CN115305311B

CN115305311B - 一种提高钢轨钢产品质量的方法

Info

Publication number: CN115305311B
Application number: CN202210946336.1A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 曾建华; 谢鑫; 李锡福; 李凌玲
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Steel and Vanadium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Pangang Group Xichang Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2042-08-08
Also published as: CN115305311A

Abstract

本发明公开了一种提高钢轨钢产品质量的方法，属于钢铁冶炼技术领域。本发明适用于对钢中MnS夹杂物尺寸要求较高的钢轨钢等硅锰脱氧钢，采用的工艺流程为铁水预处理‑转炉‑LF‑RH‑连铸。通过设计合理的合金化工艺路线以及精炼工艺制度，有效控制钢中氧化物夹杂种类以及尺寸的同时，为连铸钢水凝固过程MnS夹杂物析出提供大量细小、弥散的形核质点，从而达到有效控制钢中非金属夹杂物尺寸、形态以及在产品中分布的目的，提高产品品质。该技术应用后，以钢轨钢为代表的硅镇静钢中夹杂物得到有效控制。其中，A类≤1.5级的比例由70％提高到98％以上，B类≤1.0级的比例由93％提高到100％，C类≤1.0级的比例由92％提高到98％以上，产品品质获得大幅提升。

Description

一种提高钢轨钢产品质量的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼-精炼技术领域，具体涉及一种提高钢轨钢产品质量的方法。

背景技术

钢轨钢对钢水洁净度要求极高，国内根据用途不同，对钢轨中A、B、C、D类夹杂物均提出了相应的要求。国标GB/T10561-2005/ISO 4967:1998(E)提出200km/h钢轨的A类夹杂物(硫化物)评级均需≤2.5级；300km/h钢轨的A类夹杂物(硫化物)评级均需小于等于2.0级；T[O]均需≤0.002％。为降低Al₂O₃夹杂物对于钢轨疲劳性能的危害，钢轨钢的脱氧一般选择不含铝的硅钙等合金。

钢中的主要硫化物有FeS、MnS、CaS、MgS等，由于锰与硫具有较强的亲和力，对于非钙处理钢，连铸过程中优先生成MnS。而MnS的热膨胀系数和泊松比均高于基体，故在轧制过程中MnS随基体一起被轧制成长条状，这些长条状的MnS往往造成钢轨A类夹杂物评级较高。

为此，国内外学者对于钢轨等高碳硅锰钢钢中MnS夹杂物的控制进行了大量的研究，研究最多的为采用钙处理或者镁处理技术对夹杂物进行改性。由于钙处理和镁处理过程钢水反应剧烈，不但产生大量烟尘对环境污染较大，且由于钙和镁的蒸气压较低，反应过程钙、镁的收得率不稳定，导致处理后往往达不到理想效果。为此，有研究者又提出了碲处理或者锆、La等稀土处理技术，同样由于处理过程不能稳定控制，且稀土形成的氧化物易堵塞水口，故这些技术目前在钢轨钢的工业生产中基本上未被推广应用。

公开号CN110042202B，公开了一种RH精炼炉真空过程钙处理方法，该方法通过在RH真空精炼炉真空循环处理过程，利用RH合金料仓向真空室内循环的钢水中加入含钙合金进行夹杂物改性。该方法从真空料仓加入合金，虽然能降低钙与氧的反应性，但真空条件下，钙更容易汽化，真空室内同样反应剧烈，故存在安全隐患以及钙收得率低且不稳定的问题。

公开号CN107699659A，公开了一种重轨钢硫化物夹杂的变性方法，该方法通过在RH精炼过程向钢水中加入TiO₂的方法，对MnS夹杂物进行变性处理。

该技术存在的问题为，加入到钢中的TiO₂在精炼-连铸过程中，易与钢包渣、中包渣或者结晶器保护渣的CaO发生反应生成高熔点钙钛矿，造成水口堵塞或者结晶器渣况恶化等问题。故，该技术不适用于规模化工业应用。

