CN111485062A - 一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其工艺生产步骤为：采用转炉吹炼→LF钢包精炼→RH真空处理→弧形连铸机浇铸。转炉出钢过程中钢水进行铝强脱氧、增碳、合金化及造渣；精炼过程升温、成分微调，分阶段底吹搅拌控制、渣面脱氧、钢水沉淀脱氧，控制过程铝含量在0.030%～0.045%；钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持20～30min；钢水静置软吹；弧形连铸机保护浇铸。本发明通过钢水初期铝强脱氧，精炼过程扩散和沉淀脱氧，钢水高铝含量，造高碱度精炼炉渣，钢水RH高真空循环处理，可获得高纯净度60Si2Mn弹簧钢，且该生产步骤少，使用单一沉淀脱氧方式，生产成本低。

Description

一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法
技术领域
本发明属于合金钢冶炼技术领域，涉及合金钢中弹簧钢的冶炼，特别涉及一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法。
背景技术
随着弹簧高应力化发展，弹簧钢将在更高硬度水平下使用，非金属夹杂物对弹簧钢疲劳性能的影响更加突出。且弹簧钢的强度越高，非金属夹杂物对疲劳性能的影响越敏感，因此在弹簧钢冶炼过程中，需严格控制夹杂物的数量、尺寸。
国内外开展了许多弹簧钢夹杂物控制工艺的研究：
公开号为CN 107747060 A的中国专利提供一种高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，该方法采用LF-VD生产工序，先造高碱度再造低碱度精炼渣系进行冶炼。该方法造渣工艺繁琐，生产成本高；
公开号为CN 101748243 A的中国专利提供一种制备弹簧钢的方法，冶炼过程要采用碳化物氧剂、铝线脱氧等三种脱氧方式，精炼过程不再加铝，脱氧剂使用多样繁杂；
论文《Characteristics analysis of inclusion of 60Si2Mn–Cr springsteel viaexperiments and thermodynamic calculations》、《超低氧弹簧钢60Si2MnA精炼过程夹杂物的研究》等，均采用硅、锰和铝复合脱氧同时钙处理生产弹簧钢，最终钢中全氧含量10ppm左右。
上述公布的生产方法可以看出，弹簧钢基本采用铁水脱硫+转炉+LF+VD生产工艺路线，进行硅、铝复合脱氧，造低碱度精炼渣工艺，或者铝脱氧，造碱度1~4的精炼渣和钙处理工艺。生产的弹簧钢，钢中全氧含量高（>9ppm），钢中为钙铝硅系或者不可变形的钙铝夹杂物含量高，夹杂物平均尺寸偏大，钢水洁净度偏低，影响弹簧局部区域的疲劳性能；这些生产控制方法工艺路线多，脱氧造渣制度多样，使用价格昂贵的特殊合金，导致生产控制不稳定，最终产品质量波动大，以及生产成本高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，本发明的制备方法采用单一铝强脱氧，电石渣面脱氧，生产初期石灰和预熔精炼渣一次造渣，精炼过程不再补加渣料二次造渣，无钙处理，生产工艺简单、不复杂，杜绝钢水二次污染，保证钢水纯净度和低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，包括以下步骤：
1）使用较低硫铁水和普通废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢过程中钢水进行脱氧、增碳、合金化及造渣；
2）钢水精炼过程升温、合金化，分阶段控制底吹搅拌，不补加渣料，仅采用渣面脱氧，使用铝脱氧剂进行钢水沉淀脱氧，控制过程w([Al])= 0.030%～0.045%，精炼终点w([S])<0.005%；
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持20 min～30min，RH破空后直接进行软吹，软吹时间在15 min～30min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
进一步的，步骤1）中所述脱氧为：出钢量≤50t，加入0.5kg/t～1.0kg/t纯度为99.9%铝饼进行钢水沉淀脱氧，并保证精炼到站w([Al])= 0.015%～0.040%。
进一步的，步骤1）中所述增碳、合金化为：脱氧结束，使用普通增碳剂，普通硅铁合金、硅锰、高碳锰铁、铬铁合金等对钢水进行初步合金化。
