CN111172351B

CN111172351B - 一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法

Info

Publication number: CN111172351B
Application number: CN202010054239.2A
Authority: CN
Inventors: 谢有; 孟晓玲; 邓向阳; 屈志东; 袁静; 李辉成
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: CN111172351A

Abstract

本发明公开了一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法，通过调整S元素加入位置、优化精炼炉渣多组元成分及钢液成分，在满足产品对于氧的要求的前提下，将夹杂物转变为易于上浮的固态相，避免液态夹杂物及CaS的生成，并进一步优化真空处理时间，提高了钢液中夹杂物尤其是大颗粒Ds类夹杂物的去除效率，达到控制钢中Ds类夹杂物的效果，实际生产时可将轧材中Ds夹杂稳定控制到0.5级以下。

Description

一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法

技术领域

本发明涉及一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法。

背景技术

非调质钢是指通过添加微合金化元素改变组织的相变机理，通过轧制、锻造和控制冷却等方法，使性能达到或接近调质钢力学性能的中碳低合金结构钢。由于非调质钢应用时可省略调质处理工序，相比调质钢可以大幅度节省能源，降低制造成本约25％-38％，是国家政策优先支持发展的钢铁材料，在工程机械及汽车等方面均得到了应用，如汽车发动机曲轴、连杆。

为保证非调质钢产品如曲轴、连杆等的疲劳性能，需严格控制钢中的Ds夹杂。Ds夹杂在GB/T10561中定义为直径≥13μm的单颗粒球状夹杂物，Ds夹杂在钢产品中的存在严重危害到疲劳性能，在交变应力作用下，极易以其为核心形成疲劳源而发生的疲劳断裂。非调质钢中常加入0.03-0.07％含量的S以改善切削性能，并采用铝脱氧降低钢中氧含量，实际观察到的Ds夹杂多为钙铝酸盐+CaS的形式存在，少量为镁铝尖晶石+外围CaS，文献“TheEffect of a Sulfur Addition on the Formation and Behavior of CaS InclusionsDuring a Secondary Refining Process Without Using a Ca-Treatment”中指出钢液中的液态夹杂物及CaS不易上浮去除，因此Ds夹杂的控制除了需要考虑钙铝酸盐的生成外，还要考虑CaS的控制。

当前对于Ds夹杂的控制有诸多专利和文献研究，如降低炉渣二元碱度、提高RH真空时间、提高软吹时间、调整钙处理时机等，公开号CN 105132631 A公开了一种重轨钢中Ds类夹杂物的控制方法，依据钢中S含量造中低碱度的精炼渣(碱度≤2.5)，提高炉渣对夹杂物的吸附能力，并在RH真空处理后进行氩气软吹处理。公开号CN 109055664 A公开了一种无Ds类夹杂物的轴承钢钢液脱氧控制方法，通过采用出钢硅脱氧，造低碱度精炼渣(终渣碱度1.1-1.6)，控制RH脱气时间15-20min、软吹时间≥35min，可保证Ds类夹杂物为0级。该两个公开专利适用于硅锰脱氧钢，对于铝镇静钢，低碱度精炼渣会导致钢渣之间的持续反应，不断在钢中产生脱氧产物，不利于氧含量的控制，且降低了钢的纯净度。

公开号CN 108456762 A公开了一种合金工具钢中Ds类夹杂物的控制方法，通过控制精炼渣碱度6-8、Al₂O₃含量30～40％，LF精炼过程小批量多批次炉渣脱氧，并控制RH真空处理时间≥20min、软吹时间≥20min，可将钢中Ds类夹杂级别控制到≤1.0级，同时满足O≤15ppm。高碱度精炼渣由于脱硫性能强不适合含硫钢的生产，且在LF精炼过程分批次小批量脱氧，会导致后脱氧产物细小难以上浮去除，不利于氧含量的降低；此外，RH真空处理时间及软吹时间均较长，也会导致温降增大，影响钢液可浇性，降低生产节奏。

