CN103526038A - 一种高强度高塑性twip钢电渣重熔生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度高塑性TWIP钢的生产方法，属于冶金技术领域。TWIP钢成分为：C：0.03%～0.08%，Si:2.0%～3.0%，Mn:20%～30%，Al:2.5%～3.5%，余量为Fe和少量其它合金元素；采用60～70%CaF2+20～30%Al2O3+5～15%CaO的渣系冶炼TWIP钢；渣中加入适量金属锰或电解锰和铝粉，解决TWIP钢中易氧化和挥发元素烧损问题。采用氩气保护重熔，流量20～40Nm3/h，减少铝烧损；采用低熔化速率进行精炼，熔化速率控制在700～950kg钢/小时。在补缩期，电流逐渐下降，补缩时间大于1.5小时。本发明优点是:采用电渣重熔方法冶炼TWIP钢，不仅可以防止TWIP凝固过程产生裂纹，而且可以改善TWIP钢的凝固组织和偏析状况，同时也可显著提高TWIP钢洁净度。

Description

一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及到一种高强度高塑性TWIP（孪晶诱导塑性）钢的生产和控制方法，得到具有成分合格，内部冶金质量优良，力学性能优异的TWIP钢。 

背景技术

TWIP钢是一种孪晶诱导塑性钢（Twinninginducedplasticity），是一种集高强度、高塑性和高应变硬化性能于一体的理想的汽车用安全、减重、节能的结构材料。 

单相奥氏体的高锰钢早在1883年就由R.A.Hadfield申请专利。其后，Grassel研究表明，Fe-Mn-Al-Si合金中增加Mn含量和调整Al、Si含量的值，能够得到单一奥氏体结构的钢组织，其抗拉强度和延伸率的乘积在50000Mpa以上，同时具有很高的强度和塑性。这种强化机理不是来自于相变，而是来自形变过程中孪晶的形成，所以命名为孪生诱发塑性钢（Twinninginducedplasticity），简称TWIP钢。 

TWIP钢具有较高的Mn、Al、Si含量，这些元素在熔炼过程中，很容易形成非金属夹杂物，这对于纯净度的提高和合金成分的控制会比较困难。Al、Si和Mn在冶炼过程容易发生宏观偏析，材料的均匀性和一致性都很难保证。由于Al含量较高，在浇注过程容易发生氧化，用连铸方法生产会堵塞水口，而且容易产生大量的氧化物夹杂。同时，TWIP钢存在较宽的脆性温度区，具有较高的裂纹敏感性，在连铸生产或者轧制过程中，容易出现热裂纹。而采用模铸工艺生产，会出现柱状晶异常粗大、偏析严重及中心疏松严重等问题。 

鉴于上述诸多困难，采用连铸和模铸工艺技术难以生产出质量合格的TWIP钢，本发明成功研发电渣重熔技术生产TWIP钢技术。但TWIP钢电渣工艺技术目前还没有相关文献报道，其保护渣组成的确定、易氧化元素及易挥发元素的烧损控制、以及电渣末期中心疏松的控制是本技术研发的关键问题。 

发明内容

本发明公开一种生产高强度高塑性TWIP钢的生产方法，采用电渣重熔（ESR）在初炼的基础上进一步去除钢中夹杂物，同时改善钢锭的结晶组织，从而得到高质量的TWIP钢产品。 

一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：采用电渣重熔工艺精炼TWIP钢，具体制作步骤为； 

1、化学成分质量百分比是：C：0.03%～0.08%，Si:2.0%～3.0%，Mn:20%～30%，Al:2.5%～3.5%，余量为Fe和少量其它合金元素； 

2、采用60～70%CaF₂+20～30%Al₂O₃+5～15%CaO的渣系冶炼TWIP钢；同时，渣中加入适量金属锰或电解锰和铝粉，解决TWIP钢中易氧化和挥发元素烧损问题；铝粉的加入量为TWIP钢质量的0.05～0.10%，电解锰的加入量为TWIP钢质量的0.01～0.05%； 

