CN103695793A

CN103695793A - 大规格非调质钢及其冶炼方法

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Publication number: CN103695793A
Application number: CN201310693909.5A
Authority: CN
Inventors: 王海龙; 陈列; 杨忠; 樊世亮; 王芝林; 安志明; 山增旺; 郭栋
Original assignee: XINING SPECIAL STEEL CO Ltd
Current assignee: XINING SPECIAL STEEL CO Ltd
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103695793B

Abstract

本发明公开了一种大规格非调质钢及其冶炼方法，同时公开了一种在钢中增硫时所用到的调渣剂，在冶炼过程中通过控硫工艺的调整，重新设计一种控硫方法，使钢中硫含量更加稳定，硫化物分布趋于均匀，控硫的成本进一步降低；通过控氮工艺的调整，重新设计一种控氮方法，制定合理的技术参数，从而使钢中氮趋于稳定，控氮的冶金副作用大幅度降低，控氮成本大幅度降低；由该方法获得的非调质钢，钢的力学性能更稳定，晶粒粗化温度得到了提高，从而稳定了曲轴零件的机械性能，并在一定程度上细化了曲轴零件的晶粒。

Description

大规格非调质钢及其冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种钢及其冶炼方法，具体涉及一种大规格非调质钢及其冶炼方法，属于金属材料领域。

背景技术

大马力汽车柴油机曲轴，其在机加零件装机工作时，将承受周期性的交变载荷，产生交变的扭转应力和弯曲应力，因此，是曲轴连杆机构中最重要的受力部件，参考：朱增保，往复泵曲轴特征尺寸计算模块开发，机械设计与制造，2005.8 99-91。

由于曲轴的特征尺寸决定曲轴的强度和钢度，同时内在质量的优劣是保证其工作寿命的重要因素，合理及先进工艺是保证质量的先决条件。

非调质钢是一种新型的机械结构用钢。与传统的、经调制处理的机械结构钢相比较，其化学成分、生产工艺、力学性能、工艺性能和技术经济方面均具有其特点，参考：董成瑞等，微合金非调质钢，2000.1 5。

由于非调制钢在机加工过程中免去调质工序，所以在降本增效方面表现尤为突出，是汽车结构件用钢的发展方向，有重要的社会效益和经济效益。

现有的生产大马力汽车柴油机曲轴用大规格非调质钢的主要工艺流程为：Consteel电炉冶炼→LF+VD精炼→浇铸钢锭→轧钢车间产材，其中，涉及如下技术：

1、冶炼成分控制

大马力汽车柴油机曲轴用大规格非调质钢为重型汽车曲轴用钢，机械厂在对其进行模锻加工后不做调质处理，对机械性能要求较严格，所以严格控制该钢种的主要化学元素范围非常重要。

目前，该钢种的标准范围：C：0.36-0.40%、Si：0.50-0.65%、Mn：1.40-1.55%、Cr：0.10-0.20%、N：0.015-0.020%、S：0.020-0.035%，Nb、Ti元素微量残余。

2、钢中控硫方法

为了提高该钢种的切削性，在钢中加入适当的S元素来改善其切削性能。目前冶炼60tConsteel电炉的出钢方式为留钢留渣操作，合金化及脱氧工作均在钢包精炼过程中完成，无法选择电炉中增S，因为S的熔点较低，极易氧化，S的收得率低且不稳定，因此增S的方法采用精炼过程中向钢包中加硫铁。

3、钢中控氮方法

为了保证该钢种具有良好的机械性能，同时减少性能波动，成分设计时对C、Mn、N元素进行严格控制。目前采用的增氮方法是向钢液中加氮化锰铁合金。即在真空前充分考虑加入氮化锰给钢种带来的合金元素，控制钢中合金在一定范围，进行真空脱气，真空脱气后将氮化锰合金一次加入钢包，考虑加入氮化锰合金后钢液温降过大，在真空前将温度控制在1620℃以上。

目前，成分控制相对稳定，但在用户使用过程中存在零件机械加工时车削断屑效果不好，影响零件的表面光洁度和车削屑钢屑的收集；同时钢材在加热锻打后，检验零件实际粒度发现晶粒粗大趋势明显，经常在标准边缘。此现象对用户生产效率及零件力学性能稳定性有着较大影响。

