焊丝钢DT08A炼钢工艺开发与实践.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.2021引言GB/T3429 焊接用盘条钢 中H08系列碳素钢盘条，用于制造E4303钛钙型药皮电焊条的焊芯，是焊条生产的主要原料品种之一，属于典型的低碳低硅系列钢种；下游终端用户为降低焊缝的裂纹倾向，同时改善焊缝的力学性能，在H08系列的基础上，进一步低控钢中化学成分 P0.005%、S0.003%、Al0.01%，得到改进牌号DT08A。由于低碳低硅低磷低硫低铝的“五低”特点，使该牌号钢种冶炼过程中Si、P、O成分的控制难度进一步加大，也将影响连铸的可浇性。东北特殊钢集团股份有限公司根据用户需求，结合现有装备、工艺对焊丝钢DT08A进行了开发与实践，最终生产出合格的焊丝钢。本文结合过程实际，对炼钢难点问题、相应的措施效果进行总结。1冶炼工艺路线焊丝钢DT08A的成品成分要求如表1所示：焊丝钢DT08A炼钢工艺开发与实践宫哲王泽琦张少东王喜春刘博皓（东北特殊钢集团股份有限公司，辽宁 大连 116000）摘要：焊丝钢DT08A是用于制造E4303钛钙型药皮电焊条焊芯的钢材，是下游终端用户在GB/T3429中H08系列碳素钢焊丝的基础上，进一步低控钢中化学成分P0.005%、S0.003%、Al0.01%而得到的改进牌号。针对该牌号低碳低硅低磷低硫低铝的“五低”特点，采用电炉氧化法吹炼、偏心底出钢，LF炉造高碱度炉渣、根据钢液成分使用铝或电石粒脱氧，连铸进行氩气保护浇铸、使用低磷中间包覆盖剂等措施，保障了冶炼和浇铸质量，最终生产出合格的焊丝钢。关键词：焊丝钢DT08A；化学成分；低磷；低硫中图分类号：TF762文献标志码：B文章编号：1674-0971（2023）-002-05Development and practice of DT08A steel making processGong Zhe,Wang Zeqi,Zhang Shaodong,Wang Xichun,Liu Bohao（Dongbei Special Steel Group Co.,Ltd.,Dalian 116000,Liaoning,China）Abstract：Welding wire steel DT08A is a steel used for manufacturing E4303 titanium calcium coated weldingelectrode cores.It is an improved grade obtained by end users based on the H08 series carbon steel welding wires inGB/T3429,and further controlling the chemical composition of steel with the content of P 0.005%,S 0.003%,and Al 0.01%.In response to the five low characteristics of this grade of low-carbon,low silicon,lowphosphorus,low sulfur,and low aluminum,measures such as electric furnace oxidation blowing,eccentric bottomtapping,high alkalinity slag made by LF furnace,using aluminum or carbide particles for deoxygenation accordingto the composition of the steel liquid,continuous casting with argon protection,and using low phosphorus tundishcovering agent have been taken to ensure the quality of smelting and casting,and ultimately qualified welding wiresteel was produced.Keywords:welding wire steel DT08A,chemical composition,low phosphorus,low silicon收件日期：2023-1-20作者简介：宫哲（1988），男，本科，工程师，2011年毕业于辽宁科技大学冶金工程学院，现供职于东北特殊钢集团股份有限公司，主要从事炼钢工艺研究、汽车钢产品研发工作。