公开号CN 101906502 A公开了一种降低含铝钢D类与Ds类夹杂物尺寸的钙处理方法，将钙处理实际调整到软吹结束后进行，对于含硫非调质钢而言，钙线的喂入会与钢中的S形成CaS，不但会影响钢液的可浇性，而且CaS也会依附于钙铝酸盐或镁铝尖晶石生成，加重了Ds的级别。

综上所述，现有专利及研究并不适用于含硫含铝非调质钢Ds夹杂控制，相较常规含铝钢种Ds夹杂的控制，其难点在于既要控制液态夹杂物及CaS的生成，还要平衡氧和硫对炉渣碱度的需求，所以需要探索新工艺来降低中碳含硫铝脱氧非调质钢的Ds夹杂物。

发明内容

本发明提供了一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法，通过调整S的加入位置、优化精炼炉渣成分，将夹杂物转变为易于上浮的固态相，并避免CaS的生成；进一步优化真空处理时间及软吹时间，不仅能达到控制钢中Ds类夹杂物的效果，同时还能保证产品氧含量和硫含量均能达到要求，产品中氧含量控制在10ppm以下，而且RH真空后无需钙处理，具有优异的可浇性。

本发明的关键技术在于针对含硫含铝钢，如何合理匹配精炼炉渣多组元成分及钢液各阶段硫含量，使得既可以满足氧含量的要求，同时达到抑制夹杂物液态化及CaS生成的目的，使最终夹杂物的去除效果十分显著。

本发明通过以下技术方案来实现：

中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法，其适用钢种成分：C 0.40-0.60％，Si 0.20-0.50％，Mn 0.50-1.80％，S 0.010-0.035％，V 0.010-0.300％，N 0.010-0.020％。

中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法：铁水经过转炉或电炉初炼，出钢过程添加脱氧剂及合金；LF精炼进行造渣、脱氧，并调整钢液中成分至目标值；真空脱气处理后，向钢液中喂入氮锰线、硫磺包芯线；喂线结束后软搅拌，然后连铸成铸坯。

具体步骤为：

(1)转炉或电炉冶炼

出钢过程先后加入脱氧剂铝饼、硅锰合金、硅铁合金、钒铁或钒氮合金、增碳剂及石灰+化渣剂；电炉或转炉出钢时不添加含S合金，严禁初炼氧化性渣进入钢包，控制出钢S含量≤0.025％。

(2)LF精炼

LF前期根据初样检测结果微调钢液成分，将Al含量一次性调整至0.015-0.035％，后续精炼过程不再次调整铝含量，精炼过程控制S含量≤0.010％即可，LF精炼过程控制炉渣SiO₂含量10～15％，CaO/Al₂O₃≤1.7，(FeO+MnO)≤1％，钢包耐材使用镁碳质；精炼时间控制在≤50min。

(3)RH真空脱气

真空处理过程，高真空(≤133Pa)时间≥25min，破空后取样检测成分，根据钢液中S、N含量喂入氮锰线、硫磺线，软搅拌5min后上钢浇铸，得铸材。

本发明全程不进行钙处理，仍能保证钢液的可浇性好。因为对含铝含硫钢来说，钙处理获得液态夹杂物的区域非常窄，钙处理的效果经常不好，而通过本发明的条件优化，不采用钙处理，钢液可浇性优于钙处理。

通过本发明的方法，可以将中碳含硫铝脱氧非调质钢中Ds夹杂稳定控制在0.5级以下，对B类、D类夹杂也可起到控制效果，可稳定控制在0.5级以内；并且产品氧含量可控制在10ppm以下。

本发明的技术方案原理和有益效果为：

(1)优化炉渣及钢液成分，抑制液态夹杂物及CaS的生成，并满足产品对于O的要求(≤10ppm)。含铝钢炉渣成分主要包含CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO，MgO主要通过炉衬侵蚀或渣料中带入，传统工艺一般通过降低精炼渣的二元碱度即CaO/SiO₂减少炉渣向钢液的传Ca量，以此降低液态夹杂物的比例，但SiO₂的增加会提高钢液中氧的含量，不利于氧的控制，此外炉渣未考虑Al₂O₃的影响。本发明综合考虑炉渣平衡氧含量及硫容量，合理设计炉渣CaO、SiO₂、Al₂O₃三元组成，并进一步控制精炼钢液中S含量≤0.010％，即控制了炉渣传Ca量，又抑制了CaS的生成。此外，钢液中含有少量的S还可以促进RH过程夹杂物的去除效率。

