不合適，需要尋求一種新的含鎂合金；第二需要解決鎂合金的加入方法及其工藝參數問題，即解決如何加入的問題，使鎂合金能夠進入到鋼液內部，以進一步提高金屬鎂的收得率、促進鎂處理效果的提升；第三需要解決加入時機問題，即解決在煉鋼過程中哪個階段進行鎂處理的問題，使其效果更加顯著；第四是解決鋼水化學成分協調控制問題，在保證鎂處理效果的同時還要符合鋼水成分控制目標的要求，這與鎂合金成分、合金加入量均密切相關。
本發明的船板鋼鋼液鎂處理工藝，如下：
首先，確定鎂處理的工位與時機：
如果船板鋼冶煉工序採用BOF-LF-CC，則在LF工序合金微調後加入Mg-Al-Fe合金包芯線；
如果船板鋼冶煉工序採用BOF-LF-RH-CC，則在RH工序真空處理後加入Mg-Al-Fe合金包芯線；
其中：
Mg-Al-Fe合金的成分及其質量百分含量為：Mg：5～15％，Al：40～65％，餘量為Fe和不可避免的雜質；
Mg-Al-Fe合金包芯線參數為：直徑Φ13～13.8mm，鐵皮厚度為0.4～0.42mm，芯粉粒度為0.01～3mm，芯粉填充率0.2～0.3kg/m；
其次，確定鋁量和鎂處理餵線量
根據鋼種酸溶鋁含量，在保證Mg-Al-Fe合金包芯線鎂處理效果的前提下，協調配置餵鋁量和鎂處理餵線量；
然後，進行鎂處理：在LF或RH工序中，採用包芯線餵入法向船板鋼鋼液中加入Mg-Al-Fe合金包芯線，最終獲得成品鋼水；其中，Mg-Al-Fe合金包芯線的餵入參數為：餵入位置為鋼包二透氣磚對側，距鋼包中心1/3～1/2半徑處，餵線速度為2.5～4.0m·s-1；
本發明方法中，所述的船板鋼為鋁脫氧鋼。
本發明方法中，以Mg-Al-Fe合金的方式加入鋼液進行鋼液鎂處理，該合金利用鋁可與鎂和鐵易形成任意比例合金的特點製備，合金中鋁與鐵的存在可有效稀釋金屬鎂，鐵的存在可有效提高合金的熔化溫度，這均可有效控制金屬鎂的熔化或釋放、溶解、擴散與反應；由於合金中含有金屬鋁，該合金僅適用於鋁脫氧鋼的鋼液鎂處理。
本發明方法中，採用包芯線餵入方法將Mg-Al-Fe合金加入鋼液。合金加入鋼液的方法主要包括投入法、鋼包底噴粉方法和包芯線餵入方法等；對於本發明的Mg-Al-Fe合金來說，其密度低於鋼液，採用投入法，易受到鋼包渣層和鋼水浮力的影響，加入深度不易控制，難以得到穩定的鎂收得率和處理效果；如果以底噴粉的方法加入，則需將鎂合金磨製成粉末且需增設噴粉系統和進行鋼包結構改造；如果以包芯線的形式餵入鋼液，則可通過調整餵線管尺寸和角度，控制合適的餵線位置，通過調整餵線速度而實現餵線深度控制，而且包芯線製備技術成熟，且可利用鋼廠現有的餵線設備。
本發明的鎂合金包芯線餵入參數的確定：在合金成分一定條件下，鎂的收得率主要與包芯線的餵入位置和餵入深度有關，如果餵線位置處於下降流區域，則金屬鎂隨鋼水先下降再上升，有利於金屬鎂在較長時間內保持液態，延長了金屬鎂在鋼水中的擴散時間，從而增加與鋼水中非金屬夾雜物反應的機會；合適的加入深度有利於抑制鎂的氣化而提高鎂的收得率。
本發明方法中，當鋼液為採用BOF-LF-CC工藝冶煉時，Mg-Al-Fe合金餵入鋼液的工位與時機為：在合金微調之後進行，餵線後軟吹時間大於等於12min；當鋼液為採用BOF-LF-RH-CC工藝冶煉時，Mg-Al-Fe合金餵入鋼液的工位與時機為：在RH真空處理復壓後進行，餵線後軟吹時間大於等於12min。採用BOF-LF-CC或BOF-LF-RH-CC工藝冶煉的船板鋼生產過程和要求如下：在轉爐工序，冶煉終點溫度和碳、磷、硫成分合格後，擋渣出鋼並進行脫氧合金化，出鋼結束後加入石灰等進行頂渣處理；在LF工序，進站測溫取樣後餵入鋁線調整酸溶鋁含量，到加熱位後加入石灰和頂渣脫氧劑、加熱升溫造白渣並進行合金微調。對於要求氫含量控制的鋼種，需經RH精煉處理。