特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第115期2023年第2期Vol.29（115）2023.No.2工艺研究与生产实践2化学成分控制2.1C成分控制下游终端用户为降低焊缝的裂纹倾向，同时保证焊缝的强度，对焊接用材料的C成分有着严格要求；用户根据实际需求，已明确成品成分C：0.06%0.09%。由于焊丝钢需要在盘条上检验成品成分作为判定依据，且通过实际检验发现炼钢熔炼成分与盘条成品成分之间存在不同程度的偏差，因此需要设计合理的熔炼成分范围，以保证最终产品合格1。选用Pareto图作为分析工具，评价不同偏差程度对于盘条成品成分合格率的影响。通过Pareto图，对已检验的50批材料的C成分偏差进行分析，并得出C成分偏差对成品成分的影响百分比率：1）当熔炼成分C恰好控制在成品成分要求的范围上限，则盘条成品成分C满足要求的合格率为54%；2）当熔炼成分 C 控制在成品成分要求的“下限上限-0.01%”，则盘条成品成分C满足要求的合格率为90%。如图2所示。因此，对于 C 成分有着严格要求的焊丝钢DT08A，合理的熔炼成分 C 范围应为 0.06%0.08%。2.2Si成分控制因E4303钛钙型药皮电焊条的药皮配方中有一定比例的SiO2，而SiO2是影响焊条发尘量的主要因素，它的增加会增大焊条的发尘量；为了降低发尘量，要求焊芯中Si成分要尽可能低2。由于冶炼中使用电解锰进行合金化，则合金不会向钢中引入Si成分；因此，冶炼炉渣中的SiO2是钢中Si成分增加的主要来源，其反应式为：4Al+3（SiO2）=2（Al2O3）+3 Si结合该反应式，为低控钢中Si成分有以下措施，来减少精炼回Si倾向：1）电炉氧化法吹炼，低控电炉出钢终点 Si0.01%，降低钢中 Si 的基础含量；2）电炉偏心底出钢，留钢留渣操作，减少电炉出钢带渣量；3）LF炉使用石灰、钙铝合成渣造高碱度炉渣，控制渣中w（SiO2）8%、碱度R7；4）根据炉渣情况、钢液成分，使用铝粒、电石粒进行复合扩散脱氧；5）控制精炼底吹软搅拌强度，以免搅拌强烈，使钢液与炉渣的接触面积增大。2.3P成分控制P元素为焊丝钢中的主要有害成分。P成分越高，焊缝的冷裂倾向愈会增大，将明显降低焊缝的低温冲击性能；因此对于高质量特种焊丝，一般控制成品成分P0.007%。而此次根据用户要求，需特别控制成品成分P0.005%。为实现用户要求，需从电炉脱磷、连铸浇铸这两方面开展工作。特钢技术第29卷第2期表1 DT08A及H08系列成品成分，%Table 1 Composition of finished products of DT08A and H08 series，%牌号DT08AH08AH08EH08CC0.060.090.100.100.10Si0.050.030.030.03Mn0.300.550.400.650.400.650.400.65P0.0050.0300.0200.015S0.0030.0300.0200.015Al0.01O0.0100N0.0060图1 DT08A冶炼工艺路线Fig.1 Smelting process of DT08A steel根据DT08A的成分特点，并结合东北特殊钢集团股份有限公司装备条件、生产组织实际，制定冶炼工艺路线，如图1所示。图2 C成分偏差Pareto图Fig.2 Pareto diagram of C component deviation 162.3.1电炉脱磷初炼炉氧化脱磷反应，可以用以下反应式表示：4（CaO）+2P+5（FeO）=（4CaOP2O5）+5Fe结合该反应式，可得出脱磷的基本条件：炉渣碱度要高、炉渣中FeO含量要高3。1）炉渣碱度要高：若炉渣中没有自由的CaO，则4CaOP2O5不能稳定地存在于渣中；只有在渣中含有自由的CaO时，P才形成较稳定的4CaOP2O5存在于渣中，进而将磷脱除。炉渣碱度高，渣中自由的CaO多，脱磷能力强；但炉渣碱度也不能过高，因为碱度过高，炉渣粘度增大，反而对脱磷不利。2）炉渣中 FeO 含量要高：FeO 含量低不利于4CaOP2O5的形成，对脱磷不利；但炉渣中FeO含量也不能过高，过高则会稀释渣中CaO的浓度，降低脱磷能力。综上所述，需在电炉采用氧化法吹炼，并在过程中分批次、多量加入石灰（总量3 000 5 000 kg/炉），始终保持较高的炉渣碱度，同时进行流渣操作，降低渣中4CaOP2O5浓度，进而促使脱磷反应正向进行。根据焊丝钢DT08A成品要求，目标控制电炉终点成分P0.002%。