低合金钢AOD冶炼初探

1、AOD炉精练低合金钢初探威兰阀门（苏州）有限公司 李纪宏郑州海特机械有限公司 余健 申少辉 谷新波 薛振华一 前言 近几年，随着我国国民经济的快速稳定发展，钢铁业生产能力的快速增长和铝合金产量的急剧增长，拉动了冶金，采矿设备的强劲需求，这些行业是铸钢件的最大用户。铁路部门是铸钢件的第二大用户，从铁路客运车辆的多次提速，到高铁客运专线的快速建设，大中型城市地铁项目的全面开工，高速重载货运机车的需求；整个轨道交通基础设施建设投资必将加大对铸钢件的需求；还有电站设备，船舶制造和工程机械行业也是铸钢件的重要用户。此外，随着石油钻井和炼油设备的增加及管道输送的发展，对阀门和泵用铸钢件的需求与日俱增。类似

2、的应用优质高附加值，铸钢件的场合极多，不胜枚举。国内外市场对高附加值铸钢件需求十分可观。 我公司近年来致力于石油化工泵，阀类；工程机械及轨道交通等高品质铸钢件的研发取得了一定的进展。.高品质铸钢件的基本概念：如前所述现代高品质铸钢件主要应用于冶金，采矿，轨道交通，电站，石油化工等重要领域，为保证铸钢件高可靠性，高保安性，高稳定性要求，从化学成分，机械性能；表面质量；内在质量，夹杂物级别，焊修历程，热处理历程等提出全面细致的要求；另外铸件唯一标示和可追朔性（关键件要永久保存档案资料）。1 化学成分； P，S超标准限定 CSN18；（ P0.016 S0.015 )2 力学性能；本体性能要求，本体

3、动态撕裂3 表面粗糙度；GB/T6060.1(ISO 2632/III);MASS-SP-55 气孔，砂孔，冷隔，芯撑，水纹，气割表面，打磨表面4 湿法荧光磁粉（MPI）100% GB/T9444-2007(ISO 4986:1992)5 渗透探伤 （PT）GB/T9443-2007（ISO 4987：1992）6 全身或关键区域RT GB/T5677-2007（ISO 4993：1987）常用ASTM E446 E186 E280 E1927 超声波探伤（UT）GB/T7233 （ASTMA609A；EN12680-1/2）8 热处理原始记录 定期的炉温的均匀性测定9 缺陷修补 有严格要求（

4、必须做焊接工艺评定；重大缺陷要客户批准）；关键件热处理后不许任何包括焊接在内的热历程。 .一般纯净铸钢（碳钢和低合金钢）应控制在S+O（或N）总量小于15010-6的水平，O小于6010-6，夹杂物GB/10561-89（A硫化物，B氧化物，C硅酸盐，D球状和点状氧化物）一般认为要小于8微米。显然普通电炉冶炼已不能满足高品质铸钢件要求；获得高纯净钢液可采用钢包吹氩净化，钢包喂线净化，感应炉氩气净化（炉底吹氩和炉口氩气保护），真空感应炉精炼，氩氧炉AOD（Argon Oxygen Decarburization）精炼，钢包LF(Ladle Furnace) 精炼, VOD（Vacuum Oxyg

5、en Decarburization）精炼，电渣熔铸精炼等现代技术措施来实现。必须看到，纯净铸钢及其精炼技术是当前铸钢技术发展的重要方向。当然获得清洁钢液及高品质铸钢件的途径还有很多，也还要其它工艺条件配合，炉料管理和清洁；浇注过程控制；钢液过滤技术；型砂技术；热处理等等。但这里仅对AOD冶炼工艺技术展开讨论。由于种种原因，迄今还很少采用AOD或VOD精炼工艺生产高品质铸钢件，尤其是低合金钢铸件。我公司2008年投资建设3吨AOD（Argon Oxygen Decarburization）精炼炉，已冶炼钢种：ZG0Cr13Ni4Mo；CF8M；CF3M；ASTM A487；27CrNiMo这里

