CN107686871A - 一种非调质钢生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种非调质钢生产方法：顶底复吹转炉冶炼；在LF炉进行精炼及脱氧并合金化；在RH真空炉进行S及N成分调整：首先向RH真空炉吹入氮气，使真空度不高于67Pa；吹氮气结束后切换为氩气吹入并直至真空处理结束，同时向RH真空炉一次性加入FeS增S。本发明通过转炉高碳出钢，降低了LF钢包炉低碱度精炼渣系脱氧压力，同时通过真空添加FeS，并通过真空循环，不仅提高了钢中硫的均匀性，而且由于FeS与钢水直接接触，硫收得率由不到70%提高到不低于95%。另外，由于氮在高温钢液的固溶度较高，通过向高温钢液中增氮，节约了大量富氮合金，降低了成本。

Description

一种非调质钢生产方法
技术领域
本发明涉及钢种的冶炼方法，具体属于一种非调质钢的生产方法，其特别是适应于汽车发动机用非调质钢的生产方法。
背景技术
非调质钢由于不需调质处理，只需控制轧制（锻造）工艺及轧（锻）后的冷却速度就可以获得所需要的强度、韧度和切削性能，因此被广泛用于高速发展的汽车工业，用它制造汽车上的曲轴、连杆、转向节、前梁等要求强度和一定切削性能的零件。这些零件过去都是采用中碳钢（碳素钢或合金钢）经调质即淬火后高温回火处理的。非调质钢和传统调质钢相比，由于大量节约了能源，简化了加工工序，降低了投资而被汽车及其零部件加工企业广泛接受，并获得飞速发展。
非调质钢中一般含有适量的硫元素来提高其切削加工性能，同时还会添加一定的微合金元素和氮以满足其强韧性需求。但由于钢中的硫和氮在高温钢液中均不稳定，在冶炼生产过程中不易控制。目前，由于电炉冶炼钢中氮含量高（在80ppm左右），而转炉冶炼钢中氮含量低（30-40ppm），因此，非调质钢生产企业一般采用电炉-精炼工艺生产非调质钢，同时通过添加富氮合金和含硫合金（或喂硫线）来保证钢中的氮和硫含量，其收得率低，成本较高且不易稳定控制，导致废品率较高。
经检索：中国专利公开号为CN101255535A 的文献，公开了一种名为“易切削非调质钢及其生产方法”，其具体化学成分（重量％）为：C0.44～0.49，Si0.30～0.60，Mn1.20～1.50，V0.08～0.12，Cr、Ni、Cu≤0.30，S0.040～0.065，P≤0.0,35，Ca0.001～0.010，Al0.01～0.03，其余为Fe及不可避免的杂质。其采用电炉冶炼，通过钢包吹氩，先向钢中加入S线后，向钢中加入Ca-Si线进行Ca处理，控制Ca/S比：0.02～0.05，终脱氧喂入铝线。这种添加S的方式存在不足主要是硫线通过钢包渣层进入钢水中，其烧损大，收得率低且不稳定，易造成钢中硫不能精确控制，且成本升高。
中国专利公开号为CN 104046914 A的文献，公开了一种名为“一种非调质钢及其生产工艺”，其包括重量百分比如下的化学成分：C0.35～0.47，Si0.30～0.60，Mn1.20～1.60，Cr0.00～0.30，Al0.010～0.030，Ni0.00～0.10，Cu0.00～0.20，P0.000～0.030，S0.020～0.05，V0.050～0.250，N0.012～0.020，余量为铁。其工艺包括电炉冶炼中采用全铁水冶炼，终点磷含量≤0.015%，终点碳含量0.03%～0.10%，终点温度1620℃～1700℃。包炉冶炼步骤中，造白渣，并使得白渣保持时间不少于20 分钟，确保精炼时间不少于45 分钟，将含氢量控制在1.5ppm以下。该发明的不足在于没有提出钢中S的添加方式（0.020-0.050%wt），因为专利中采用白渣精炼工艺是脱氧脱硫的主要方法，钢中的硫不易稳定控制。
中国专利公开号为CN 103695793 A的文献，公开了一种名为“大规格非调质钢及其冶炼方法”，其化学成分以质量百分比计为：C0.36～0.38，Si0.52～0.63，Mn1.40～1.55，Cr0.10～0.20，N0.015～0.020，S0.050～0.060，Nb0.020～0.040，Ti0.020～0.040，余量为铁。冶炼方法包括：Consteel 电炉初炼+LF+VD 精炼步骤，冶炼过程中向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。调渣剂质量百分比混合而成：CaO50～60%、SiO210～15%、Al2O325～35%、MgO2～4%。调渣剂的添加量为：每1t渣料添加100-200kg 调渣剂。硫铁的添加量根据钢种硫含量计算添加。此专利的不足是精炼渣碱度高（CaO50～60%、SiO210～15%），添加的硫铁易被除去，钢中的硫不易稳定控制，调渣会导致精炼周期延迟，生产成本高。
本发明提出了一种不同于常规非调质钢生产的工艺方法，即通过转炉高拉碳出钢，降低了钢水中氧含量，同时精炼全程采用底吹氮气和采用低碱度精炼渣系进行精炼，RH真空循环脱气过程中添加FeS，不仅不用添加富氮等贵重合金就能达到非调质钢中氮成分要求，而且硫的收得率由常规的70%以下提高到95%，成分控制稳定，降低了生产成本，满足了用户对非调质钢的需求。
发明内容
本发明在于克服目前非调质钢生产中硫、氮成分控制不稳定，合金收得率低，生产成本高等不足，提出了一种通过转炉+钢包精炼+RH真空脱气工艺，冶炼时间缩短5-10min，硫的收得率提高到95%，且钢中S、N能稳定控制的非调质钢的生产方法。
实现上述目的的措施：
一种非调质钢生产方法，其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.05～0.10Nm3/t.min；控制终点钢水中：C在0.20～0.30wt%，P≤0.020 wt %， O≤200ppm， N不低于50ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2～0.3MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在50～70min；期间，精炼渣采用碱度在0.9~1.5的 CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，脱氧时间在40～50min，钢水经脱氧后的含氧量≤20ppm；并在结束后取样分析钢水中S的含量；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.3～0.4MPa，其流量以使真空度不高于67Pa为原则，并在此真空度下保持不低于15min的时间；