本發明方法中，採用鋼水成分協調控制技術：本發明中採用的為Mg-Al-Fe合金，合金中金屬鋁含量較高，合金餵入鋼液後會增加鋼水中酸溶鋁含量；為滿足酸溶鋁含量要求，本發明根據鋼種酸溶鋁含量控制目標、鎂合金中鋁含量，在保證鎂處理效果的前提下，協調配置LF進站餵鋁量和鎂處理餵線量；例如LF進站時可以控制鋼中酸溶鋁含量在目標下限。
本發明的船板鋼鋼液鎂處理工藝，有益效果為：
(1)本發明方法應用在船板鋼精煉過程中，鎂處理過程平穩，可有效保證金屬鎂的收得率和鎂處理效果，並有利於改善工作環境。
(2)本發明方法，應用到船板鋼精煉過程中，可有效調高鋼水潔淨度，並可有效控制鋼中非金屬夾雜物的成分、數量、粒度及其分布，有利於改善鋼材的力學性能及其穩定性。
附圖說明
圖1本發明實施例1的BOF-LF-CC路線鎂處理工藝流程圖；
圖2本發明實施例2和實施例3的BOF-LF-RH-CC路線鎂處理工藝流程圖。
具體實施方式
實施例1
一種船板鋼鋼液鎂處理工藝，如下：
首先，確定鎂處理的工位與時機：
本實施例依託的鋼種為Q345B鋼，該鋼種所採用的冶煉工藝路線為BOF-LF-CC，進行了兩個爐次的工業生產；轉爐公稱容量為150噸，Mg-Al-Fe合金包芯線餵線操作均在LF合金微調完成後進行；Mg-Al-Fe合金的成分及其質量百分比為：Mg：5.32％，Al：52.61％，Fe：41.70％，餘量為碳矽錳磷硫等雜質；Mg-Al-Fe合金包芯線參數為：直徑Φ13mm，鐵皮厚度為0.42mm，芯粉粒度為0.01～3mm，芯粉填充率0.25kg/m；
BOF-LF-CC路線鎂處理工藝流程如圖1所示；
其次，確定鋁量和鎂處理餵線量
根據鋼種酸溶鋁含量，在保證Mg-Al-Fe合金包芯線鎂處理效果的前提下，協調配置餵鋁量和鎂處理餵線量，具體如下：
成分控制：LF進站後，根據該鋼種酸溶鋁含量控制範圍和鋼水進站酸溶鋁含量，如表1所示，按下限0.015％控制；餵線量為150m；
然後，進行鎂處理：在LF合金微調後，採用包芯線餵入法向船板鋼鋼液中加入Mg-Al-Fe合金包芯線；其中，Mg-Al-Fe合金包芯線的餵入參數為：餵入位置為鋼包二透氣磚對側，距鋼包中心1/2半徑處，餵線速度為3.0m.s-1；
餵線過程平穩，未出現鋼水噴濺和大翻現象，只在鋼水表面包芯線餵入位置存在微弱亮光，無明顯煙塵產生；最終獲得Q345B成品鋼水。
Q345B鋼成品鋼水成分如表1所示，均符合內控標準要求。
兩個爐次連鑄坯全氧含量均為0.0013％，較原鈣處理工藝的平均0.0020％顯著降低；非金屬夾雜物控制效果表明，鋼中氧化鋁夾雜被充分變質為以鎂鋁尖晶石為主的夾雜物，LF離站時非金屬夾雜物粒度小於2μm的佔90％以上，平均直徑為1.112μm，較鈣處理工藝顯著細化，呈細小彌散化分布。
表1 Q345B鋼成品鋼水成分(質量百分數，％)
實施例2
一種船板鋼鋼液鎂處理工藝，如下：
首先，確定鎂處理的工位與時機：
本實施例依託的鋼種為AH32鋼，該鋼種所採用的冶煉工藝路線為BOF-LF-RH-CC，進行了兩個爐次的工業生產，轉爐公稱容量為150噸，Mg-Al-Fe合金包芯線操作均在RH真空處理後進行；Mg-Al-Fe合金的成分及其質量百分比為：10.18％Mg，54.87％Al，34.71％Fe，餘量為碳矽錳磷硫等雜質；Mg-Al-Fe合金包芯線參數為：直徑Φ13mm，鐵皮厚度為0.42mm，芯粉粒度為0.01～3mm，芯粉填充率0.25kg/m；