2.3.2连铸浇铸东北特殊钢集团股份有限公司在以往的高质量特种焊丝生产中，随连铸浇铸进行在中间包内多次取样，对P成分的变化情况进行监控；经对比分析，确定中间包覆盖剂会对中间包内钢液造成较为明显的增P。在碳素钢生产时，在连铸中间包内分别只使用普通中间包覆盖剂和碳化稻壳，随连铸浇铸进行在中间包内多次取样，对P成分的变化情况进行监控，检验结果如图3所示。但碳化稻壳主要成分为固定碳和SiO2，会在连铸中间包内导致钢液增C增Si4，也不能在DT08A生产中与钢液直接接触。因此，东北特殊钢集团股份有限公司开发了C1.0%、P0.12%的无碳低磷中间包覆盖剂，并在其他牌号高质量特种焊丝进行试验，改善效果良好，如图4所示。2.4S成分控制针对焊丝钢，除部分实心焊丝要求成分 S：0.005%0.015%以实现控制熔滴速度、保证自动送丝顺畅外，一般情况下希望S成分越低越好，以免产生焊缝气孔，降低焊缝的热裂倾向。在电炉环节，通过分批次、多量加入石灰，保持较高的炉渣碱度，并进行流渣操作，在脱P的同时进行脱S；在LF炉环节，再通过使用石灰、钙铝合成渣造高碱度炉渣，控制渣中 w（SiO2）8%、碱度R7，在控Si的同时进行深脱S。通过以上措施，可以有效降低钢中S成分。2.5Al成分控制Al元素会降低焊缝的抗热裂能力，同时Al脱氧生成的Al2O3熔点很高，将以固态存在焊接熔池中，易引起焊缝夹渣，因此用户要求成品成分Al0.01%。但该Al成分要求，给炼钢生产带来了极大的困难：1）由于P成分的限制，电炉必须进行过氧化吹炼，势必导致初炼钢液氧含量偏高；2）由于Si成分的限制，Al脱氧剂的用量必须控制，以免钢液大量回Si；3）由于S成分的限制，LF炉必须加强脱氧操作，完成深脱硫任务；4）由于O含量的限制，必须保证连铸浇铸质量，以免出现严重的絮流异常。综合以上限制条件，选择在LF炉精炼过程中，根据钢液成分使用铝或电石粒脱氧：先使用少量Al线进行钢液沉淀脱氧，并使用Al粒分批次进行炉渣扩散脱氧；待炉渣呈灰白色，取样分析钢液成宫哲 王泽琦 张少东 王喜春 刘博皓：焊丝钢DT08A炼钢工艺开发与实践第29卷第2期图3 连铸中间包覆盖材料对钢液P成分的影响对比Fig.3 Comparison of influence of tundish covering material onP composition of liquid steel图4 无碳低磷中间包覆盖剂对钢液P成分的影响Fig.4 Effect of carbon-free and low-phosphorus tundishcoating agent on P content of liquid steel 17特钢技术第29卷第2期分；当钢液成分Al含量较低时，使用电石粒配合Al粒进行炉渣扩散脱氧，但当Al含量较高时，仅使用电石粒进行炉渣扩散脱氧，直至呈现白渣状态。3生产实践结果3.1 冶炼成分情况3.1.1 电炉环节采取上述成分控制方法共生产5炉次。电炉终点炉渣成分、钢液成分如表2、表3所示。初炼钢液Si、P成分较好，为后续精炼成分控制奠定基础。3.1.2LF炉环节电炉经偏心底出钢，钢液转移至LF炉精炼。LF 炉白渣时炉渣成分、钢液成分如表 4、表 5 所示。精炼炉渣组分符合设计预期，有效防止钢液回Si、增P，为深脱S创造条件。表2 DT08A电炉终点炉渣成分，%Table 2 End slag composition of of DT08A in electric furnace%表3 DT08A电炉终点钢液成分，%Table 3 End omposition of DT08A liquid steel in electric furnace%牌号DT08A炉号13平均值CaO26.8731.3229.10SiO25.476.606.04Al2O32.487.915.20MgO8.748.708.72FeO46.4538.4942.47MnO1.600.661.13P2O50.700.810.76Cr2O32.190.621.41二元碱度4.914.754.82牌号DT08A炉号12345平均值C0.040.040.040.040.03Si0.010.010.000.010.000.01Mn0.000.010.000.010.00P0.0020.0020.0020.0020.0020.002S0.0080.0080.0060.0070.005表5 DT08A LF炉白渣时钢液成分，%Table 5 Composition of liquid steel of DT08A with white slag in LF%表4 DT08A LF炉白渣时炉渣成分，%Table 4 Composition of DT08A