CN102329919A - 控制钢中非金属夹杂物形态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了控制钢中非金属夹杂物形态的方法，属于冶金领域。本发明提供了控制钢中非金属夹杂物形态的方法，包括转炉冶炼工序、转炉出钢工序、LF精炼工序和连铸工序，其中，LF精炼工序中，分至少两批次加入低碱度精炼渣和含硅脱氧剂，每次低碱度精炼渣添加后再加入含硅脱氧剂，低碱度精炼渣的加入量为10～18kg/t钢，含硅脱氧剂的加入量为1.2～3.0kg/t钢。本发明方法有效控制了帘线钢或钢绞线钢等高品质钢中的非金属夹杂物(如Al2O3、CaO、SiO2、MnO等)的形态，并使钢中的非金属夹杂物形成低熔点、塑性的复合夹杂物，从而提高了钢的使用寿命及其拉拔性能，提高了产品品质。

Description

控制钢中非金属夹杂物形态的方法
技术领域
本发明涉及一种控制钢水中非金属夹杂物形态的方法，属于冶金领域。
背景技术
随着科学技术的发展，各种制造工业对钢铁材料的要求越来越严格，如轴承钢、钢丝绳钢和钢帘线钢、硅钢等，必须严格控制钢中的氧、氮等气体和非金属夹杂物的含量。有的钢种，如汽车轮胎用帘线钢，除上述要求外，甚至要求控制钢中存在的夹杂物必须满足一定的形态要求。
钢帘线主要用于轮胎子午线增强用的骨架以及传输皮带等工业领域，具有强度高、韧性好的特点，生产钢帘线的过程是将5.5mm的盘条拉拔成Ф0.15～0.38mm的细丝，此过程使线材长度增加1000～1400倍，截面积缩小至原来的0.08％，已经接近拉拔工艺的极限，并且要求拉拔及合股过程中100km断丝不超过1次。它对钢水纯净度、夹杂物尺寸、形态以及盘条表面质量等都有极高的要求，是线材制品中质量要求最高、生产难度最大的钢种之一。
因此，对于帘线钢而言，夹杂物级别的评定并不能完全代表其对拉拔性能的影响，夹杂物成分，尤其是脆性夹杂物含量与大小对拉拔性能的影响较大。特别是残留在钢中的Al2O3夹杂物在轧制过程中沿轧制方向碎裂为链状夹杂物带，其尖锐的棱角易引发形成空穴和成为应力源。由于帘线钢经常在交变应力作用的工作环境下工作，容易出现疲劳裂纹，疲劳裂纹的繁殖和长大引起钢材的断裂。同时在帘线钢拉拔的过程中易出现断丝现象。
《鞍钢技术》杂志(2007年，第4期，第6-8页，合成渣精炼法控制帘线钢中的非金属夹杂物，耿继双、郭大勇等著)报道了帘线钢生产中夹杂物形态的控制方法，该方法通过添加硅灰石及相似成分，造低碱度合成渣，在LF精炼工序加入该合成渣对钢包渣进行改性处理。《金属材料与冶金工程》杂志(2010年2月，第38卷第1期，第26-29页，湘帘线钢炼钢工艺控制，王军著)报道了湘钢帘线钢生产中Al2O3形态控制方法，该方法在钢包炉采用低熔点、低粘度的低碱度渣处理，顶渣的碱度控制在0.8～1.1。
以上文献公开的帘线钢生产中使用的精炼渣或钢包渣的控制方法存在以下不足：使用硅灰石或合金渣调整炉渣成分，因硅灰石或合金渣均采用矿物为原料，其成分波动大，熔化速度慢，对精炼时间要求较长，精炼终渣成分准确控制难度大，使用硅铁粉对钢包渣进行改性处理，同样存在上述问题，且成本高；另一方面，转炉出钢过程未对钢水进行有效地覆盖和保护，会增加钢水从空气中吸氮、吸氧的几率，从而影响钢水的洁净度。如果所生产的钢的洁净度达不到帘线钢的要求，则作为其他性能要求更低的钢种使用，增加了企业的经济损失。
针对上述不足，本申请人在专利申请CN101956045(名称为“精炼渣及钢水精炼方法”)中提供了一种精炼渣，精炼渣含有重量组分：40-55份CaO，30-45份SiO2，10-25份CaF2；该精炼渣可以降低帘线钢等钢水中的杂质含量，提高钢水的洁净度。但是，该工艺不能有效地将钢中Al2O3夹杂物形态转变为低熔点铝酸盐系夹杂物，如果所生产的钢中的Al2O3未转变为低熔点的铝酸盐系复合夹杂物，残留在钢中的Al2O3夹杂物在帘线钢的拉拔及合股过程中，极易发生断丝现象，影响帘线钢的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种控制钢中非金属夹杂物形态的方法，使钢中的非金属夹杂物如Al2O3等形成低熔点、塑性的铝酸盐系等复合夹杂物，从而提高了钢的使用寿命及其拉拔性能。