吹氮气结束后切换为氩气吹入并直至真空处理结束，吹入氩气的压力在0.3～0.4MPa其流量以使真空度保持不高于67Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S。
其在于：所述精炼渣的组分及重量百分比含量为：CaO：35～45％，SiO2：30～40％，Al2O3：5～10％，MgO：8～15％，FeO：0.5～1％，CaF2 ：2～5％。
其在于：向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行：
W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）
式中：W—表示应加入的FeS量，单位为Kg；
W钢水—表示进入RH真空炉中的钢水总量，单位为Kg；
S目标—表示目标S含量，采用纯小数；
S残余—表示经LF精炼后钢水中的S含量，采用纯小数；
SFeS—表示FeS中的S含量，采用纯小数。
其在于：本发明适用的非调质钢的组分及重量百分比含量在：C：0.38~0.80%，Si：0.30~0.65%，Mn：0.55~1.4%，V：0.05~0.25%，P：0.015~0.085%，S：0.045~0.08%，N：0.010~0.014%，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明中主要工艺的作用及机理：
本发明之所以采取在转炉冶炼中全程采用底吹氮气，其供气强度在 0.05～0.10Nm3/t.min，是由于转炉中钢水在氧化冶炼过程中会导致固溶氮形成氮气进入炉气中而排出，通过底吹氮气，一方面可以搅拌钢液，另一方面可以建立新的[N]与N2之间的平衡，使钢水中的氮含量增加。
本发明之所以采取在LF炉进行全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2～0.3MPa，是由于常规的LF采用底吹氩气，氩气泡中氮分压极低，从而造成钢水中的[N]→N2进入氩气泡而排出，而以底吹氮气代替氩气，不仅节约了氩气资源，而且使吹入钢水中的氮气进入钢水，使钢水中的氮达到饱和而增氮。
本发明之所以采取在RH真空炉进行S及N成分调整，并在真空度不低于67Pa且吹氮气15min后进行氮氩气的切换，同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，是由于RH真空使FeS与钢水直接接触并发生反应，大大提高了硫的收得率。
本发明与现有技术相比，通过转炉高碳出钢，降低了LF钢包炉低碱度精炼渣系脱氧压力，同时通过真空添加FeS，并通过真空循环，不仅提高了钢中硫的均匀性，而且由于FeS与钢水直接接触，硫收得率由不到70%提高到不低于95%。另外，由于氮在高温钢液的固溶度较高，通过向高温钢液中增氮，节约了大量富氮合金，降低了成本。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
以下各实施例的加入FeS量均按照以下公式进行计算：
W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）
式中：W—表示应加入的FeS量，单位为Kg；
W钢水—表示进入RH真空炉中的钢水总量，单位为Kg；
S目标—表示目标S含量，采用纯小数；
S残余—表示经LF精炼后钢水中的S含量，采用纯小数；
SFeS—表示FeS中的S含量，采用纯小数。
实施例1
本实施例非调质钢的化学成分及重量百分比含量为：C0.70%，Si0.30%，Mn0.60%，V0.05%，P0.020%，S0.065%，N0.0100%，其余为Fe及不可避免的杂质；
采用的转炉为150吨的。
其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.05Nm3/t.min；终点钢水中：C在0.30wt%，P在0.016wt %，O为120ppm，N为50ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在62min；期间，精炼渣采用碱度在0.9的 CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，其组分及重量百分比含量为：CaO 35％，SiO2 40％，Al2O3 5％，MgO15％，FeO0.5％，CaF2 4.5％；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，经45min的脱氧，钢水中含氧量为20ppm；精炼结束后，经取样分析，钢水中S重量百分比含量为0.005%；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.3MPa，其流量以使真空度达到67Pa为原则，并在此真空度下保持16min的时间；
当真空度达到67Pa且吹氮气16min后切换为氩气吹入，吹入氩气直至真空处理结束，氩气的压力在0.3MPa，其流量以使真空度保持67Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，FeS中S的重量百分比含量为45%；
向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行： 已知：W钢水=150000Kg，S目标=0.065%，S残余=0.005%，SFeS=45%，并带入W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）公式，计算应加入的FeS量W为210Kg，并向RH真空炉中一次性加入。