公开号CN114058784A，公开了“用于钢轨生产的含镁复合包芯线、钢轨及其生产方法”。该包芯线由芯粉和低碳钢组成，其芯粉成分为：Mg5％～20％、Si25％～35％，碳酸钙5％～15％，其余为Fe和不可避免的杂质；该包芯线在RH处理结束时，向钢水中喂入2～6m/吨钢。该技术与传统钙处理喂线技术类似，均存在喂线过程钢水反应剧烈，生产现场烟尘大，环境污染严重，以及镁收得率不稳定等问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明针对钢中锰含量0.7％～2.0％、碳含量0.5％～0.9％的硅镇静钢轧材产品的A类、B类以及C类夹杂物尺寸偏大、评级偏高的问题，结合高碳硅锰钢成分及生产工艺特点，提供了一种提高钢轨钢产品质量的方法。该方法在RH处理工序通过真空料仓加入一种新型夹杂物改性剂，该新型夹杂物改性剂在真空度小于100pa处理3min后加入，此时钢中大型夹杂物得到有效去除，钢中氧活度小于10×10^-6，加入新型夹杂物改性剂到钢中后，熔化时由于硫元素在钢液中局部浓度富集，根据热力学平衡，硫与CaO或者钙铝酸盐发生反应，生成CaS或者CaS与钙铝酸盐形成的混合物，其处理效果与钙处理相当。合金中的硅与钢水中的氧反应生成SiO₂；合金中的镁，一部分溶解在钢中，使钢中保持一定的镁含量，一部分与钢中的氧反应，生成的MgO与钢中的Al₂O₃、SiO₂反应生成微型的MgO-Al₂O₃-SiO₂复合夹杂物这些夹杂物均匀分布在钢中，在连铸过程为MnS夹杂物的析出提供大量形核质点，可有效诱导钢中MnS夹杂物的析出，降低长条状MnS夹杂物析出概率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提高钢轨钢产品质量的方法，

包括铁水预处理-转炉工序-LF工序-RH工序-连铸工序的工艺流程；所述转炉工序完成脱氧合金化，将钢中碳、锰、硅元素控制在成品成分范围；所述LF工序脱硫以及通过渣-金反应控制夹杂物性质；所述RH工序加入夹杂物改性剂并通过控制RH工序处理工艺参数，对RH精炼过程钢中夹杂物进行改性，有效控制钢中夹杂物的种类、数量和形态，为连铸钢水凝固过程MnS夹杂物的析出提供大量有效的形核质点；

所述夹杂物改性剂包括：Mg：2wt％～4.8wt％；S：15wt％～35wt％；硅：15wt％～24wt％，其余为铁和不可避免的杂质。

进一步地，上述技术方案中，所述的转炉工序的步骤包括：在转炉出钢1/8～1/5时，向钢包内依次加入增碳剂、硅铁合金、硅锰合金或者依次加入增碳剂、硅铁合金、硅锰合金、钒铁合金对钢水进行脱氧以及合金化。脱氧后控制钢中氧含量在20×10^-4wt％～50×10^-4wt％。出钢结束对钢水进行弱吹氩搅拌，吹氩过程钢水不裸露，渣面微微波动为准。

进一步地，上述技术方案中，增碳剂与硅铁合金加入间隔20秒～40秒；硅铁合金与硅锰合金加入间隔10秒～30秒；硅锰合金与钒铁合金加入间隔10秒～30秒。

进一步地，上述技术方案中，吹氩流量为125～150NL/min，吹氩时间为5～8min。

进一步地，上述技术方案中，所述LF工序脱硫以及通过渣-金反应控制夹杂物性质的步骤包括：根据进站硫含量，加入钢包渣改质剂3～8kg/吨钢；处理3～6分钟后根据钢水氧活度向渣面加入0.5～2.0kg/吨钢的硅钙钡、碳化硅等脱氧合金中的至少一种。LF工序处理时间25～40分钟，确保LF工序出站[S]0.002wt％～0.004wt％，a[O]＜10×10^-4wt％，钢中夹杂物为CaO-SiO₂-MnO系、CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物。

进一步地，上述技术方案中，所述钢包渣改质剂包括：CaO 70wt％～80wt％、Na₂CO₃6wt％～10wt％、CaCO₃ 6wt％～10wt％、SiO₂ 12wt％～18wt％，其余为不可避免的杂质。

进一步地，上述技术方案中，所述RH工序处理工艺参数为：真空处理开始提升气体流量为1400～1600NL/min，当真空度降到小于100pa时处理3～5min后，将提升气体流量降到1200～1400NL/min，并从真空料仓加入夹杂物改性剂0.1～0.3kg/t钢，加入后再循环3～5min，再加入夹杂物改性剂0.1～0.3kg/t钢后循环5～10min，真空结束。真空结束后将钢中主要夹杂物为CaO-SiO₂-MgO、CaO-Al₂O₃-MgO、MgS，且尺寸均小于2μm。