(2)钢液中镁的存在，可以促进夹杂物向固态转变，炉渣中氧化镁及炉衬中的氧化镁都可以向钢液中传递镁元素，因此使用镁碳质耐材钢包有利于夹杂物的转变。

(3)RH搅拌效果强，夹杂物去除效果好，尤其对于固态氧化物去除效率高，因此将夹杂物去除放在RH阶段，提高搅拌时间在25min以上，大尺寸夹杂物基本去除，后续软吹阶段可省略，相较传统的RH真空处理(15min以上)+软吹处理(20min以上)并不影响生产节奏。

(4)本发明在精炼钢液中硫含量控制在0.010％以下即可达到控制夹杂物的效果，无需进一步控低硫增加初炼炉负担，也避免了精炼过程钢液中硫含量较高影响夹杂物的去除效果。所以硫含量控制在0.01％以下是经过大量实验优选后的结果。精炼过程炉渣成分控制到多少、钢液中硫含量控制到多少，对保证LF精炼过程夹杂物的改质效果有重要影响。

(5)对于含铝含硫钢而言，由于液态夹杂物的生成窗口非常窄，再加上钙收得率的不稳定，钙处理常常达不到提高钢液可浇性的效果，而本发明不进行钙处理，不仅可以提高夹杂物去除效率，提高钢的洁净度，而且相较钙处理可以更能保证钢液的可浇性。

附图说明

图1为实施例1精炼结束夹杂物的形貌；

图2为对比例1精炼结束夹杂物的形貌；

图3为对比例2精炼结束夹杂物的形貌；

图4为实施例与对比例的浇注过程塞棒及结晶器液面曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于所述内容。本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

本实例以含硫S45C轴类用非调质钢的生产过程予以说明本发明对Ds类夹杂物的实际控制效果，其中未具体说明的内容均为含硫S45C常规冶炼工艺。

成分为：C 0.46％,Si 0.25％,Mn 0.81％,S 0.028％,Al 0.018％，O 7.2ppm

(1)转炉冶炼：转炉出钢量130t，出钢C含量0.08％、S含量0.020％，出钢先后加入脱氧剂铝饼1.0kg/t、硅锰合金、硅铁合金、钒铁合金、增碳剂及500kg石灰+300kg化渣剂。

(2)LF精炼：通电化渣，取初样测钢液成分，调整铝含量至0.040％，不允许精炼后期继续调Al；渣面扩散脱氧，炉渣成分如表1所示；钢液S含量0.007％，钢包耐材使用镁碳质，精炼时间49min。

(3)RH真空脱气：真空处理过程，高真空(≤133Pa)时间35min，破空后取样检测成分，喂入氮锰线、硫磺线，软搅拌5min后上钢浇铸。

实施例1在降低Ds的同时，B类、D类夹杂均可以稳定控制在0.5级以内；全程无钙处理，可连续浇注10炉以上炉钢，可浇性好，如图4所示。且氧含量也稍有降低。

对比例1

对比例1的精炼渣成分控制与实施例1不同，其余操作与实施例1实质相同。

成分：C 0.45％,Si 0.26％,Mn 0.80％,S 0.025％,Al 0.020％，O 8.1ppm

(1)转炉冶炼：转炉出钢量130t，出钢C含量0.09％，出钢先后加入脱氧剂铝饼1.0kg/t、硅锰合金、硅铁合金、钒铁合金、增碳剂及700kg石灰+500kg化渣剂。

(2)LF精炼：通电化渣，取初样测钢液成分，调整铝含量至0.040％，不允许精炼后期继续调Al；渣面扩散脱氧，炉渣成分如表1所示；钢液S含量0.008％；精炼时间54min。

