第29卷 增刊1 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol.29 Suppl.1 2007年 6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007

收稿日期：2007−02−21 修回日期：2007−04−17 作者简介：岳峰(1969⎯), 男, 博士研究生

BOF-LF/VD-CC工艺生产高级船板钢

纯净度的研究

岳 峰 包燕平 崔 衡 刘丹妹

北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 摘 要 高级别船板钢由于具有较高的强度和低温冲击韧性，要求冶炼的钢水有较高的纯净度，同时控制夹杂物的形态．本文采用优化的工艺对国内某厂的高级船板钢的纯净度和夹杂物的行为进行了试验研究. 试验结果表明, 该工艺生产的钢水具有较高的纯净度，充分钙处理的铸坯上主要是小于10 µm的CaO-CaS-Al2O3成分的球形夹杂物．采用合理的工艺措施，BOF-LF/VD-CC流程可以生产出低氧、低硫、高纯净度的钢水，满足高级船板钢的要求． 关键词 船板钢；纯净度; 夹杂物 分类号 TF762.8; TF703.5

船体用钢对钢的化学成分、力学性能和加工性

能等均有较高的要求，特别是高级别船板钢对钢的

组织均匀性、强度、低温冲击韧性的要求非常高[1-2]，

而钢中硫化物和氧化物夹杂物在铸坯中的行为直接

影响到钢板的塑性和韧性，降低了钢的塑性、强韧

性和延伸率[3-4]，因而要求铸坯必须是低氧、低硫、

高纯净度、夹杂物变性完全．

我国普遍采用BOF-LF/VD-CC工艺生产高级

别船板钢，如何在此生产流程上生产出低氧、低硫、

高纯净度、夹杂物变性完全的铸坯是各厂普遍遇到

的技术难点. 为此，本文在前期研究的基础上，采

用优化的工艺，对此流程生产高级别船板钢的纯净

度的控制进行了研究，该研究对高纯净低合金钢的

生产具有指导意义．

1 高级船板钢的工艺和纯净度的研

究方法

1.1 工艺流程

高级船板钢生产的工艺路线：铁水预脱硫→120

t转炉冶炼→钢包底吹氩→12O t LF/VD精炼→直弧

形连铸机→中厚板轧机．

1.2 研究方法

(1) 取样方案和加工.

分别在转炉后、LF、VD、中间包和铸坯上进

行系统取样，具体取样和加工方案分述如下. 1) 转炉：每炉出钢前取钢样、渣样，并记录出

钢温度和常规元素成分．

2) LF/VD炉：每炉钢在LF炉处理前、L处理

后、VD处理后分别用针式真空取样器取气体样、

饼状取样器取金相钢样和渣样，并记录常规元素成

分．

3) 中间包：浇铸中期在中间包入口（即钢包长

水口区域）取样，分别用针式真空取样器取气体样、

饼状取样器取金相钢样和渣样，并记录常规元素成

分．

4) 板坯：在浇注中期截取长度约为150 mm 的

坯料．切取试样时标记内外弧．

5) 真空气体样和饼样分别加工成的φ5 mm×15

mm和φ20 mm×15 mm的试样做气体和金相分析．

6) 在铸坯宽度的1/4处和边部，从内弧到外弧

切取50 mm×50 mm×板厚的试样，做大样电解分析；

同时在厚度的1/4处取φ5 mm×15 mm和20 mm×20

mm×20 mm的气体和金相分析试样．

(2) 分析方法.

钢样和渣样的化学成分采用常规的化学分析方

法，钢中总氧和氮采用远红外脉冲法分析，对非金

属夹杂物的检验分别采用了光学显微镜、扫描电子

显微镜和图像仪等方法，对大样采用电解分析．各

炉次主要化学成分见表1． • 2 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊1

表1 试验炉次的中间包钢水主要的化学成分(质量分数) %

序号 C Si Mn P S Als 199 0.12 0.24 0.87 0.012 0.0024 0.039 200 0.11 0.22 0.86 0.011 0.0017 0.038 364 0.10 0.38 1.47 0.013 0.0012 0.023 2 试验结果讨论