进一步地，上述技术方案中，所述夹杂物改性剂的粒度为10～50mm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供了一种夹杂物改性剂，降低了传统钙、镁等合金或者包芯线加入到钢水里反应剧烈，合金收得率低、不稳定且喂线成本高以及现场烟尘大等问题。

(2)本发明设计的夹杂物改性剂，创新了夹杂物变性处理方法，克服了传统钙、镁处理环境污染大，收得率不稳定的问题。

(3)本发明通过设计合理的合金化工艺路线以及精炼工艺制度，有效控制钢中氧化物夹杂种类以及尺寸的同时，为连铸钢水凝固过程MnS夹杂物析出提供大量细小、弥散的形核质点，从而达到有效控制钢中非金属夹杂物尺寸、形态以及在产品中分布的目的，提高产品品质。该技术应用后，以钢轨钢为代表的硅镇静钢中夹杂物得到有效控制。其中，A类≤1.5级的比例由70％提高到98％以上，B类≤1.0级的比例由93％提高到100％，C类≤1.0级的比例由92％提高到98％以上，产品品质获得大幅提升。

附图说明

图1为本发明实施例1中轧材中夹杂物形貌图；(a)为对比例1工艺，(b)为本发明实施例1工艺。

图2为本发明实施例2中轧材中夹杂物形貌图；(a)为对比例1工艺，(b)为本发明实施例2工艺。

具体实施方式

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。鉴于本领域的技术人员在夹杂物领域开展了大量的研究工作，在理论与实践方面均积累了大量的、丰富的经验。在认真阅读了本实施例及其相应的分析后，一定能够根据其它的具体条件，在本发明提出的工艺方案和合金成分设计比例的范围内，(至多再做几次有限的常规试验)具体的选择出几组满足其它条件的工艺技术方案，以实现本发明所述的技术效果。所以，以下仅举出部分实施例。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

对比例1

钢水冶炼采用“铁水预处理-转炉工序-LF工序-RH工序-连铸工序”工艺流程。产品成分如表1所示：

表1钢种成分要求/wt％

C	Si	Mn	P	S	Al
						0.60～0.80	0.15～0.60	0.70～1.20	≤0.030	≤0.025	≤0.010

铁水预处理：铁水预处理采用喷吹脱硫工艺，加入1.2kg/吨钢镁粉和5.0kg/吨钢活性石灰，铁水脱后硫0.003wt％。

转炉工序：转炉出钢1/2时，向钢包内加入硅钙钡合金1～2kg/吨钢，在加入硅锰合金、增碳剂(石油焦)、硅铁合金钢水进行脱氧以及合金化，脱氧后控制钢中氧含量在小于15×10^-4wt％。出钢结束对钢水进行弱吹氩搅拌，吹氩标准为钢液面微微波动，吹氩流量为125NL/min，吹氩时间为8min。吹氩结束钢中a[O]15×10^-4wt％，[C]0.56wt％、[Si]0.18wt％、[Mn]0.67wt％、[P]0.016wt％、[S]0.010wt％、[Al]0.003wt％。

LF工序：LF进站[S]0.011wt％、a[O]16×10^-4wt％，进站加入活性石灰5kg/吨钢、萤石1.5kg/吨钢；LF继续处理35分钟，取出站样。LF出站[S]0.006wt％，a[O]14×10^-4wt％。

RH工序：RH处理4min后，加入锰铁和石油焦增碳剂、硅铁等合金将钢中[C]、[Si]、[Mn]等元素含量分别为0.70wt％，0.38wt％，0.92wt％。

真空处理全程提升气体流量为1400NL/min，真空处理时间为15min。

连铸工序：

连铸过程全程保护浇注；钢水浇注温度稳定，保证连铸过程中间包钢水过热度控制在25℃～35℃之间；二冷采用凝固终点区域强冷的二冷制度，同时适当提高冷却强度，比水量为0.40kg/t钢～0.49kg/t钢；拉速为0.8m/min。