炉外精炼的目的是：在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行深脱碳、脱硫、脱氧、除气、调整成分(微合金化)和调整温度并使其均匀化，去除夹杂物，改变夹杂物形态和组成等。通常S作为钢种的有害元素在精炼过程中进行脱硫并越低越好，为保证良好的脱硫、脱氧、除气、去除夹杂物等方面的效果，使渣具有一定的碱度，通常脱硫速度随CaO/SiO增加而上升（参考：张鉴，炉外精练的理论与实践，北京：冶金工业出版社，1999），碱度控制在2.5左右，但在冶炼含S钢时这种渣不利于硫铁的回收，S含量调整时间长，同时造成钢中硫含量的不稳定，影响钢的质量。

含氮钢在电炉冶炼存在一定难度，主要表现在以下几方面：

（1）冶炼工艺中为控制钢种气体含量必须保证真空效果，若真空前加人氮化锰铁，进入钢中的N会在真空过程中大量损失，增加氮化锰铁合金的用量，增加了钢的冶炼成本；

（2）过早加人氮化锰铁，因钢中无固氮元素，会使N收得率低；

（3）由于氮化锰铁合金中含有Mn、N、Si、C等元素，如果前期成分控制不当，合金进限N含量未进限则无法操作造成冶炼废品；

（4）氮化锰铁合金较普通锰铁合金价格方面高2-3倍，大大提高了钢的冶炼成本。

在控氮方面资料表明向钢水中添加氛氨化钙(CaCN2)是一种低成本的增氮方法，但氛氨化钙(CaCN2)有毒，添加到钢中与钢水发生强烈反应，产生大量有害烟气。该方法氮的回收率低，约为10-30%，且不稳定。通过采用包芯线的方法来加入氛氨化钙(CaCN2)虽然能够解决上述回收率的问题，但又大大提高了成本。参考：陆利明，李宏，壮云乾等，氮气加压熔炼高氮钢若干理论问题探讨，钢铁研究学报，1996。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种质量和性能均稳定的大规格非调质钢，以及可以节约成本的大规格非调质钢的冶炼方法，同时提供一种在钢中增硫时所用到的调渣剂。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种大规格非调质钢，其特征在于，化学成分以质量百分比计为：

一种大规格非调质钢的冶炼方法，包括：Consteel电炉初炼步骤，LF+VD精炼步骤，浇铸钢锭步骤以及轧钢车间产材步骤，冶炼过程中向钢中增氮和增硫，其特征在于，

钢中增氮采用钢包底吹氮方式进行氮合金化，真空前LF精炼过程进行吹氮操作，吹氮温度≥1580℃，氮气压力≥0.4MPa，当氮含量≥250ppm后改吹氩气，脱气后钢中N含量控制在180ppm以内；

钢中增硫采用在钢包精炼的初期将精炼渣的碱度控制在3.5，精炼的后期通过调渣剂控制渣的碱度小于2.5，同时加入硫铁。

前述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，前述调渣剂由以下原料按照下列质量百分比混合而成：

CaO 10-15%、

SiO₂ 50-60%、

Ai₂O₃ 25-35%、

MgO 2-4%。

前述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，前述调渣剂的添加量为：每1t渣料添加100-200kg调渣剂。

前述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，前述硫铁的添加量根据钢种硫含量计算添加。

一种调渣剂，其特征在于，由以下原料按照下列质量百分比混合而成：

CaO 10-15%、

SiO₂ 48-60%、

Ai₂O₃ 26-35%、

MgO 2-4%。

本发明的有益之处在于：本发明通过钢种成分的微合金化设计，稳定钢的力学性能，提高了钢的晶粒粗化温度，从而稳定了曲轴零件的机械性能，并在一定程度上细化了曲轴零件的晶粒；通过控硫工艺的调整，重新设计一种控硫方法，使钢中硫含量更加稳定，硫化物分布趋于均匀，控硫的成本进一步降低；通过控氮工艺的调整，重新设计一种控氮方法，制定合理的技术参数，从而使钢中氮趋于稳定，控氮的冶金副作用大幅度降低，控氮成本大幅度降低。

附图说明

图1至图10为调整前的大规格非调质钢的晶粒光学金相，对应的温度依次为：800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃；

图11至图20为调整后的大规格非调质钢的晶粒光学金相，对应的温度依次为：800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃；