本发明的技术方案为：
控制钢中非金属夹杂物形态的方法，包括转炉冶炼工序，转炉出钢工序、LF精炼工序和连铸工序，其中，LF精炼工序中，分至少两批次加入低碱度精炼渣和含硅脱氧剂，每次低碱度精炼渣添加后再加入含硅脱氧剂，低碱度精炼渣的加入量为10～18kg/t钢，含硅脱氧剂的加入量为1.2～3.0kg/t钢。
优选的，上述低碱度精炼渣含有如下重量份组成：CaO 43～60份，SiO2 35～50份，CaF210～20份，0＜Al2O3≤3.0份；且其碱度为0.8～1.2；含硅脱氧剂为SiC、SiFe中的至少一种。
优选的，上述转炉出钢工序中，出钢后对钢水进行软搅拌。
更优选的，上述转炉出钢工序中，出钢后对钢水进行≥10min的软搅拌。
优选的，上述LF精炼工序中，控制精炼终渣碱度(CaO/SiO2)为0.7～1.4；LF精炼后进入吹氩工位，并进行软搅拌。
优选的，上述LF精炼工序中，吹氩的速度为50-100NL/min，软搅拌时间≥30min。
优选的，上述连铸工序中，添加低碱度中间包覆盖剂，中间包覆盖剂的碱度(CaO/SiO2)为0.9～1.6。
优选的，上述LF精炼工序中，分两批加入低碱度精炼渣，具体为：钢水到达精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为LF精炼工序中低碱度精炼渣总量的1/2；低碱度精炼渣化渣后，加入剩余的低碱度精炼渣。
优选的，上述LF精炼工序中，分三批加入含硅脱氧剂，具体为：加入第一批低碱度精炼渣后加入第一批含硅脱氧剂，加入量为含硅脱氧剂总量的1/2；加入第二批低碱度精炼渣后添加第二批含硅脱氧剂，加入量为其总量的1/4；第二批碱度精炼渣化渣后，加入剩余的含硅脱氧剂。
优选的，上述低碱度精炼渣的颗粒直径为0～10mm，更优选0～8mm。
本发明的有益效果：
本发明采用大渣量、多批次加入低碱度精炼渣以及LF处理过程加入含硅脱氧剂逐步调整钢包渣氧化性的方式有效地控制了帘线钢、硬线钢或钢绞线钢等高品质钢中的非金属夹杂物(如Al2O3、CaO、SiO2、MnO等)的形态，使钢中的非金属夹杂物形成低熔点、塑性的复合夹杂物，从而提高了钢的使用寿命及其拉拔性能，提高了产品品质。
附图说明
图1为实施例1所得连铸坯分析所得的CaO-Al2O3-SiO2系相图，相图中熔化温度低于1500℃的夹杂物成分区域被认为是轧制过程中发生变形的塑性夹杂物生成区；图中的黑点表示夹杂物，由图1可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物主要位于CaO-Al2O3-SiO2系的液相生成区域，满足夹杂物的塑性化控制目标。
图2为实施例2所得连铸坯中的非金属夹杂物在CaO-Al2O3-SiO2三元系中的分布变化情况，图中粗线条勾勒的区域标出了CaO-Al2O3-SiO2三元系中熔点低于1500℃的成分区域，在此区域中的夹杂物被认为是轧制过程中发生变形的塑性夹杂物；图中的空心方格表示夹杂物；由图可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物绝大部分(75％～85％)位于塑性夹杂物区域(通过在塑性区域的空心方格的数目占总的空心方格数目的比例可知)。
图3为实施例3所得连铸坯中的非金属夹杂物在CaO-Al2O3-SiO2三元系中的分布变化情况，图中粗线条勾勒的区域标出了CaO-Al2O3-SiO2三元系中熔点低于1500℃的成分区域，在此区域中的夹杂物被认为是轧制过程中发生变形的塑性夹杂物；图中的空心方格表示夹杂物；由图可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物绝大部分(即75％～85％)位于塑性夹杂物区域。
具体实施方式
一种控制钢中非金属夹杂物形态的方法，包括转炉冶炼工序，转炉出钢工序、LF精炼工序和连铸工序，其中，LF精炼工序中，分至少两批次加入低碱度精炼渣和含硅脱氧剂对钢包渣成分进行调整(使钢中的非金属夹杂物形成低熔点、塑性的非金属盐系复合夹杂物)，每次低碱度精炼渣添加后再加入含硅脱氧剂，低碱度精炼渣的加入量为10～18kg/t钢，含硅脱氧剂的加入量为1.2～3.0kg/t钢。上述工序中，每次低碱度精炼渣添加后再加入含硅脱氧剂是为了保证钢包渣的一个还原性气氛，因为SiC直接接触钢水会很快被熔化，进入到钢中引起增碳和硅，达不到渣精炼的效果；分批次加入含硅脱氧剂使得精炼过程中炉内一直保持还原气氛，以利于钢包渣性能控制。