(3)RH真空脱气：真空处理过程，高真空(≤133Pa)时间30min，破空后取样检测成分，喂入氮锰线及硫磺线，软搅拌5min后上钢浇铸。

对比例1中，降低Ds效果要明显差于实施例1，B类、D类的控制效果同样差于实施例1。

对比例2

对比例2中LF精炼控制钢液S含量0.030％，其余操作与实施例1实质相同。

成分：C 0.45％,Si 0.25％,Mn 0.80％,S 0.030％,Al 0.025％，O 12.3ppm。

(1)转炉冶炼：转炉出钢量130t，出钢C含量0.05％，出钢先后加入脱氧剂铝饼1.0kg/t、硅锰合金、硅铁合金、钒铁合金、硫铁合金、增碳剂及500kg石灰+300kg化渣剂。

(2)LF精炼：通电化渣，取初样测钢液成分，调整铝含量至0.040％，不允许精炼后期继续调Al；渣面扩散脱氧，炉渣成分如表1所示；钢液S含量0.030％；精炼时间60min。

(3)RH真空脱气：真空处理过程，高真空(≤133Pa)时间32min，破空后取样检测成分，喂入氮锰线及硫磺线，软搅拌5min后上钢浇铸。

从图2可知，对比例2得到CaS包覆在固态夹杂物，不利于固态夹杂物去除。

对比例2中的B类、D类及Ds、氧含量效果明显差于实施例1；全程无钙处理，仅可以连续浇注6-7炉钢，且浇铸过程液面波动大，如图4所示。

精炼终渣成分如表1所示，精炼结束典型夹杂物形貌如图1至图4所示，轧材评级如表2所示。

实施例中精炼末期夹杂物主要为镁铝尖晶石及少量的镁铝尖晶石+钙铝酸盐相，这些相在后续的RH真空处理中去除率高，轧材Ds评级大部分为0级，少量存在0.5级。

对比例1中夹杂物多为钙铝酸盐液态相，真空过程去除率较低，轧材Ds评级发现1.0级甚至1.5级。

对比例2中由于精炼过程钢液中S含量控制较高，夹杂物外围包裹CaS，真空过程去除率相对较低，轧材Ds评级存在1.0级。

表1精炼渣成分(部分)

	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO	CaO/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	(FeO+MnO)
							实施例	48.09	10.33	31.86	6.26	1.50	0.6
对比例1	52.10	7.03	25.39	4.99	2.05	0.5
							对比例2	46.16	11.58	29.33	6.84	1.57	0.8

表2轧材中Ds及B、D类夹杂评级结果

Claims

1.一种中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法，其特征在于，所述的控制方法为：

（1）转炉或电炉冶炼

控制出钢S含量≤0.025%，且电炉或转炉出钢时不添加含S合金；

（2）LF精炼

LF前期根据初样检测结果调整钢液成分，将Al含量一次性调整至0.015-0.035%，后续精炼过程不再次调整铝含量；

LF精炼过程控制炉渣SiO₂含量10~15%，CaO/Al₂O₃≤1.7，(FeO+MnO)≤1%；钢液中S含量≤0.010%；

步骤（2）所述的LF精炼的钢包耐材使用镁碳质；精炼时间控制在≤50min；

（3）RH真空脱气

真空处理过程，高真空搅拌处理25min以上，破空后取样检测成分，根据钢液中S、N含量喂入氮锰线、硫磺线，全程无需钙处理，软搅拌后上钢浇铸，得铸材；最终控制中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物, 同时满足产品对于O及S的要求；

所述中碳含硫铝脱氧非调质钢成分：C 0.40-0.60%，Si 0.20-0.50%，Mn 0.50-1.80%，S0.010-0.035%，V 0.010-0.300%，N 0.010-0.020%。

2.如权利要求1所述的中碳含硫铝脱氧非调质钢Ds夹杂物的控制方法，其特征在于：出钢过程很据目标含量加入脱氧剂铝饼、硅锰合金、硅铁合金、钒铁或钒氮合金、增碳剂及石灰和化渣剂。