图21为调整前的大规格非调质钢的晶粒粗化曲线；

图22为调整后的大规格非调质钢的晶粒粗化曲线；

图23为调整前的大规格非调质钢中硫化物的分散图；

图24为调整后的大规格非调质钢中硫化物的分散图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

实施例1

1、Consteel电炉初炼步骤

（1）、电炉采用兑铁水工艺，铁水兑入量达到80%，降低钢中的有害残余元素。

（2）、冶炼过程通过控制氧枪氧气流量来调整泡沫渣高度，控制终点碳、磷成分。

2、LF+VD精炼步骤

（1）、精炼时，总渣量控制在20kg/t钢-25kg/t钢；渣系控制：二元碱度≥3.5及合适的Al₂O₃含量，确保精炼渣有适宜的碱度与流动性。

（2）精炼过程，通过氩气压力与流量的合理搭配，有效控制钢渣交换，做LF全过程Al含量控制，保证良好的脱氧效果。

（3）精炼过程白渣保持时间≥40min。

（4）钢中增氮采用钢包底吹氮方式进行氮合金化，真空前LF精炼过程进行吹氮操作，吹氮温度≥1580℃，氮气压力≥0.4MPa，当氮含量≥250ppm后改吹氩气，脱气后钢中N含量控制在180ppm以内，并且在后期的弱氩搅拌和浇铸过程中不会有大的波动。

（5）钢中增硫采用在钢包精炼的初期将精炼渣的碱度控制在3.5左右，由此来保证良好的脱氧、除气、去除夹杂物的效果，精炼的后期加入调渣剂，其中，调渣剂由以下原料按照下列质量百分比混合而成：CaO 10%、SiO₂ 60%、Ai₂O₃ 26%、MgO 4%，每1t渣料添加200kg调渣剂，控制渣的碱度小于2.5；同时，加入硫铁，硫铁的添加量根据钢种硫含量计算添加，硫铁的回收率60%，弱氩搅拌时有损耗。

（6）真空度≤0.5乇下保持≥18min以上。

（7）破真空后，软吹氩时间≥30min。

（8）真空前根据钢水量加入Nb铁和Ti铁。

（9）成分及温度控制好后进行弱Ar搅拌，氩气流量以不吹开渣面为宜。

（10）弱氩搅拌时间≥30min。

3、浇铸钢锭步骤

（1）铸锭过程采用全保护浇注，采用碱性覆盖剂，避免钢水二次氧化，保证镇静时间，促使夹杂上浮。

（2）过热度控制在50±5℃，严格控制浇铸温度及浇铸速度，防止钢锭表面及内部缺陷，获得良好的低倍组织。

4、轧钢车间产材步骤

（1）均热段温度1180℃，高温扩散时间≥2.5h；

（2）开轧温度在1150℃，终轧温度为950℃；

（3）产材后及时入保温坑进行缓冷保温，入坑温度为≥650℃。

实施例2

1、Consteel电炉初炼步骤

2、LF+VD精炼步骤

（3）精炼过程白渣保持时间≥40min。

（5）钢中增硫采用在钢包精炼的初期将精炼渣的碱度控制在3.5左右，由此来保证良好的脱氧、除气、去除夹杂物的效果，精炼的后期加入调渣剂，其中，调渣剂由以下原料按照下列质量百分比混合而成：CaO 15%、SiO₂ 48%、Ai₂O₃ 35%、MgO 2%，每1t渣料添加100kg调渣剂,控制渣的碱度小于2.5；调渣剂加入后给电化渣5min，然后加入硫铁，硫铁的添加量根据钢种硫含量计算添加，硫铁的回收率稳定在90%，弱氩搅拌时有损耗。

（6）真空度≤0.5乇下保持≥18min以上。

（7）破真空后，软吹氩时间≥30min。

（8）真空前根据钢水量加入Nb铁和Ti铁。

（10）弱氩搅拌时间≥30min。

3、浇铸钢锭步骤

4、轧钢车间产材步骤

（1）均热段温度1220℃，高温扩散时间≥2.5h；

（2）开轧温度在1200℃，终轧温度为1000℃；

经检测，采用上述方法冶炼获得的大规格非调质钢，其化学成分（以质量百分比计）见下表，表中同时给出了调整前的大规格非调质钢的化学成分。

表1 大规格非调质钢调整前后成分对比表（余量为Fe）

钢种	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Ni	Mo	N	Cu	Nb	Ti
														调整前	0.38	0.53	1.50	0.021	0.029	0.007	0.14	0.02	0.01	0.017	0.08	0	0.003
调整后I	0.36	0.53	1.47	0.015	0.046	0.006	0.18	0.02	0.01	0.015	0.07	0.02	0.02
														调整后II	0.38	0.62	1.55	0.060	0.060	0.008	0.10	0.02	0.01	0.020	0.07	0.03	0.03