优选的，上述低碱度精炼渣含有如下重量份组成：CaO 43～60份，SiO2 35～50份，CaF210～20份，0＜Al2O3≤3.0份；且其碱度为0.8～1.2；含硅脱氧剂为SiC、SiFe中的至少一种。
优选的，上述转炉出钢工序中，加入低碱度精炼渣，加入量为4～10kg/t钢，出钢后对钢水进行软搅拌。出钢后对钢水进行软搅拌，有利于钢中夹杂物的充分上浮以及Al2O3等非金属夹杂物形态向低熔点复合物的转变；搅拌时间越长效果越好，但是出于生产节奏考虑，处理≥10min即可。
优选的，上述LF精炼工序中，控制精炼终渣碱度(CaO/SiO2)为0.7～1.4；LF精炼后进入吹氩工位，并进行软搅拌；优选搅拌超过30min，更优选超过40min。LF精炼后进入吹氩工位，为使渣-金反应达到平衡，促进夹杂物的塑性转变；LF精炼后进行软搅拌，有利于钢中夹杂物的充分上浮以及Al2O3等非金属夹杂物形态向低熔点复合物的转变；另外，转炉出钢工序和LF精炼工序中对于夹杂物的转变及上浮都采用软搅拌而不用强搅拌，这主要由于强搅拌容易引起钢液裸露，使钢液产生二次氧化。
优选的，上述连铸工序中，添加低碱度中间包覆盖剂，中间包覆盖剂的碱度(CaO/SiO2)为0.9～1.6。在连铸过程中采用低碱度中间包覆盖剂对钢水进行有效地覆盖和保护，有利于钢中Al2O3等非金属夹杂物形态夹杂物形态的有效控制。
更优选的，上述转炉出钢工序中，出钢后对钢水进行≥10min的软搅拌。
优选的，上述LF精炼工序中，分两批加入低碱度精炼渣，具体为：钢水到达精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为LF精炼工序中低碱度精炼渣总量的1/2；低碱度精炼渣化渣后，加入剩余的低碱度精炼渣。
优选的，上述LF精炼工序中，分三批加入含硅脱氧剂，具体为：加入第一批低碱度精炼渣后加入第一批含硅脱氧剂，加入量为含硅脱氧剂总量的1/2；加入第二批低碱度精炼渣后添加第二批含硅脱氧剂，加入量为其总量的1/4；第二批碱度精炼渣化渣后，加入剩余的含硅脱氧剂。分批量加入含硅脱氧剂可保持钢包渣的还原性气氛。
本发明中，软搅拌即弱搅拌，即钢液面仅有轻微的波动。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1采用本发明工艺技术冶炼帘线钢(72LX)钢水
(1)转炉冶炼
转炉冶炼时，转炉内加入140～145t吨铁水进行顶底复吹转炉吹炼，吹炼终点温度为1670-1690℃。
(2)转炉出钢
在转炉出钢过程中，进行C、Si、Mn元素的合金化，然后随钢流向钢包内加入低碱度精炼渣(颗粒直径为0-8mm)，精炼渣的加入量为5-6kg/t钢水，出钢过程钢包采用底部吹氩气，钢水吹氩流量为100～150NL/min，吹氩时间为10-17min；出钢后对钢水进行≥10min的软搅拌。所用低碱度精炼渣的主要成分的重量组成比为：CaO 40，SiO2 35，CaF2 20，Al2O3≤1.5。
(3)LF精炼
将钢水用RH炉进行脱氢处理；用LF炉加热调整温度，在钢水到达LF精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为6～7kg/t钢水；之后加入第一批SiC，SiC加入量为0.9～1.1kg/t钢水。
在LF处理5～15min后即低碱度精炼渣化渣后，加入第二批低碱度精炼渣，加入量为7～8kg/t钢水，之后加入第二批SiC，SiC加入量为0.2～0.4kg/t钢水。
在LF精炼20～30min加入第三批SiC，SiC优选加入量为0.5～0.7kg/t钢水，并对钢水各成分进行微调后，加热钢水到1560-1570℃。
LF精炼后进入吹氩工位，对钢包进行吹氩软搅拌，氩气流量为50～100NL/min，吹氩搅拌时间30～35min；
按照上述方法冶炼并精炼钢水4炉，精炼结束后，分别取样分析钢包渣中二元碱度(CaO/SiO2)为1.00-1.40，Al2O3wt％为5～7；