6、仅讨论低合金钢铸件的AOD冶炼实践。二 设备情况1 AOD炉体和工作层炉衬材料 AOD氩氧炉主要用于熔炼不锈钢，近年来扩大到用于碳钢和低合金钢的生产。AOD氩氧炉精炼过程对耐火材料的作用如下： 为将钢中碳降到很低（0.01%），精炼温度需达1710-1720以上，产生较大的热应力，引起热剥落和结构剥落； 开始吹氧时，钢中硅氧化为SiO2，炉渣变为碱度很低的酸性渣（B0.5）。而在脱硫期，需要高碱度渣（B3.0）。精炼过程中，耐火材料受到碱度变化范围很大的碱酸性炉渣的侵蚀作用； 大量喷吹氩气和氧气，钢液和炉渣激烈搅动，对喷嘴和喷嘴区耐火材料的侵蚀作用尤为严重； AOD炉为间歇式操作，炉衬工作面热

7、震大。 因此，AOD炉用耐火材料应具有良好的抗热震性，耐机械磨损，抗冲刷，结构致密，并具有高强度。 AOD炉衬材质主要有两种类型：镁铬质和白云石质。镁铬质系耐火材料具有高温强度大，对中低碱度炉渣抗侵蚀性能好等优点。但受高碱度脱硫渣的侵蚀严重，且抗热震性差，废砖污染环境，价格较高。而白云石砖能克服上述缺点，随着冶炼操作过程造渣制度改进，AOD炉已趋向于采用白云石质耐火材料1。（1）国内某工厂AOD炉工作层用半再结合镁铬砖筑砌1， 表1: 半再结合镁铬砖理化性能1化学组成物理性能MgOCr2O3SiO2显气孔率常温耐压强度荷重软化点温度高温抗折强度%MPa0.2MPa T0.61400 MPa71

8、.516.452.7515.050.017009.0该材料高温强度高，热抗震稳定性好，抗渣侵蚀力强，比较适合间歇式精练生产。采用该材料根据工况对工作层实施异型砌筑后，AOD炉龄可以达到30炉左右。 （2）AOD炉筑砌完成后必须进行烘烤，是将半再结合镁铬砖中的水分烘烤干净并使其缓慢相变至完全，其烘烤工艺如表2表2: AOD炉半再结合镁铬砖工作层烘烤工艺1温度范围（）升温速率（/h）保持时间（h）保持温度（）0-300308-12300300-650308-10650650-1100508-121100（2）我们主要以低合金钢冶炼为主，不锈钢冶炼为附，兼顾考虑到价格便宜，无公害及其它优点，故选用白

9、云石质耐火材料。表3:镁白云石砖的理化指标1项目化学组成%体积密度/g.cm3显气孔率/%常温耐压强度/MPaMgOCaOSiO2Al2O3Fe2O3Mn3O4A62370.50.30.70.22.981366B39590.780.470.780.162.9512.6105 表3: AOD炉镁白云石工作层烘烤工艺温度范围（）升温速率（/h）保持时间（h）保持温度（）0-300308-12300300-650308-10650650-1100508-121100 炉衬寿命也可以达到20左右。 2控制系统 日本横河3供气和配气系统4除尘系统三 冶炼工艺1 感应电炉熔炼配合AOD精炼的前提是先在感应

10、电炉内完成钢水的熔化，并使钢水温度达到AOD入精炼条件。 （1）感应电炉不氧化法熔炼要求：熔清提温至1600以上，取全样分析。并根据分析样进行合金化。调整成分 C控制在0.9-1.2；Si 0.2-0.3；Mo 、Ni 、Mn控制在中下限，Cr按残余控制，各种残余元素低于标准规定。 （2）提温至1650-1700，插铝0.1%,出钢至中间包。 （3）中间包使用前必须烘烤至800以上，秤重并将钢水兑入AOD炉中，秤空包并计算净钢水量。2AOD炉精炼过程控制 冶炼低合金钢的工艺与冶炼不锈钢工艺差别在于：低合金钢的冶炼过程只相当于不锈钢冶炼的前两期，而没有了第三期强制脱碳工艺和Cr铁的还原过程。低合

11、金钢冶炼的难点在于碳值的控制和温度的匹配，每个钢种都要摸索数据，找规律，使之做到当碳值成分合格时温度也要适合出炉。 图1 为碳钢和低合金钢精炼工艺控制示意，整个冶炼期内对温度和碳的控制变化趋势。 图1 碳钢和低合金钢精炼工艺控制示意AOD精练操作过程的控制是精炼的关键，要完成钢液的去气、去夹杂、脱氧、升温、微合金化等任务。 1 兑钢前先开冷却气体主N2付N2全部打开，混气包压力达到0.45Mp左右。预装3%生石灰；烘炉3h，确保工作层烤红。2 兑入钢水后，摇平炉体停主N2，测温取样。温度控制范围1540-1570。3 旋转炉体到-57回倾角，开主O2起炉开吹（混气包压力至少0.3Mp才能起炉，

