CN109097665B - 高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法 - Google Patents

高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体公开一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。本发明工艺通过调整配方以及对脱氧合金化工艺进行优化设计，使钢液合金化过程更充分，提高合金的收得率，通过控制精炼渣的成分，使其具备良好的脱硫能力以及良好的夹杂物吸附能力，从而降低成品钢液的夹杂物数量，使钢液的洁净度得到大幅提高，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能，在保证使用性能的前提下减少能耗，降低了成本。

Description

高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。
背景技术
应用于铁路、公路钢结构桥梁等设施上的连接螺栓为高强度螺栓，由于长期处于野外环境中，螺栓表面与周围介质(水汽、盐分等)极易发生化学及电化学作用，从而产生锈蚀。尤其是钢桥一般横跨江河，常年气温和湿度较高，环境较为恶劣，螺栓长期处于这种环境中更容易生锈腐蚀，最终导致断裂或裂纹，形成潜在的事故源。
由于钢中夹杂物对钢材基体组织连续性的阻碍作用，使得钢材在轧制加工、热处理以及使用过程中与夹杂物发生分离，导致缝隙产生，对钢材力学性能、抗腐蚀性等指标产生消极影响。特别地，由于桥梁、公路、铁路等使用的大尺寸螺栓用钢，长期处于特殊的受力条件及恶劣的气候环境中，对螺栓用钢的钢质要求很高。然而，目前国内现有工艺生产的高强度螺栓用钢洁净度较低，夹杂物含量相对较高，非金属夹杂物大多在1.0级以上；此外，钢的显微组织结构及配比未达到最优化，导致钢的强韧性匹配不好，耐大气腐蚀性能较差，制约了产品在10.9级高强度螺栓生产中的应用。
发明内容
针对现有螺栓强度和耐腐蚀性能有待进一步提高的问题，本发明提供高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，包括以下步骤：
(1)钢水冶炼：将钢水进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600～1650℃；
(2)脱氧合金化：出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂、硅铁合金、高碳锰铁、高碳铬铁和顶渣；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入石灰、电石和铝粒进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 50～65％，SiO210～20％，Al2O315～25％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 2～5。
现对于现有技术，本发明提供的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，通过合金元素的调整强化钢水脱氧效果，增加了材料的强度和耐大气腐蚀性；通过控制各物料的加入顺序，使钢液合金化过程更充分，通过控制精炼渣的成分，使其具备合适的液相量、良好的脱硫能力以及良好的夹杂物吸附能力，从而降低成品钢液的夹杂物数量，提高成品钢液的纯净度；通过选择合金元素的不同加入时机，使合金充分熔化，均匀分布，增强脱氧效果，提高合金的收得率。通过调整合金元素以及严格控制钢水的洁净度，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能。
优选的，所述脱氧合金化工序中，所述铝块的加入量为1～2kg/t，所述增碳剂的加入量为1～2kg/t，所述硅铁合金的加入量为2～5kg/t，所述高碳锰铁的加入量为8～12.6kg/t，所述高碳铬铁的加入量为10.5～19kg/t。
在出钢至总出钢量的1/8～3/20时加入铝块，此时钢水是无渣的，可使铝锭直接与钢水接触，保证铝锭快速熔化，减少铝的烧损，提高铝的利用率，保证预脱氧效果，且此时脱氧产生的夹杂为大颗粒Al2O3，有利于脱氧产物的上浮排出；先加入增碳剂进行脱氧，然后再加入合金，减少合金的氧化，提高合金收得率，最后加入顶渣，可避免顶渣与合金卷在一起，使合金熔化不充分，造成合金收得率降低。因此，各成分特定的加入顺序和加入量可增强脱氧效果，同时提高合金收得率，降低成本。
优选的，所述脱氧合金化工序中，所述顶渣为石灰和精炼合成渣；所述石灰的加入量为3～4.5kg/t，所述精炼合成渣的加入量为3.5～4.5kg/t；所述精炼合成渣的成分为：CaO 45～55％，Al2O330～40％，SiO2≤6％，MgO≤3％，CaF2≤5％，S≤0.15％，P≤0.08％，H2O≤0.2％。
转炉出钢铝脱氧产生的氧化铝夹杂物，在上述高碱度顶渣的作用下逐渐向低熔点的钙铝酸盐类夹杂物转变，经过后续的软吹后可以有效减少氧化物类夹杂物的总量。
优选的，所述LF工序中，所述石灰的加入量为2～5kg/t、所述电石的加入量为0.5～1.5Kg/t，所述铝粒的加入量0.5～1.5kg/t。
优选的，所述LF工序中，精炼过程的温度为1630～1680℃，精炼时间为30～45分钟。
优选的精炼时间和精炼温度可降低钢水中的夹杂物，提高合金的收得率。
优选的，步骤(3)中，所述RH炉精炼工序中，真空度为67～266Pa，真空循环处理时间为15～25分钟，RH环流时间为25～40分钟，真空处理完毕进行钙处理和软吹，控制Ca含量≤50ppm，软吹时间为10～25分钟。
优选的RH炉精炼工序，可以进一步脱气去除夹杂物，较小的夹杂物也会聚集长大，随后的二次软吹，控制时间为10～25分钟，可以去除这部分长大的夹杂物，进一步提高洁净度。
优选的，所述RH工序中，所述钙处理采用喂入硅钙线的方式，喂丝速度150～300m/min，喂线量150～300m。
通过喂入硅钙线的方式对夹杂物变形处理，优选的喂丝速度和喂线量可使夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度。
优选的，高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.28～0.40％，Si 0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.025％、S≤0.020％，Cr 0.60～1.00％，Ni 0.20～0.50％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