该炉次生产的轧材中夹杂物形貌，如图1(a)和图2(a)所示。

实施例1

钢水冶炼采用“铁水预处理-转炉工序-LF工序-RH工序-连铸工序”工艺流程。产品成分如表2所示：

表2钢种成分要求/wt％

C	Si	Mn	P	S	Al
						0.60～0.80	0.15～0.60	0.70～1.20	≤0.030	≤0.025	≤0.010

铁水预处理：铁水预处理采用喷吹脱硫工艺，加入1.6kg/吨钢镁粉和4.6kg/吨钢活性石灰，铁水脱后硫0.001wt％。

转炉工序：转炉出钢1/3时，向钢包内依次加入增碳剂(石油焦)、硅铁合金、硅锰合金对钢水进行脱氧以及合金化，且每一批原料加入后间隔15-25秒。脱氧后控制钢中氧含量在20×10^-4wt％～50×10^-4wt％。出钢结束对钢水进行弱吹氩搅拌，吹氩标准为吹氩过程钢水不裸露，钢液面微微波动，吹氩流量为125NL/min，吹氩时间为8min。吹氩结束钢中a[O]35×10^-4wt％，[C]0.65wt％、[Si]0.20wt％、[Mn]0.75wt％、[P]0.015wt％、[S]0.008wt％、[Al]0.003wt％。

LF工序：LF进站[S]0.003wt％、a[O]30×10^-4wt％，进站加入钢包渣改质剂3kg/吨钢；处理3分钟后向渣面加入0.6kg/吨钢的硅钙钡后，LF继续处理25分钟，取出站样。LF出站[S]0.002wt％，a[O]7.5×10^-4wt％，LF出站CaO-SiO₂-MnO系夹杂物占总夹杂物的62wt％、其余为CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物。

LF加入钢包渣改质剂成分：CaO 80wt％、Na₂CO₃ 10wt％、CaCO₃ 6wt％、SiO₂18wt％，其余为不可避免的杂质。

RH工序：本技术RH工序主要功能除脱氢、氧、氮等气体元素以及净化钢液外，重点是合理控制钢中的镁元素含量以及通过夹杂物改性控制钢中夹杂物成分、尺寸，同时为连铸过程MnS的形成提供大量弥散的形核质点。

RH工序加入的夹杂物改性剂指标，如表3所示。

表3合金指标

真空处理开始提升气体流量为1400NL/min，处理1.5min真空度降到小于100pa，再处理3min后，将提升气体流量降到1200NL/min，并从真空料仓加入夹杂物改性剂0.3kg/t钢，加入后循环3min，再加入第二批夹杂物改性剂0.1kg/t钢后循环10min，真空结束。真空结束后钢中夹杂物数量占比为CaO-SiO₂-MgO 55wt％、CaO-Al₂O₃-MgO 32wt％、MgS 13wt％，且尺寸均小于2μm。

连铸工序：

连铸过程全程保护浇注；钢水浇注温度稳定，保证连铸过程中间包钢水过热度控制在15℃～25℃之间；二冷采用凝固终点区域强冷的二冷制度，同时适当提高冷却强度，比水量为0.50kg/t钢～0.63kg/t钢；拉速为1.0m/min。低过热度，强冷有利于降低大型硫化物夹杂的形成以及非金属氧化的聚集长大。

该炉次生产的轧材中夹杂物形貌，如图1所示。

实施例2

钢水冶炼采用“铁水预处理-转炉工序-LF工序-RH工序-连铸工序”工艺流程。产品成分如表4所示：

表4钢种成分要求/wt％

C

Si

Mn

P

S

Al

V

0.60～0.80

0.50～0.70

0.70～1.20

≤0.025

≤0.004

0.02～0.10

铁水预处理：铁水预处理采用喷吹脱硫工艺，加入1.5kg/吨钢镁粉和6.0kg/吨钢活性石灰，铁水脱后硫0.001wt％。

转炉工序：转炉出钢1/3时，向钢包内依次加入增碳剂(石油焦)、硅铁合金、硅锰合金、钒铁合金对钢水进行脱氧以及合金化，且每一批原料加入后间隔15-25秒。脱氧后控制钢中氧含量在20×10^-4w t％～50×10^-4wt％。出钢结束对钢水进行弱吹氩搅拌，吹氩标准为吹氩过程钢水不裸露，钢液面微微波动，吹氩流量为150NL/min，吹氩时间为5min。吹氩结束钢中a[O]35×10^-4wt％，[C]0.67wt％、[Si]0.54wt％、[Mn]0.81wt％、[P]0.012wt％、[S]0.012wt％、[Al]0.003wt％、V0.05wt％。