2.1 钢中总氧量的变化

从图1可以看出, LF精炼前钢中的T[O]量(质

量分数)控制在16×10−6~22×10−6范围内，LF后和

VD后平均降低了11%, 12%，中间包钢水中全氧量

控制在11×10−6~19×10−6范围内，铸坯中的全氧量均

控制在10×10−6．其中199炉由于大包保护浇注的效

果较差，造成中间包钢水中的全氧量有所增加，但

是由于采用大容量中间包，有利于夹杂物的上浮，

铸坯中的全氧量仍在10×10−6，完全满足了高级船板

钢的质量要求．

图1 各工序钢水总氧量的变化

为降低铝镇静钢中的全氧含量，在试验中采用

系统控制的观点[5-6]. 首先, 确定合理的终点碳含

量，采取强化搅拌，提高终点控制水平，降低终点

氧含量; 其次, 重点解决在脱氧过程中夹杂氧的问

题，采取控制转炉下渣量和钢包顶渣改质，在炉后

喂入铝线，迅速降低了钢中和钢包渣中的氧含量，

再通过软吹和长时间的镇静，促进夹杂物的上浮；

LF和VD精炼过程中进一步降低炉渣氧化性，提高

炉渣碱度，并通过喂钙线对氧化物变性，形成液态

的夹杂物，配合氩气搅拌进一步促使夹杂物的上浮

和吸收，提高钢水纯净度，降低钢包中的全氧量．连

铸工艺主要是防止污染和进一步的净化，为此采用

大容量中间包 (25 t)、全程吹氩保护浇注、高碱度

中包覆盖剂，促进夹杂物的进一步降低，提高钢水纯净度．

2.2 钢水硫含量的变化

从图2可以看出, 钢水经过LF精炼、VD真空

处理后硫含量减少，脱硫效果明显．LF精炼过程脱

硫率为58%，VD真空处理过程的脱硫率为40%．LF

精炼前钢水中的硫含量(质量分数)为0.007%~

0.013%，LF后钢中的硫含量为0.003%~0.006%，

VD真空处理后硫的含量低于0.004%，中间包钢水

中硫的含量小于0.0024%．

图2 各工序钢中硫含量的变化

为了深度脱硫，首先减少转炉出钢下渣量，为

LF快速成渣创造良好条件．在出钢过程中通过钢包

渣改质和强化钢水脱氧，使精炼提前进行．LF精炼

选择合理的渣系，从表2可以看出, 渣中MnO+FeO

含量都低于2%，满足炉渣脱氧、脱硫的必要条件，

同时炉渣碱度控制在4.0左右，MI指数在0.31~0.34

之间，为脱硫创造良好的热力学、动力学条件．造

渣过程中遵循“快、白、稳”的原则，配合合理的吹

氩搅拌工艺，LF精炼过程脱硫率达到58%．在VD

真空下采用较大的吹氩量，进一步改善钢水的脱硫

动力学条件．大容量中间包的采用，促使夹杂物的

上浮，中间包的钢水中硫的含量小于0.003%，满足

高级船板钢的质量要求，提高了船板钢的低温冲击

韧性．

2.3 钢水中夹杂物的变化

(1) 喂钙前后钢中夹杂物的成分和形貌. 钙处理前所取钢样中观察到的非金属夹杂物主 Vol.29 Suppl.1 岳峰等：BOF-LF/VD-CC工艺生产高级船板钢纯净度的研究 • 3 •

要有Al2O3夹杂和SiO2-MnO-Al2O3复合夹杂（见图

3），个别夹杂中含一定的Ca, S, Mg，显微夹杂物

的尺寸基本都在10 µm范围内．Ca处理前钢中显微

夹杂物成分主要受转炉合金化工艺和镇静时间的影响．转炉出钢过程中加入硅、锰合金，采用硅钙和

硅钙钡终脱氧，并喂入铝线，因而喂钙前的非金属

夹杂物主要以Al2O3和硅铝锰酸盐为主.

表2 E36级船板钢LF炉炉渣成分及性能

炉渣成分(质量分数) / % 炉号 P2O5FeO Al2O3 MnOSiO2CaOMgOS MnO+FeO R MI

199 0.0351.02 12.36 0.1215.6366.191.450.381.14 4.23 0.34 200 0.0661.49 12.94 0.08715.2662.710.620.411.577 4.11 0.32 364 0.0400.70 15.72 0.0813.4865.052.850.520.78 4.83 0.31 注: R=CaO/SiO2; MI=CaO/SiO2/Al2O3.

图3 Ca处理前典型的非金属夹杂物的形貌: (a) Al2O3; (b) Al2O3; (c) Al2O3; (d) SiO2-MnO-Al2O3; (e) SiO2-MnO-Al2O3

钙处理后所取钢样中观察到的非金属夹杂物主

要为钙铝酸盐夹杂物 (见图4)，CaO的含量相差较

大，同时还含有少量的S, Mg和Mn等元素，尺寸

在5 µm左右．同时有少量球状CaS和不规则的

Al2O3非金属夹杂物．

与钙处理前相比，由于喂入了硅钙线，绝大部

分Al2O3夹杂都得到不同程度的变性，转变成各种

钙铝酸盐，同时由于钢水的强烈搅拌，部分顶渣进

入钢中，使部分夹杂物的成分更加复杂，具有顶渣

的成分特征． (2) 铸坯中夹杂物的成分和形貌.

铸坯上显微夹杂物的主要成分是

CaO-CaS-Al2O3(见图5)，形貌都是小于10 µm的球

形夹杂，铸坯上满足12CaO⋅7Al2O3的夹杂物占总量

的81.25%，同时存在少量含有Mg, Na, Ti等元素的硅铝酸钙球状非金属夹杂物，其尺寸在20 µm左

右．由于钢水中钙含量较高，中间包中钢水的钙含

量均在15×10−6以上，因而钢水中的Al2O3夹杂物变

化较为完全，同时钢水中的硫的含量控制在0.003%

以下，铸坯中的夹杂物主要为CaO-CaS-Al2O3夹杂.

在钢水中氧含量和硫含量均比较低时，采用钙处理

技术，提高中间包钢水中残余的钙含量在15×10−6

以上，获得较高的Ca/Al和Ca/S，可以对夹杂物进

行较为完全的变性，减弱甚至消除了钢水凝固过程

中硫的偏析现象, 钢中残余硫就会以硫化钙质点的

形式相对弥散地分布在钢中，从而提高产品的质

量．另外, 出现少量含钠的硅铝酸钙的夹杂物，与

结晶器保护渣的卷入有关．

(3) 钢中显微夹杂物的数量.

从图6发现, 钢中的显微夹杂物数量很少．LF