EAF＋AOD＋LF流程冶炼310S不锈钢夹杂物控制

 浙江至德钢业有限公司为了进一步提高310S不锈钢种的洁净度，满足其耐蚀性能。利用化学分析、金相及小样电解、扫描电镜等手段研究了以EAF＋AOD＋LF流程生产310S不锈钢原精炼工艺下的钢水洁净度，并在此基础上提出了优化方案。结果表明，通过适当提高AOD还原炉渣碱度、LF进站采用铝粉进行深脱氧和延长大流量底吹氩气搅拌时间等手段提高了310S不锈钢水洁净度，其中连铸坯氚(氧)由0.0034%下降到0.0025%，消除了直径大于30μm的大颗粒夹杂物，直径超过15μm的夹杂物数量减少了5.8%，1～7μm的弥散夹杂物数量增加了15.5%。

310S不锈钢是奥氏体耐热不锈钢中的高端产品，因为铬、镍元素质量分数高，耐蚀、耐热性能优良，可用于温度为1100℃左右，在高负荷、少硫气氛下工作的耐热件。310S不锈钢具有热塑性低、过热敏感、变形抗力大的特点，因此要求较高的钢水质量，以减少后续出现的各类缺陷。目前针对310S不锈钢的研究主要集中在连铸、轧制力学性能及抗腐蚀性能等相关方面，针对冶炼过程中提高钢水洁净度方面还需要深入研究。钢水洁净度是评价钢水质量的重要指标，其核心是对钢中夹杂物的尺寸、数量和成分进行评价。浙江至德钢业有限公司以太钢180吨EAF＋AOD＋LF生产线的310S不锈钢工艺为研究对象，研究冶炼过程中钢水洁净度的变化情况并提出工艺改进方案，为进一步优化工艺和提高耐热钢洁净水平提供依据。

一、试验设备及方法

 冶炼310S不锈钢美标要求的化学成分（质量分数）为碳≤0.08%，硅≤1.5%，锰≤2.0%，磷≤0.045%，硫≤0.030%，铬＝24.0%～26.0%，镍＝19.0%～22.0%。耐热钢的生产工艺流程为：180吨EAF→180吨AOD→LTS（扒渣）→180吨LF→CC。EAF主要完成合金的熔化，原料主要包括转炉脱磷铁水、不锈钢返回精料、高铬合金和镍合金等。AOD主要完成脱碳、微调成分、用硅铁还原精炼钢水，AOD冶炼过程钢水成分控制情况见表，在脱碳过程存在铬的氧化，渣中三氧化二铬最高可达30%以上，经过AOD还原后渣中三氧化二铬降低至0.8%以下，因AOD采用钢渣混出，出钢后在LTS进行扒渣，LF进站加入石灰和萤石调渣，渣中三氧化二铬进一步降低至0.4%以下。

 本研究采用的取样方法是对各工序钢水进行取样分析。利用金相显微镜、扫描电镜对试样的夹杂物进行分析研究。氚(氧)检验采用美国Ltco制造的TC600氧氮分析仪。夹杂物采用自动图像分析系统，系统由Leica MD4000正置式金相显微系统、LECD自动图像分析系统和PRICR自动载物台及其控制系统等组成。

二、原冶炼工艺下的夹杂物水平分析

 在原有工艺条件下，对各工序环节进行了取样，并进行了全氧分析。图所示为关键工序中310S不锈钢的氚(氧)水平。由图可知，从AOD出钢到连铸坯，氚(氧)在逐渐降低，其中LF进站氧质量分数下降最为明显。AOD出钢和LF出站氚(氧)偏高，目前国内外冶炼不锈钢AOD出钢氚(氧)稳定在0.0060%左右，可见，目前的冶炼并没有达到预期的效果。

 图所示为310S不锈钢连铸坯横截面1/4处制取直径为15mm、长度为120mm的棒样，采用KKJ-3可控硅恒电位仪和电钢钨等离子发射光谱仪分析其中的夹杂物成分（小样电解）。由图2可知，小样电解中的氧化物主要为三氧化二铬和氧化铁，两者总和约占夹杂物总和的80%，这说明在整个还原和精炼过程中钢液脱氧不充分，夹杂物存在未被充分还原的氧化铁和三氧化二铬。