LF工序：LF进站[S]0.004wt％、a[O]28×10^-4wt％，进站加入钢包渣改质剂8kg/吨钢；处理5分钟后向渣面加入1.9kg/吨钢的硅钙钡后，LF继续处理40分钟，取出站样。LF出站[S]0.003wt％，a[O]6.2×10^-4wt％。LF出站CaO-SiO₂-MnO系夹杂物占总夹杂物的56wt％、其余为CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物。

LF加入钢包渣改质剂成分：CaO 72wt％、Na₂CO₃ 6wt％、CaCO₃ 10wt％、SiO₂12wt％，其余为不可避免的杂质。

RH工序：本技术RH工序主要功能除脱氢、氧、氮等气体元素以及净化钢液外，重点是合理控制钢中的镁、钙元素含量以及钢中夹杂物成分、尺寸，为连铸过程MnS的形成提供大量弥散的形核质点。

RH工序加入的夹杂物改性剂指标，如表5所示。

表5合金指标

真空处理开始提升气体流量为1600NL/min，处理1min真空度降到小于100pa，再处理5min后，将提升气体流量降到1400NL/min，并从真空料仓加入夹杂物改性剂0.1kg/t钢，加入后循环5min，再加入第二批夹杂物改性剂0.3kg/t钢后循环5min，真空结束。真空结束后钢中夹杂物数量占比为CaO-SiO₂-MgO 35wt％、CaO-Al₂O₃-MgO 44wt％、MgS 21wt％，且尺寸均小于1μm。

连铸工序：

连铸过程全程保护浇注；钢水浇注温度稳定，保证连铸过程中间包钢水过热度控制在15℃～25℃之间；二冷采用凝固终点区域强冷的二冷制度，同时适当提高冷却强度，比水量为0.50kg/t钢～0.63kg/t钢；拉速为1.1m/min。

该炉次生产的轧材中夹杂物形貌，如图2示。

Claims

1.一种提高钢轨钢产品质量的方法，其特征在于：

所述夹杂物改性剂的组分及含量为：Mg：2wt％～4.8wt％；S：15wt％～35wt％；Si：15wt％～24wt％，其余为铁和不可避免的杂质；

所述LF工序脱硫以及通过渣-金反应控制夹杂物性质的步骤为：根据进站硫含量，加入钢包渣改质剂3～8kg/吨钢；处理3分钟～6分钟后根据钢水氧活度向渣面加入0.5～2.0kg/吨钢的硅钙钡、碳化硅脱氧合金中的至少一种；LF工序处理时间25～40分钟，确保LF工序出站[S]0.002wt％～0.004wt％，a[O]＜10×10^-4wt％，钢中夹杂物为CaO-SiO₂-MnO系、CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物；

所述RH工序处理工艺参数为：真空处理开始提升气体流量为1400～1600NL/min，当真空度降到小于100pa时处理3～5min后，将提升气体流量降到1200～1400NL/min，加入夹杂物改性剂0.1～0.3kg/t钢，加入后再循环3～5min，再加入夹杂物改性剂0.1～0.3kg/t钢后循环5～10min，真空结束；真空结束后钢中主要夹杂物为CaO-SiO₂-MgO、CaO-Al₂O₃-MgO、MgS，且尺寸小于2μm；

所述钢包渣改质剂的组分及含量为：CaO 70wt％～80wt％、Na₂CO₃6wt％～10wt％、CaCO₃ 6wt％～10wt％、SiO₂ 12wt％～18wt％，其余为不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种提高钢轨钢产品质量的方法，其特征在于：所述的转炉工序的步骤包括：在转炉出钢1/8～1/5时，向钢包内依次加入增碳剂、硅铁合金、硅锰合金或者依次加入增碳剂、硅铁合金、硅锰合金、钒铁合金对钢水进行脱氧以及合金化；脱氧后控制钢中氧含量在20×10^-4wt％～50×10^-4wt％；出钢结束对钢水进行弱吹氩搅拌，吹氩过程钢水不裸露，钢液面微微波动为准。

3.根据权利要求2所述的一种提高钢轨钢产品质量的方法，其特征在于：增碳剂与硅铁合金加入间隔20秒～40秒；硅铁合金与硅锰合金加入间隔10秒～30秒；硅锰合金与钒铁合金加入间隔10秒～30秒。

4.根据权利要求2所述的一种提高钢轨钢产品质量的方法，其特征在于：吹氩流量为125～150NL/min，吹氩时间为5～8min。

5.根据权利要求1所述的一种提高钢轨钢产品质量的方法，其特征在于：所述夹杂物改性剂的粒度为10～50mm。