与目前该钢种的标准范围相比，S的含量由原来的0.020-0.035%，提升到了0.046-0.060%，通过实施例2控硫时机的调整，钢中硫回收率有一定提高，同时在后期软吹和浇铸工艺的执行过程S的含量波动很小，钢中硫含量更加稳定；Nb、Ti元素的含量增加，通过实施例2加Ti时机的调整，Ti的回收率有提高。

实施例1和实施例2，晶粒度在相同温度加热保温的条件下均得到比调整前更细粒度、晶粒粗化温度也由900℃提高到1050℃，更加适合用户锻打热加工后得到更细的晶粒和更高的强度。

采用上述方法多次冶炼获得大规格非调质钢后，经检测，大规格非调质钢的化学成分稳定在以下的范围内（以质量百分比计）：

下面以实施例2中的冶炼方法和由该方法获得的大规格非调质钢为例，与现有的冶炼方法和由现有的冶炼方法获得的大规格非调质钢进行比较与分析。

1、晶粒光学金相比较

图1至图10为调整前的大规格非调质钢的晶粒光学金相，温度依次为：800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃。

图11至图20为调整后的大规格非调质钢的晶粒光学金相，温度依次为：800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃。

图21为调整前的大规格非调质钢的晶粒粗化曲线。

图22为调整后的大规格非调质钢的晶粒粗化曲线。

由此可见，采用本发明的冶炼方法获得的大规格非调质钢，①晶粒度得到了更好的细化，在相同温度下加热1小时，调整后钢的晶粒度均细于调整前（见图21、22）；②晶粒粗化温度得到了提高，调整后钢的晶粒开始粗化温度由调整前的900℃提高到1050℃度（见图21、22）。

因此，采用本发明的冶炼方法获得的大规格非调质钢其力学性能得到了提高。

2、钢中控氮技术效果比较

经过生产实践和对工艺摸索改进，基本掌握了稳定控制钢中N元素的方法，通过钢包底吹氮气控制，钢种氮含量合格率达到100%，未发生类似氮化锰铁合金调整氮导致的合金含量超限问题，同时吨钢减少氮化锰铁合金使用量10Kg，与使用普通锰铁合金相比吨钢降低成本20元。

3、钢中控硫技术效果

采用本发明的冶炼方法，钢质量得到大幅度的提高，经检验对比，采用本发明的工艺冶炼的含硫非调制钢的硫化物尺寸细小弥散、分布均匀，见图23和图24，钢的切削性能良好、洁净度和均匀性高，已在国内处于领先水平。

综上所述，本发明的冶炼方法通过控硫工艺的调整，重新设计一种控硫方法，使钢中硫含量更加稳定，硫化物分布趋于均匀，控硫的成本进一步降低；通过控氮工艺的调整，重新设计一种控氮方法，制定合理的技术参数，从而使钢中氮趋于稳定，控氮的冶金副作用大幅度降低，控氮成本大幅度降低；由该冶炼方法获得的大规格非调质钢，通过钢种成分的微合金化设计，稳定了钢的力学性能，提高了钢的晶粒粗化温度，从而稳定了曲轴零件的机械性能，并在一定程度上细化了曲轴零件的晶粒。

本发明的大规格非调质钢主要应用于大马力汽车柴油机曲轴上。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.大规格非调质钢，其特征在于，化学成分以质量百分比计为：

2.大规格非调质钢的冶炼方法，包括：Consteel电炉初炼步骤，LF+VD精炼步骤，浇铸钢锭步骤以及轧钢车间产材步骤，冶炼过程中向钢中增氮和增硫，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，所述调渣剂由以下原料按照下列质量百分比混合而成：

CaO 10-15%、

SiO₂ 50-60%、

Ai₂O₃ 25-35%、

MgO 2-4%。

4.根据权利要求3所述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，所述调渣剂的添加量为：每1t渣料添加100-200kg调渣剂。

5.根据权利要求2所述的大规格非调质钢的冶炼方法，其特征在于，所述硫铁的添加量根据钢种硫含量计算添加。

6.一种调渣剂，其特征在于，由以下原料按照下列质量百分比混合而成：

CaO 10-15%、

SiO₂ 48-60%、

Ai₂O₃ 26-35%、

MgO 2-4%。