(4)连铸
将4炉精炼后的钢水在6机6流方坯连铸机上浇铸，铸坯断面为280mm×380mm，中间包温度为1485-1500℃，铸机拉速0.65-0.75m/min。连铸中间包采用低碱度覆盖剂，碱度(CaO/SiO2)为0.9～1.2。
分别取样分析连铸坯中夹杂物形态，结果如图1所示：由图1可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物主要位于CaO-Al2O3-SiO2系的液相生成区域，满足夹杂物的塑性化控制目标。采用本发明提供的方法生产得到的帘线钢的铸坯中Al2O3夹杂物绝大部分(即80％～90％)左右位于塑性夹杂物区域，完全能够满足钢的质量要求。
实施例2采用本发明工艺技术冶炼硬线钢(60钢)钢水
(1)转炉冶炼
转炉冶炼时，转炉内加入135～140t吨铁水进行顶底复吹转炉吹炼，吹炼终点温度为1670-1690℃。
(2)转炉出钢
在转炉出钢过程中，进行C、Si、Mn元素的合金化，然后随钢流向钢包内加入低碱度精炼渣(颗粒直径为0-8mm)，精炼渣的加入量为6-7kg/t钢水，出钢过程钢包采用底部吹氩气，钢水吹氩流量为100～150NL/min，吹氩时间为4-10min；出钢后对钢水进行≥10min的软搅拌。所用低碱度精炼渣主要组分的重量组成比为：CaO 35，SiO2 40，CaF2 15，Al2O3≤1.5。
(3)精炼
用LF炉加热调整温度，在钢水到达LF精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为7～8kg/t钢水，之后加入第一批SiC，SiC加入量为0.5～0.8kg/t钢水。
在LF处理5～15min后，加入第二批低碱度精炼渣，加入量为6～7kg/t钢水，之后加入第二批SiC，SiC加入量为0.5～0.7kg/t钢水。
在LF精炼20～30min加入第三批SiC，SiC优选加入量为0.3～0.5kg/t钢水，并对钢水各成分进行微调后，加热钢水到1575-1590℃；将钢水用RH炉进行脱氢处理。
LF精炼后进入吹氩工位，对钢包进行吹氩软搅拌，氩气流量为50～100NL/min，吹氩时间30～40min；
按照上述方法冶炼并精炼钢水4炉，精炼结束后，分别取样分析钢包渣中二元碱度(CaO/SiO2)为0.8-1.2，Al2O3wt％为6～8；
(4)连铸
将4炉精炼后的钢水在6机6流方坯连铸机上浇铸，铸坯断面为280mm×380mm，中间包温度为1495-1510℃，铸机拉速0.65-0.75m/min。连铸中间包采用低碱度覆盖剂，碱度(CaO/SiO2)为1.2～1.4。
分别取样分析连铸坯中夹杂物形态，图2为实施例2所得连铸坯中的非金属夹杂物在CaO-Al2O3-SiO2三元系中的分布变化情况，图中蓝色区域标出了CaO-Al2O3-SiO2三元系中熔点低于1500℃的成分区域，在此区域中的夹杂物被认为是轧制过程中发生变形的塑性夹杂物；图中的空心方格表示夹杂物；由图可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物绝大部分(75％～85％)位于塑性夹杂物区域(通过在塑性区域的空心方格的数目占总的空心方格数目的比例可知)，完全能够满足钢的质量要求。
实施例3采用本发明工艺技术冶炼钢绞线钢(82B)钢水
(1)转炉冶炼
转炉冶炼时，转炉内加入140-145吨铁水进行顶底复吹转炉吹炼，吹炼终点温度为1670-1690℃。
(2)转炉出钢
在转炉出钢过程中，进行C、Si、Mn元素的合金化，然后随钢流向钢包内加入低碱度精炼渣(颗粒直径为0-8mm)，精炼渣的加入量为8-9kg/t钢水，出钢过程钢包采用底部吹氩气，钢水吹氩流量为100～150NL/min，吹氩时间为6-13min；出钢后对钢水进行≥15min的软搅拌。所用低碱度精炼渣主要组分的重量组成比为：CaO 43，SiO2 43，CaF2 5，Al2O3≤1.5。
(3)精炼
用LF炉加热调整温度，在钢水到达LF精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为5～6kg/t钢水，之后加入第一批SiFe，SiFe加入量为1.2～1.5kg/t钢水。