更优选的，高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.32～0.38％，Si 0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.008％、S≤0.008％，Cr 0.60～1.00％，Ni 0.30～0.40％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的成分中，加入C、Cr、Mn元素，提高材料的强度和淬透性；降低杂质元素P、S的含量，加入Ti元素，减少晶界偏析，改善材料的低温脆性和耐延迟断裂性能，Ti还可以生成弥散细小的碳氮化合物，以细化奥氏晶粒，在提高钢的强度的同时，还能提高钢的韧性，形成的碳氮化合物还能作为氢的陷阱，抑制氢的扩散和使氢均匀分布；加Cu、Ni、Cr等合金元素，在其表面形成钝化膜，减少氢气的入侵，阻止氢致裂纹的产生，同时还能够非常有效地提高抗大气腐蚀能力，另外，这些元素还具有强化基体的作用；加入Si元素，配合Cu、Cr提高钢的耐候性。上述各成分以特定比例相互配和，使得材料满足螺栓使用的机械性能需求的同时，还能具有较高的耐大气腐蚀的性能。
优选的，钢水冶炼工序中，将镍板和紫铜板与废钢一起加入转炉中进行冶炼。
优选的，所述钢水冶炼工序中，所述镍板的加入量为2～2.5kg/t，所述紫铜板的加入量为2～5.5kg/t。
Cu、Ni合金和优质废钢一起加入转炉中，可避免后续由于合金板面积较大造成LF加入困难，从而导致合金融化不充分的问题，且由于该合金不易氧化，不会出现转炉氧化的问题，从而可提高合金的收得率。
优选的，LF精炼工序中，造渣完毕以后加入钛铁合金。
优选的，所述LF工序中，所述钛铁的加入量为0.1～0.9kg/t。
上述成分的螺栓用钢采用本发明的冶炼方法，制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的微观组织由40～70％的铁素体和30～60％的珠光体组成，晶粒细度≥5级，抗拉强度可达700～850MPa，屈服强度550～650MPa，1/3冷顶锻合格，耐腐蚀性能I指数≥6.5，断面收缩率可达42～60％，具有良好的冷加工性能，能够满足下游用户生产大尺寸10.9级高强度螺栓的要求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢，其化学成分为：
C 0.28％，Si 0.20％，Mn 0.70％，P 0.01％、S 0.020％，Cr 1.00％，Ni 0.20％，Cu 0.40％，Ti 0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2kg/t和紫铜板5.5kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块2kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂2kg/t、硅铁合金2kg/t、高碳锰铁10kg/t、高碳铬铁19kg/t、精炼合成渣3.5kg/t、石灰4.5kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉；加入石灰5kg/t、电石1.5Kg/t，铝粒0.5kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 50～65％，SiO210～20％，Al2O315～25％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 2～5，造渣完毕加入钛铁合金0.9kg/t；精炼过程的温度为1630℃，精炼时间为45分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为67Pa，真空循环处理时间为15分钟，RH环流时间为25分钟，然后以150m/min的速度喂入硅钙线，喂线量150m，然后进行软吹，软吹时间为10min。
由实施例1制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表1所示。
表1
实施例2
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀冷镦钢，其化学成分为：
C 0.35％，Si 0.15％，Mn 0.90％，P 0.025％、S 0.008％，Cr 0.60％，Ni 0.30％，Cu 0.20％，Ti 0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2.5kg/t和紫铜板2kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1650℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块1.5kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂1kg/t、硅铁合金3.5kg/t、高碳锰铁12.6kg/t、高碳铬铁10.5kg/t、精炼合成渣4.0kg/t、石灰3kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入石灰4.5kg/t、电石0.5Kg/t，铝粒1.3kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 50～65％，SiO210～20％，Al2O315～25％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 2～5，造渣完毕加入钛铁合金0.1kg/t；精炼过程的温度为1680℃，精炼时间为30分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为150Pa，真空循环处理时间为20分钟，RH环流时间为35分钟，然后以230m/min的速度喂入硅钙线，喂线量300m，然后进行软吹，软吹时间为25min。
由实施例2制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表2所示。
表2
实施例3
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀冷镦钢，其化学成分为：