12、否则有烧枪危险），此时混气包压力为0.80.9Mp。这样吹炼510分钟。 根据化学成分和温度按下式计算用氧量： (SiT%）W0.0148-(C%-0.15)W0.148+0.25W0.011 SiT% 入炉钢水中硅的百分含量 C% 入炉钢水中碳的百分含量 W 入炉钢水做重量 （Kg）4 吹炼碳值到0.20.3%时，取样测温拔渣。用萤石调整渣的粘稠度，适当降低氧气，防止温度过高，直至方便取样拔渣。在拔渣后等光谱结果这段时间可以加入少许石灰、萤石、Si-Ca粉保持炉内在等待阶段不吸气氧化。5 吹炼结束，取样光谱分析，按结果加入增碳剂调整碳值，继续吹气，目标温度1700，碳值在0.15%。 如温度

13、低需进行升温操作：要加入升温混合料 升温用Al （1700-测量温度+30）0.7 升温用石灰量 升温用Al2.20 升温用氧量 升温用Al1.156 吹氩气5分钟左右，摇平炉取样、测温，加硅钙粉和硅钙块来保持炉内的还原性气氛，等待取样结果。 还原混合料计算： 需还原总量=总用氧量 - (SiT%）W0.0148-(C%-0.15)W0.0173+0.25W0.011 硅铁需要量=(0.25%W) +(需还原氧量W0.21.48) 还原需铝量=需还原氧量0.8 1.15 石灰需要量=还原需铝量2.2 + (SiT%W + 需还原氧量W0.21.48)3.8预装生石灰量7 根据结果，微调碳值（增

14、碳剂吸收率按90%计算），并加入Cr、Ni、Mo、电解锰等来调整其他合金成分（这个阶段必须加入微碳合金）。加入电解铝强制脱氧，摇起炉吹氩半分钟到一分钟左右使合金熔化成分均匀。8 测温，温度应该在1620-1640时出钢，在钢包中加入硅钙脱氧剂。包内取全成品样分析。9 浇注水口直径为45mm ；浇注温度为1550-1580。备注：低合金钢是可以脱P操作的1 若要脱P，则需要先在炉底加入公斤纯净的小块石灰，兑钢后，视钢水温度稍微吹气，控制温度不可过高小于1500，然后摇炉拔渣，拔渣后再加入石灰和些许萤石，稍微吹气后再拔渣；连续23次同样操作流程，可以将P降至0.01%以下，然后再继续正常吹炼。注意

15、还原后P会回升一部分，大概在0.0050.01%左右。2 若加冷料的话，在氧化期升温阶段加，温度至15501600度左右加入冷料，视冷料成分而定看是否需要加硅铁升温，不可过早加入防止粘在炉壁熔化不掉。3 最后还原吹氩后的取样和加料一定要快，因为这个时候温降很快，防止温度过低的反吹。4 如果炉内炉渣粘稠，则需要加入萤石和硅钙块来调稀，以泡沫状的流动渣为宜。四 效果评价1.机械性能要求 抗拉强度 PSI 屈服强度 PSI 延伸率 %断面收缩率 % 动态撕裂 -51 （J） 120000 90000 14 30 202.成品钢27CrNiMo 化学成分要求C%Si%Mn%P%MAXS%MAXCr%N

16、i%Mo%0.2-0.30.3-0.81.1-1.60.0350.0350.4-0.60.3-0.60.2-0.4 显微夹杂分析 AB类 感应炉冶炼 2-3级 稳定提高到一级 KV2 力学性能 GB/T229-2007 同等强度水平下，韧性提高明显 报告编号试样编号KV2（J）实验温度备注C090604-3852CJ-11C091030-3（1）48-40AODC091030-3（1）61-40AODC091030-3（1）63-40AOD平均57C090604-3852CJ-1861-428-40普通861-432-40普通861-434-40普通平均31 气体含量材质试样编号ONH27CrNiMoC090601-2920000580000840000010AOD27CrNiMoC090601-0858000520000820000010AOD27CrNiMoC080601-1329001300001800000023普通27CrNiMoC080601-1523001500001100000039普通五 结论1 AOD精炼低合金