wiht white slag in LF%牌号DT08A炉号13平均值CaO56.0155.5055.76SiO27.945.976.96Al2O328.3430.4429.39MgO6.296.446.37FeO0.460.290.38MnO0.080.060.07P2O50.110.180.15Cr2O30.050.060.06二元碱度7.059.308.02牌号DT08A炉号12345平均值C0.030.030.040.050.04Si0.020.010.030.020.020.02Mn0.310.390.450.380.40P0.0020.0030.0040.0030.0010.003S0.0030.0040.0030.0020.003Al0.000.000.000.010.010.00回Si量0.010.000.030.010.020.01增P量0.0000.0010.0020.001-0.0010.001 183.1.3 连铸环节连铸进行氩气保护浇铸、使用低磷中间包覆盖剂；在每炉次浇铸至一半时取中间包样，分析熔炼成分符合内部控制要求，如表6所示。3.2 连铸浇铸质量浇铸过程中结晶器液位平稳，中间包塞棒开启度略有上涨，但无明显絮流迹象；整体过程正常，连铸坯表面质量满足线材轧制需求。3.3 成品质量情况3.3.1 成品成分钢坯轧制成6.5 mm盘条，盘条上检验成品成分，作为最终出厂判定依据。经检验，5炉次成品成分均满足用户要求，如表7所示。3.3.2 力学性能用户对热轧盘条力学性能无明确要求。对盘条力学性能实测，如表8所示。4结论（1）生产实践表明，通过采用电炉氧化法吹炼、偏心底出钢，LF炉造高碱度炉渣、根据钢液成分使用铝或电石粒脱氧，连铸进行氩气保护浇铸、使用低磷中间包覆盖剂等措施，可实现低碳低硅低磷低硫低铝的焊丝钢DT08A工业试制。（2）此次通过焊丝钢DT08A炼钢工艺开发与实践，为低磷低硫高质量特种焊丝及类似成分要求的其他钢种开发，提供了极有价值的借鉴经验。（3）试制的焊丝钢热轧盘条，经下游终端用户使用，完全满足其焊接需求。参考文献1 丛洁，吴鹏.高质量特种焊丝控制成分制定依据J.金属制品，2015，41（3）：38-39.2 彭愚立，杨天文，于国宏.THJ422（E4303）焊条烟尘问题探讨J.机械工人，2006，8：42-43.3 向亚云等.钢铁冶炼技术十万个问题解答M.中国科技文化出版社，2005：857-858.4 李德军，许孟春，吕春风等.中间包覆盖剂开发状况分析J.鞍钢技术，2022，1：15-18.宫哲 王泽琦 张少东 王喜春 刘博皓：焊丝钢DT08A炼钢工艺开发与实践第29卷第2期表6 DT08A连铸中间包熔炼成分，%Table 6 Melting composition of DT08A in continuous casting tundish%牌号DT08A炉号12345平均值C0.080.070.080.080.08Si0.040.020.040.030.03Mn0.410.390.410.390.39P0.0020.0030.0040.0030.002S0.0010.0020.0020.0020.001Al0.000.000.000.000.00N0.00400.00440.00500.00470.0047增P量0.0000.0000.0000.0000.0010.000表7 DT08A热轧盘条成品成分，%Table 7 Components of DT08A hot rolled wire%表8 DT08A热轧盘条力学性能Table 8 Mechanical properties of DT08A hot rolled wire rod牌号DT08A炉号12345C0.060.090.080.080.090.080.09Si0.050.030.030.040.030.03Mn0.300.550.400.390.450.390.38P0.0050.0020.0020.0020.0030.002S0.0030.0010.0010.0020.0020.001Al0.010.0050.0040.0070.0080.004O0.01000.00710.00410.00680.00710.0067N0.00600.00340.00430.00450.00460.0047牌号DT08A炉号12345抗拉强度，MPa366、362356、378379、379381、371375、369断后伸长率，%46.5、42.545.5、46.041.5、44.045.5、43.042.0、42.0断面收缩率，%77、7875、7876、7876、7775、77 19