C 0.40％，Si 0.30％，Mn 0.60％，P 0.006％、S 0.002％，Cr 0.80％，Ni 0.50％，Cu 0.50％，Ti 0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2.2kg/t和紫铜板3.5kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1620℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块1kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂1.5kg/t、硅铁合金5kg/t、高碳锰铁8kg/t、高碳铬铁16.5kg/t、精炼合成渣4.5kg/t、石灰4.0kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入石灰2kg/t、电石1.2Kg/t，铝粒1.5kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 50～65％，SiO210～20％，Al2O315～25％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 2～5，造渣完毕加入钛铁合金0.6kg/t；精炼过程的温度为1650℃，精炼时间为38分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为266Pa，真空循环处理时间为25分钟，RH环流时间为40分钟，然后以300m/min的速度喂入硅钙线，喂线量250m，然后进行软吹，软吹时间为20min。
由实施例3制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表3所示。
表3
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于将实施例3脱氧合金化工序中各物质的加入顺序调整为：铝块→增碳剂→硅铁→铬铁→锰铁→精炼合成渣。
由对比例1制备的螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表4所示。
表4
本对比例中Mn的收得率为82.1％。
综上所述，本发明工艺通过调整配方以及对脱氧合金化工艺进行优化设计，Mn的收得率由原来的80％左右提高到96％以上，且Ti收得率稳定，钢中夹杂物评级均小于1.0级，使钢液的洁净度得到大幅提高，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能，在保证使用性能的前提下减少能耗，降低了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，包括钢水冶炼、脱氧合金化、LF精炼和RH精炼，其特征在于，
(1)钢水冶炼：将钢水进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600～1650℃；
(2)脱氧合金化：出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂、硅铁合金、高碳锰铁、高碳铬铁和顶渣；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入石灰、电石和铝粒进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 50～65％，SiO2 10～20％，Al2O3 15～25％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 2～5；
其中，上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.28～0.40％，Si0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.025％、S≤0.020％，Cr 0.60～1.00％，Ni0.20～0.50％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述脱氧合金化工序中，所述铝块的加入量为1～2kg/t，所述增碳剂的加入量为1～2kg/t，所述硅铁合金的加入量为2～5kg/t，所述高碳锰铁的加入量为8～12.6kg/t，所述高碳铬铁的加入量为10.5～19kg/t。
3.如权利要求1或2所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述脱氧合金化工序中，所述顶渣为石灰和精炼合成渣；所述石灰的加入量为3～4.5kg/t，所述精炼合成渣的加入量为3.5～4.5kg/t；所述精炼合成渣的成分为：CaO 45～55％，Al2O3 30～40％，SiO2≤6％，MgO≤3％，CaF2≤5％，S≤0.15％，P≤0.08％，H2O≤0.2％。
4.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，LF工序中，所述石灰的加入量为2～5kg/t、所述电石的加入量为0.5～1.5Kg/t，所述铝粒的加入量0.5～1.5kg/t。
5.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，LF工序中，精炼过程的温度为1630～1680℃，精炼时间为30～45分钟。
6.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，RH炉精炼工序中，真空度为67～266Pa，真空循环处理时间为15～25分钟，RH环流时间为25～40分钟，真空处理完毕进行钙处理和软吹，控制Ca含量≤50ppm，软吹时间为10～25分钟。
7.如权利要求6所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，RH工序中，所述钙处理采用喂入硅钙线的方式，喂丝速度150～300m/min，喂线量150～300m。
8.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，钢水冶炼工序中，将镍板和紫铜板与废钢一起加入转炉中进行冶炼。
9.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，LF精炼工序中，造渣完毕以后加入钛铁合金。
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