3、采用氩气保护重熔，流量20～40Nm³/h，减少铝烧损。 

锰是易挥发元素，在1600℃以上挥发较为严重。电渣精炼过程中，熔池中最高温度可达1700℃～2000℃，加之TWIP钢中锰含量在25.0%左右，因此损失较为严重，损失量达到0.10～1.5%。 

铝是易氧化元素，在电渣过程中容易与大气中的氧及渣中SiO₂等氧化物反应，损失较大。TWIP钢中铝含量达到3.0%左右，在电渣过程中损失达0.30%～0.80%左右，钢中铝很容易把渣中微量的SiO₂还原，引起TWIP钢硅含量升高，电渣过程中硅含量可增加0.10%～0.30%左右。 

因此，本发明电渣重熔用电极锭冶炼时，铝和锰含量按TWIP目标成分的上限控制，硅含量按TWIP钢目标成分的下限控制；采用氩气保护重熔，流量20～40Nm³/h，减少铝烧损；电渣精炼渣料调配时添加铝粉和金属锰，补充TWIP钢电渣过程中铝和锰的损失；电渣精炼时采用低电流、低熔速冶炼制度，控制熔池温度，抑制锰的挥发损失。 

本发明采用低熔化速率进行精炼，熔化速率控制在700～950kg钢/小时，促进夹杂物的上浮，同时改善凝固组织和偏析状况。 

冶炼前渣料要进行预熔处理，采用热态引燃，用石墨电极化渣。 

汽车用TWIP钢对洁净度要求较高，同时电渣重熔后的材料加工对TWIP钢的 组织、偏析、疏松也均有较高要求。因此，为了保证TWIP钢电渣重熔后电渣锭的纯净度、组织、偏析和疏松均得到良好控制，本方法控制电渣重熔过程中TWIP钢的熔化速率，尽量采用低熔化速率熔炼。整个过程平均熔化率控制在700-950kg/h范围，目标熔化率确定为800kg/h。 

为了实现低熔化速率熔炼，电渣重熔过程中将采用较低电压和电流强度进行精炼，这将降低熔池温度，有利于控制锰的挥发和损失。 

补缩工艺 

补缩环节是电渣重熔过程不可缺少的重要环节，特别对于热导率较低的高锰钢，容易因为糊状凝固方式而形成疏松和缩孔，所以控制好补缩工艺显得尤为关键。通过几个小段逐步降低二次电压和冶炼电流，逐渐减少自耗电极的熔化速度，使金属熔池由深变浅，使凝固收缩造成的缩孔能够及时得到液态钢水的补缩，这样就不会产生较严重的缩孔和疏松缺陷。 

本方法强调尽早进行补缩操作，增大补缩时间，补缩时间大于1.5小时。 

在补缩阶段采用多级降电流电压制度，即分3至5个阶段调节电流强度由大变小，分段补缩。在补缩期，电流逐渐下降，下降速度为3A/s；每降低3000A左右，保持3至15分钟，使电流保持稳定，保证TWIP钢低热导率特性下熔池逐渐变浅，得到无疏松缩孔缺陷的电渣锭。 

保温与缓冷 

脱模缓冷 

TWIP钢为裂纹敏感钢，容易产生裂纹。在工业生产中，TWIP钢铸锭尺寸较大，电渣完成后如果冷却过快，会造成电渣锭内部应力较大，引起表面和内部缺陷。为了防止TWIP电渣锭冷却速度过快而引起表面和内部缺陷，本发明在TWIP钢电渣重熔、补缩结束后，采用缓冷罩对电渣锭继续缓冷，控制电渣锭的冷却速度，防止电渣锭急冷引起裂纹，缓冷时间大于24小时。 