经检测钢的成品S和N，验证其S的收得率为95.2%，富氮合金减少用量120Kg。
实施例2
本实施例非调质钢的化学成分及重量百分比含量为：C0.70%，Si0.50%，Mn0.55%，V0.08%，P0.065%，S0.060%，N0.0110%，其余为Fe及不可避免的杂质；
采用的转炉为120吨的。
其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.06Nm3/t.min；终点钢水中：C在0.30wt%，P在0.040wt %，O为100ppm，N为50ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在50min；期间，精炼渣采用碱度在1.0的CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，其组分及重量百分比含量为：CaO 38％，SiO2 38％，Al2O3 7％，MgO12％，FeO0.8％，CaF2 4.2％；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，经40min的脱氧，钢水中含氧量为19ppm；精炼结束后，经取样分析，钢水中S重量百分比含量为0.007%；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.3MPa，其流量以使真空度达到66Pa为原则，并在此真空度下保持18min的时间；
当真空度达到66Pa且吹氮气17min后切换为氩气吹入，吹入氩气直至真空处理结束，氩气的压力在0.3MPa，其流量以使真空度保持66Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，FeS中S的重量百分比含量为50%；
向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行： 已知：W钢水=120000Kg，S目标=0.060%，S残余=0.007%，SFeS=50%，并带入W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）公式，计算应加入的FeS量W为148Kg，并向RH真空炉中一次性加入。
经检测钢的成品S和N，验证其S的收得率为95.1%，富氮合金减少用量90Kg。
实施例3
本实施例非调质钢的化学成分及重量百分比含量为：C0.38%，Si0.65%，Mn1.20%，V0.08%，P0.085%，S0.070%，N0.0120%，其余为Fe及不可避免的杂质；
采用的转炉为120吨的。
其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.10Nm3/t.min；终点钢水中：C在0.20wt%，P在0.050wt %，O为200ppm，N为65ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在50min；期间，精炼渣采用碱度在1.5的CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，其组分及重量百分比含量为：CaO 45％，SiO2 30％，Al2O3 10％，MgO 10％，FeO0.5％，CaF2 4.5％；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，经42min的脱氧，钢水中含氧量为20ppm；精炼结束后，经取样分析，钢水中S重量百分比含量为0.005%；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.3MPa，其流量以使真空度达到65Pa为原则，并在此真空度下保持20min的时间；
当真空度达到65Pa且吹氮气20min后切换为氩气吹入，吹入氩气直至真空处理结束，氩气的压力在0.3MPa，其流量以使真空度保持66Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，FeS中S的重量百分比含量为46%；
向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行： 已知：W钢水=120000Kg，S目标=0.070%，S残余=0.005%，SFeS=46%，并带入W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）公式，计算应加入的FeS量W为178Kg，并向RH真空炉中一次性加入。
经检测钢的成品S和N，验证其S的收得率为95 %，富氮合金减少用量100Kg。
实施例4
本实施例非调质钢的化学成分及重量百分比含量为：C0.40%，Si0.60%，Mn1.20%，V0.25%，P0.015%，S0.045，N0.0160%，其余为Fe及不可避免的杂质；
采用的转炉为120吨的。
其步骤：
2）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.10Nm3/t.min；终点钢水中：C在0.20wt%，P在0.010wt %，O为180ppm，N为60ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.3MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在60min；期间，精炼渣采用碱度在1.4的CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，其组分及重量百分比含量为：CaO 42％，SiO2 30％，Al2O3 10％，MgO 8％，FeO0.5％，CaF2 4.5％；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，经45min的脱氧，钢水中含氧量为18ppm；精炼结束后，经取样分析，钢水中S重量百分比含量为0.006%；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.4MPa，其流量以使真空度达到67Pa为原则，并在此真空度下保持25min的时间；