在LF处理5～15min后，加入第二批低碱度精炼渣，加入量为6～8千克/吨钢水，之后加入第二批SiFe，SiFe加入量为0.4～0.7kg/t钢水。
在LF精炼20～30min加入第三批SiFe，SiFe加入量为0.3～0.6kg/t钢水，并对钢水各成分进行微调后，加热钢水到1555-1575℃。
LF精炼后进入吹氩工位，对钢包进行吹氩软搅拌，氩气流量为50～100NL/min，吹氩时间30～40min；
按照上述方法冶炼并精炼钢水4炉，精炼结束后，分别取样分析钢包渣中二元碱度(CaO/SiO2)为0.6-1.0，Al2O3wt％为5～7；
(4)连铸
将5炉精炼后的钢水在6机6流方坯连铸机上浇铸，铸坯断面为280mm×380mm，中间包温度为1475-1490℃，铸机拉速0.65-0.75m/min。连铸中间包采用低碱度覆盖剂，碱度(CaO/SiO2)为1.4～1.6。
分别取样分析连铸坯中夹杂物形态，图3为实施例3所得连铸坯中的非金属夹杂物在CaO-Al2O3-SiO2三元系中的分布变化情况，图中蓝色区域标出了CaO-Al2O3-SiO2三元系中熔点低于1500℃的成分区域，在此区域中的夹杂物被认为是轧制过程中发生变形的塑性夹杂物；图中的空心方格表示夹杂物；由图可以看到，采用本发明方法生产的帘线钢铸坯试样中的夹杂物绝大部分(即75％～85％)位于塑性夹杂物区域，完全能够满足钢的质量要求。

Claims (9)

1.控制钢中非金属夹杂物形态的方法，包括转炉冶炼工序、转炉出钢工序、LF精炼工序和连铸工序，其特征在于：
LF精炼工序中，分至少两批次加入低碱度精炼渣和含硅脱氧剂，每次低碱度精炼渣添加后再加入含硅脱氧剂，低碱度精炼渣的加入量为10～18kg/t钢，含硅脱氧剂的加入量为1.2～3.0kg/t钢。
2.根据权利要求1所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，所述低碱度精炼渣含有如下重量份组成：CaO 43～60份，SiO2 35～50份，CaF2 10～20份，0＜Al2O3≤3.0份；且其碱度为0.8～1.2；含硅脱氧剂为SiC、SiFe中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，转炉出钢工序中，出钢后对钢水进行软搅拌。
4.根据权利要求3所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，出钢后对钢水进行≥10mn的软搅拌。
5.根据权利要求1-4任一项所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，LF精炼工序中，控制精炼终渣碱度为0.7～1.4；LF精炼后进入吹氩工位，并进行软搅拌。
6.根据权利要求5所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，吹氩的速度为50-100NL/min，软搅拌时间≥30min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，所述连铸工序中，添加低碱度中间包覆盖剂，中间包覆盖剂的碱度为0.9～1.6。
8.根据权利要求1-7任一项所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，所述LF精炼工序中，分两批加入低碱度精炼渣，具体为：钢水到达精炼炉后加入第一批低碱度精炼渣，加入量为LF精炼工序中低碱度精炼渣总量的1/2；低碱度精炼渣化渣后，加入剩余的低碱度精炼渣。
9.根据权利要求1-8任一项所述的控制钢中非金属夹杂物形态的方法，其特征在于，所述LF精炼工序中，分三批加入含硅脱氧剂，具体为：加入第一批低碱度精炼渣后加入第一批含硅脱氧剂，加入量为含硅脱氧剂总量的1/2；加入第二批低碱度精炼渣后添加第二批含硅脱氧剂，加入量为含硅脱氧剂总量的1/4；第二批碱度精炼渣化渣后，加入剩余的含硅脱氧剂。
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