 采用金相夹杂物统计软件对原工艺条件下连铸坯宽度1/4处的钢样进行夹杂物尺寸分析，采集了100个视场进行统计，结果见表。由表可知，夹杂物数量较少，但是大型夹杂物的比例较高，直径超过30μm的夹杂物占夹杂物总数的2.9%，大型夹杂物数量的比例偏高。图所示为典型大颗粒氧化物夹杂物照片和对应的能谱图，其中直径为50μm左右，成分主要为氧化铁和三氧化二铬，该类夹杂物是由于AOD还原过程中未充分还原渣中氧化铁和三氧化二铬，属于典型未充分的脱氧产物。

三、工艺优化方案

 1. AOD工序

 根据上一节的分析可知，AOD还原结束钢中氚(氧)为0.0073%，氧质量分数较高。目前AOD还原采用硅铁。硅铁还原钢水和渣中氧化物的化学反应式。由式可知，为了降低终点氧质量分数，可以提高还原剂用量和增加炉渣碱度，由于硅质量分数对钢种的性能影响较大，不能无限制提高硅质量分数。所以只有增加炉渣碱度，目前AOD冶炼终点炉渣碱度平均为1.7，炉渣碱度偏低。所以可以将AOD终点炉渣碱度控制在1.9～2.1。AOD工艺优化前后，AOD炉渣成分的变化情况见表。由表可知，通过工艺优化，AOD炉渣碱度由1.7调整为2.0。

 2. LF工序

 图所示为用热力学软件FactSage计算的310S不锈钢中硅氧和铝氧平衡图。由图可知，采用铝深脱氧能够有效降低钢中的残余氧质量分数。因AOD还原过程中渣量较大，吨钢渣量约为120 kg，若AOD还原过程采用铝脱氧，则会显著增加AOD的生产成本。为了实现铝脱氧，在LTS扒渣后，钢包顶渣降低至10 kg/t，LF进站时加入300 kg铝粉对钢液进行扩散脱氧。优化后LF精炼渣成分变化见表。通过对夹杂物数量的分析可知，钢中大型夹杂物较多。相关研究表明，当熔池或者钢包沸腾和大量排气时，大型夹杂物可以排除，即大流量搅拌有利于夹杂物的上浮和去除。因此，LF处理310S不锈钢时，LF大流量搅拌时间由5分钟延长到10分钟。

四、工艺优化效果

 浙江至德钢业有限公司通过提高AOD还原炉渣碱度、LF进站加铝脱氧和延长大流量搅拌等工艺措施，使EAF＋AOD＋LF冶炼310S不锈钢种洁净度得到了大幅度提高。图所示为工艺优化后全流程钢中氚(氧)的变化趋势。由图可知，AOD还原结束氚(氧)降低了0.0006%，LF精炼过程氚(氧)降低了0.0029%，LF出站钢水氚(氧)降低为0.0032%。连铸坯氚(氧)降低为0.0025%。

 工艺优化前后连铸坯小样电解夹杂物成分变化情况见表。由表可知，通过优化小样电解夹杂物质量分数由0.0261%降到0.0142%，其中三氧化二铬和氧化铁降低最为明显，分别降低了0.0066%和0.0048%。工艺优化后连铸坯夹杂物数量和大小变化情况见表。由表可知，通过工艺优化，使钢中的大型夹杂物（直径不小于15μm）的数量减少了5.8%，夹杂物尺寸不超过7μm的比例增加了15.5%，尺寸不超过7μm的夹杂物对钢材的性能没有危害，反而有利于钢材力学性能的提高。图所示为工艺优化后连铸坯典型夹杂物形貌和对应的能谱图。由图可知，优化后，铸坯典型的夹杂物成分为铝酸钙。

五、结论

  1. EAF＋AOD＋LF原工艺生产310S不锈钢铸坯氚(氧)达到0.003 4%，小样电解夹杂物中三氧化二铬和氧化铁较高。

  2. 提高AOD还原炉渣碱度、LF进站用铝深脱氧和大流量搅拌等可以提高钢水洁净度。

  3. 通过工艺优化，310S不锈钢铸坯氚(氧)控制在0.0025%，小样电解夹杂物降低了0.0119%，大型夹杂物数量减少了5.8%，钢中主要夹杂物由硅酸盐变为钙铝酸盐。