当真空度达到67Pa且吹氮气22min后切换为氩气吹入，吹入氩气直至真空处理结束，氩气的压力在0.3MPa其流量以使真空度保持67Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，FeS中S的重量百分比含量为45%；
向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行： 已知：W钢水=120000Kg，S目标=0.045%，S残余=0.006%，SFeS=45%，并带入W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）公式，计算应加入的FeS量W为109Kg，并向RH真空炉中一次性加入。
经检测钢的成品S和N，验证其S的收得率为95.3 %，富氮合金减少用量140Kg。
实施例5
本实施例非调质钢的化学成分及重量百分比含量为：C0.55%，Si0.65%，Mn1.40%，V0.15%，P0.015%，S0.060，N0.0140%，其余为Fe及不可避免的杂质；
采用的转炉为150吨的。
其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.08Nm3/t.min；终点钢水中：C在0.25wt%，P在0.010wt %，O为140ppm，N为55ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.25MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在60min；期间，精炼渣采用碱度在1.5的CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系，其组分及重量百分比含量为：CaO 45％，SiO2 30％，Al2O3 8％，MgO 12％，FeO 0.8％，CaF2 4.2％；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，经50min的脱氧，钢水中含氧量为17ppm；精炼结束后，经取样分析，钢水中S重量百分比含量为0.004%；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.4MPa，其流量以使真空度达到66Pa为原则，并在此真空度下保持18min的时间；
当真空度达到66Pa且吹氮气15min后切换为氩气吹入，吹入氩气直至真空处理结束，氩气的压力在0.4MPa，其流量以使真空度保持66Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S，FeS中S的重量百分比含量为45%；
向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行： 已知：W钢水=150000Kg，S目标=0.060%，S残余=0.004%，SFeS=45%，并带入W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）公式，计算应加入的FeS量W为196Kg，并向RH真空炉中一次性加入。
经检测钢的成品S和N，验证其S的收得率为95.5 %，富氮合金减少用量126Kg。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (4)

1.一种非调质钢生产方法，其步骤：
1）进行顶底复吹转炉冶炼：采取全程底吹氮气，其供气强度在 0.05～0.10Nm3/t.min；控制终点钢水中：C在0.20～0.30wt%，P≤0.020 wt %， O≤200ppm， N不低于50ppm；
2） 在LF炉进行精炼及脱氧，并合金化：LF炉采用全程底吹氮气模式，吹氮压力在0.2～0.3MPa，吹氮时间也即LF精炼时间在50～70min；期间，精炼渣采用碱度在0.9~1.5的 CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系；常规加入电石、硅铁粉及铝丸进行脱氧，脱氧时间在40～50min，钢水经脱氧后的含氧量≤20ppm；并在结束后取样分析钢水中S的含量；
3）在RH真空炉进行S及N成分调整：
首先向RH真空炉吹入氮气，吹氮气压力在0.3～0.4MPa，其流量以使真空度不高于67Pa为原则，并在此真空度下保持不低于15min的时间；
吹氮气结束后切换为氩气吹入并直至真空处理结束，吹入氩气的压力在0.3～0.4MPa，其流量以使真空度保持不高于67Pa为原则；同时向RH真空炉一次性加入FeS进行增S。
2.如权利要求1所述的一种非调质钢生产方法，其特征在于：所述精炼渣的组分及重量百分比含量为：CaO：35～45％，SiO2：30～40％，Al2O3：5～10％，MgO：8～15％，FeO：0.5～1％，CaF2 ：2～5％。
3.如权利要求1所述的一种非调质钢生产方法，其特征在于：向RH真空炉加入FeS量，按照以下公式进行计算：
W=W钢水×（S目标—S残余）÷（SFeS×95%）
式中：W—表示应加入的FeS量，单位为Kg；
W钢水—表示进入RH真空炉中的钢水总量，单位为Kg；
S目标—表示目标S含量，采用纯小数；
S残余—表示经LF精炼后钢水中的S含量，采用纯小数；
SFeS—表示FeS中的S含量，采用纯小数。
4.如权利要求1所述的一种非调质钢生产方法，其特征在于：本发明适用的非调质钢的组分及重量百分比含量在：C：0.38~0.80%，Si：0.30~0.65%，Mn：0.55~1.4%，V：0.05~0.25%，P：0.015~0.085%，S：0.045~0.08%，N：0.010~0.014%，其余为Fe及不可避免的杂质。
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