冶炼中渣量根据目标电渣锭的尺寸，即结晶器平均直径确定，计算公式为： 

G_S=π/4·D²（r×10^-6）H，H=f_SD±20mm 

其中：G_S-渣量，kg；f_S-渣深系数，其大小由结晶器直径决定，具体取值见表 

1；D-结晶器平均直径，mm；r-渣密度，g/cm³；H-渣池高度，mm； 

表1渣深系数f_S与结晶器直径的关系 

冶炼过程的控制 

在冶炼过程，平均熔化率控制750-950kg/h，目标熔化率800kg/h。根据该熔化速率决定供电制度，电流强度的计算公式为： 

Q_E=Q_M+Q_S+Q_W+Q_R

Q_E=1h输入电能，KV·A·h 

Q_M=1h合金加热，熔化及过热所需能量，KV·A·h 

Q_S=1h内渣熔化，过热，挥发所耗能量，KV·A·h 

Q_W=熔铸1h冷却水带走能量，KV·A·h 

Q_R=熔铸1h渣池表面热辐射损失，KV·A·h 

$I_W=\sqrt{\frac{(R_M+Q_S+Q_W+Q_R)\×10^3}{R_S}}$

式中I_W为二次电流强度，A；R_S为有效电阻，Ω。 

R_S=1/X_S·L_E/S_E

式中：X_S-渣电导率，Ω^-1·cm^-1；L_E-电极椎体中心至金属液面的距离，cm；S_E-电极导电面积，cm²。 

本发明优点是采用电渣重熔方法冶炼TWIP钢，不仅可以防止TWIP凝固过程产生裂纹，而且可以改善TWIP钢的凝固组织和偏析状况，同时也可显著提高TWIP钢洁净度。 

附图说明

图1为本发明TWIP钢侵蚀后100倍光镜下图片 

图2为本发明中TWIP钢的XRD图 

图3为本发明方法冶炼得到的TWIP钢凝固组织 

具体实施方式

冶炼的TWIP钢目标成分见表1. 

表1TWIP钢化学成分控制要求，% 

元素

C

Si

Mn

P

S

Al

化学成分

≤0.04

2.55～3.05

24.00～26.00

≤0.025

≤0.005

2.90～3.50

1）电极锭的制备 

根据目标成分要求，电渣重熔前的电极锭化学成分控制见表2. 

表2TWIP钢电极锭化学成分控制，% 

根据目标产品的尺寸确定电极锭的尺寸。本实例计划用电渣重熔生产14吨左右的TWIP钢，因此制备了2根7.3t的电极锭，然后用电渣重熔连续冶炼得到14t左右重量的TWIP钢电渣锭。其中，电极锭尺寸为φ580/620×3800/3900mm。 

2）电渣重熔用精炼渣的准备 

采用组成为65%CaF₂+25%Al₂O₃+10%CaO的渣系冶炼TWIP钢。渣量确定为480kg。用φ400mm石墨电极化渣，二次电压由65～75V，电流1000～3000A起弧引燃，9000～10000A精炼20分钟，10000～12000A精炼20分钟，化渣总时间约50分钟。为了防止钢中易氧化元素烧损问题，在渣中加入脱氧剂，一共在渣中加入2kg电解锰和10kg铝。 

3）电渣重熔 

结晶器的尺寸选用970/1040×2500mm。 

整个冶炼过程熔化率控制按表3进行。 

表3电渣重熔过程熔化率控制 

在冶炼过程中，平均熔化率控制在750-950kg/h，目标熔化率800kg/h，这主要是出于TWIP钢中夹杂物去除和凝固组织的考虑。 

为了使熔速控制在800公斤/小时，冶炼过程中的冶炼前期、稳定期的二次电压和电流的控制按表4执行。 

表4冶炼过程供电制度 

在最后的补缩阶段，二次电压和电流的控制按表5执行。 

表5补缩期间二次电压和电流 

4）脱模缓冷 

停电后，脱模，将电渣锭放入缓冷罩内进行缓冷，缓冷时间为48小时。 

5）电渣锭化学成分分析结果 

表6是电渣锭化学成分检测结果。 

表6TWIP钢电渣锭化学成分，% 

冶炼出来的电渣锭化学成分完全符合要求，精准地控制了合金成分。 

6）组织形貌 

图1是在100倍光镜下观察用硝酸酒精侵蚀后的TWIP钢。图2是TWIP钢XRD组织检测结果。由XRD衍射图中各衍射峰判断，试样具有面心立方点阵的特征，相应的各衍射面指数分别是（111）（200）（311）（222）（400），由此可知TWIP钢在本成分体系下是奥氏体组织。光镜观察和XRD分析结果表明了TWIP钢单一的奥氏体组织。 