BOF-LF-RH-CC路線鎂處理工藝流程如圖2所示；
其次，確定鋁量和鎂處理餵線量
根據鋼種酸溶鋁含量，在保證Mg-Al-Fe合金包芯線鎂處理效果的前提下，協調配置餵鋁量和鎂處理餵線量，具體如下：
成分控制：LF進站後，根據該鋼種酸溶鋁含量控制範圍和鋼水進站酸溶鋁含量，如表2所示，按下限0.015％控制；餵線量為100m；
然後，進行鎂處理：在RH復壓後，採用包芯線餵入法向船板鋼鋼液中加入Mg-Al-Fe合金包芯線；其中，Mg-Al-Fe合金包芯線的餵入參數如下：餵入位置為鋼包二透氣磚對側，距鋼包中心1/2半徑處，餵線速度為3.0m·s-1；
餵線過程平穩，未出現鋼水噴濺和大翻現象，只在鋼水表面包芯線餵入位置存在微弱亮光，無明顯煙塵產生；最終獲得AH32成品鋼水。
AH32鋼成品鋼水成分如表2所示，均符合內控標準要求。
兩個爐次連鑄坯全氧含量分別為0.0012％和0.0010％，較原採用鈣處理工藝的平均0.0020％顯著降低；鋼中氧化鋁夾雜被充分變質為以鎂鋁尖晶石為主的夾雜物，LF離站時非金屬夾雜物粒度小於2μm的佔92％以上，平均直徑為1.207μm，較鈣處理工藝顯著細化，呈細小彌散化分布。
表2 AH32鋼成品鋼水成分(質量百分數，％)
實施例3
一種船板鋼鋼液鎂處理工藝，如下：
首先，確定鎂處理的工位與時機：
本實施例依託的鋼種為DH36鋼，該鋼種所採用的冶煉工藝路線為BOF-LF-RH-CC，進行了5個爐次的工業生產，轉爐公稱容量為150噸，鎂處理餵線操作均在RH真空處理後進行；Mg-Al-Fe合金的成分及其質量百分比為：Mg：8.24％，Al：56.47％，Fe：35.23％，餘量為碳矽錳磷硫等雜質；Mg-Al-Fe合金包芯線參數為：直徑Φ13mm，鐵皮厚度為0.42mm，芯粉粒度為0.01～3mm，芯粉填充率0.24kg/m；
BOF-LF-RH-CC路線鎂處理工藝流程如圖2所示；
其次，確定鋁量和鎂處理餵線量
根據鋼種酸溶鋁含量，在保證Mg-Al-Fe合金包芯線鎂處理效果的前提下，協調配置餵鋁量和鎂處理餵線量，具體如下：
成分控制：LF進站後，根據該鋼種酸溶鋁含量控制範圍和鋼水進站酸溶鋁含量，如表3所示，按下限0.015％控制；餵線量為120m；
然後，進行鎂處理：在RH復壓後，採用包芯線餵入法向船板鋼鋼液中加入Mg-Al-Fe合金包芯線；其中，Mg-Al-Fe合金包芯線的餵入參數如下：餵入位置為鋼包二透氣磚對側，距鋼包中心1/3半徑處，餵線速度為4.0m.s-1；
餵線過程平穩，未出現鋼水噴濺和大翻現象，只在鋼水表面包芯線餵入位置存在微弱亮光，無明顯煙塵產生；最終獲得DH36成品鋼水。
DH36鋼成品鋼水成分如表3所示，均符合內控標準要求。
表3 DH36鋼成品鋼水成分(質量百分數，％)
五個爐次連鑄坯全氧含量控制穩定，平均為0.0013％，顯著低於鈣處理工藝的平均水平0.0020％；鋼中氧化鋁夾雜被充分變質為以鎂鋁尖晶石為主的夾雜物，RH離站時非金屬夾雜物粒度小於2μm的均佔94％以上，平均直徑在1.1～1.25μm範圍內變化，細小彌散化分布特徵顯著。成品鋼板主要力學性能指標完全滿足國家標準的要求，屈服強度、拉伸強度、延伸率和0℃縱向衝擊功平均值分別達到了422.8MPa、541MP、28.6％和207.8J，分別較原鈣處理工藝提高了7.86％、4.64％、26.55％和12.32％。