图3是TWIP钢侵蚀后宏观组织观察结果，表明电渣重熔后TWIP钢组织致密、较均匀。 

Claims (5)

1.一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：采用电渣重熔工艺精炼TWIP钢，具体制作步骤为；

（1）化学成分质量百分比是：C：0.03%～0.08%，Si:2.0%～3.0%，Mn:20%～30%，Al:2.5%～3.5%，余量为Fe和少量其它合金元素；

（2）采用60～70%CaF₂+20～30%Al₂O₃+5～15%CaO的渣系冶炼TWIP钢；同时，渣中加入适量金属锰或电解锰和铝粉，解决TWIP钢中易氧化和挥发元素烧损问题；铝粉的加入量为TWIP钢质量的0.05～0.10%，电解锰的加入量为TWIP钢质量的0.01～0.05%；

（3）采用氩气保护重熔，流量20～40Nm³/h，减少铝烧损；

（4）采用低熔化速率进行精炼，熔化速率控制在700～950kg钢/小时，促进夹杂物的上浮，同时改善凝固组织和偏析状况。

2.根据权利要求1所述一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：在冶炼过程中，平均熔化率控制750-950kg/h，根据该熔化速率决定供电制度，电流强度的计算公式为：

Q_E=Q_M+Q_S+Q_W+Q_R

Q_E=1h输入电能，KV·A·h，

Q_M=1h合金加热，熔化及过热所需能量，KV·A·h，

Q_S=1h内渣熔化，过热，挥发所耗能量，KV·A·h，

Q_W=熔铸1h冷却水带走能量，KV·A·h，

Q_R=熔铸1h渣池表面热辐射损失，KV·A·h，

$I_W=\sqrt{\frac{(R_M+Q_S+Q_W+Q_R)\×10^3}{R_S}}$

式中I_W为二次电流强度，A；R_S为有效电阻，Ω，

R_S=1/X_S·L_E/S_E

式中：X_S-渣电导率，Ω^-1·cm^-1；L_E-电极椎体中心至金属液面的距离，cm；S_E-电极导电面积，cm²。

3.根据权利要求1所述一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：补缩时间大于1.5小时，在补缩期，电流逐渐下降，下降速度为3A/s；每降低3000A，保持3至15分钟，使电流保持稳定，保证TWIP钢低热

导率特性下熔池逐渐变浅，得到无疏松缩孔缺陷的电渣锭。

4.根据权利要求1所述一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：电渣重熔后，采用缓冷罩进行缓冷，防止冷却速度过快引起表面和内部缺陷，缓冷时间大于24小时。

5.根据权利要求1所述一种高强度高塑性TWIP钢电渣重熔生产方法，其特征在于：对于重量为14t的TWIP钢电渣锭，电极锭尺寸为φ580/620×3800/3900mm；制备步骤为：

1）电渣重熔用精炼渣的准备

采用组成为65%CaF₂+25%Al₂O₃+10%CaO的渣系冶炼TWIP钢；渣量确定为480kg；用φ400mm石墨电极化渣，二次电压由65～75V，电流1000～3000A起弧引燃，9000～10000A精炼20分钟，10000～12000A精炼20分钟，化渣总时间50分钟；为了防止钢中易氧化元素烧损问题，在渣中加入脱氧剂，一共在渣中加入2kg电解锰和10kg铝；

2）电渣重熔

结晶器的尺寸选用970/1040×2500mm；

整个冶炼过程熔化率控制按表3进行；

表3电渣重熔过程熔化率控制

为了使熔速控制在800公斤/小时，冶炼过程中的冶炼前期、稳定期的二次电压和电流的控制按表4执行；

表4冶炼过程供电制度

在最后的补缩阶段，二次电压和电流的控制按表5执行；

表5补缩期间二次电压和电流

4）脱模缓冷

停电后，脱模，将电渣锭放入缓冷罩内进行缓冷，缓冷时间为48小时。

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