进一步的，步骤1）中，所述合金化结束后，钢水出钢结束前，使用石灰和预熔精炼渣按照1:1比例进行造渣，石灰用量5.0～7.0kg/t，使精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=4.0～6.0、w(Al2O3)= 23%～27%。
进一步的，所述预熔精炼渣由以下质量百分比成分组成：CaO=45%～55%、SiO2≤10%、MgO=4%～10%、Al2O3=25%～40%。
进一步的，步骤2）中所述分阶段控制底吹搅拌的过程为，精炼前期升温时底吹搅拌氩气流量300 NL/min～600NL/min，精炼中期升温时底吹搅拌氩气流量100 NL/min～250NL/min，合金化时底吹搅拌氩气流量200 NL/min～400NL/min，精炼中后期底吹搅拌氩气流量50 NL/min～200NL/min。
进一步的，步骤2）中，所述渣面脱氧时，使用电石进行渣面扩散脱氧，以及铝饼沉淀脱氧。
进一步的，所述电石用量为0.5 kg/t～1.0kg/t，所述铝饼用量为0.15 kg/t～0.35kg/t。
进一步的，所述步骤2）的精炼终渣高碱度渣系，精炼终渣中w(CaO)/ w(SiO2)=4.5～6.5、w(CaO)/ w(MgO)=7.5～9.5、w(Al2O3)= 25%～30%、w(TFe+ MnO) <1.0%。
本发明的进一步改进方案为：
按照上述冶炼方法制得的60Si2Mn弹簧钢，其化学成分质量百分比为：C 0.56%~0.64%、Si 1.70%~1.90%、Mn 0.70%~0.90 %、Cr 0.15%~0.30%、Al 0.015%~0.045%、P≤0.015%、S≤0.005%、Ni≤0.010%、Cu≤0.008%、V≤0.010%、Ti≤0.010%，其余为Fe。
本发明的有益效果为：
本发明在不采取铁水预脱硫前提下，通过使用钢水强脱氧，精炼过程电石渣面脱氧，造高碱度和w(TFe+ MnO) <1.0%的精炼渣系，精炼升温过程较高底吹氩流量，可使钢中硫含量脱至<0.005%。降低了冶炼工序生产成本。
本发明的钢水采用铝强脱氧，控制过程w([Al])= 0.030%～0.045%，改变传统的低铝和复合脱氧工艺控制思路，可用普通硅铁、锰铁合金代替价格昂贵的低铝硅铁和金属锰等合金，降低生产制造成本。
本发明保证精炼过程沉淀和扩散脱氧同步进行，达到降低钢水氧含量，合理的底吹搅拌，促进夹杂上浮去除。以及钢水通过RH长时间在真空室内循环和软吹静置，进一步降低钢中夹杂物。控制夹杂物为细小、弥散分布的镁铝系复相夹杂物。
本发明采用单一铝强脱氧，电石渣面脱氧，生产初期石灰和预熔精炼渣一次造渣，精炼过程不再补加渣料二次造渣，无钙处理。此生产工艺简单、不复杂，杜绝钢水二次污染，保证钢水纯净度和低生产成本。
本发明的冶炼方法可将钢水纯净度控制在如下水平：钢中T.O在4～7ppm；A类硫化物0～0.5级、B类氧化物0～0.5级、C类氧化物0级、D类氧化物0～0.5级、DS类0～0.5级，氧化物类夹杂物均为镁铝系复相夹杂物。
附图说明
图1为实施例1制得的弹簧钢夹杂物形貌及能谱；
图2为实施例2制得的弹簧钢夹杂物形貌及能谱；
图3为实施例3制得的弹簧钢夹杂物形貌及能谱；
图4为对比例1制得的弹簧钢夹杂物形貌及能谱。
具体实施方式
实施例1
1）使用w([S])= 0.030%铁水和普通废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢量25t～35t，加入0.5kg/t纯度为99.9%铝饼进行钢水沉淀脱氧；加入铝饼脱氧结束后，使用普通增碳剂，普通硅铁合金、硅锰、高碳锰铁、铬铁合金进行钢水初步合金化；合金化结束后，钢水出钢结束前，同时加入石灰和精炼渣各6.5kg/t。
精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=5.5、w(Al2O3)= 25.3%；精炼到站w([Al])=0.019%。
2）钢水精炼过程，前期升温时底吹搅拌氩气流量400 NL/min～600NL/min，精炼中期升温时底吹搅拌氩气流量200 NL/min～300NL/min，合金化时底吹搅拌氩气流量400NL/min，精炼中后期底吹搅拌氩气流量100 NL/min～150NL/min。精炼前期使用普通合金进行钢水成分调整。精炼过程使用电石1.0kg/t渣面脱氧，使用铝饼0.35kg/t进行钢水沉淀脱氧。
过程钢水w([Al])= 0.040%～0.045%，精炼终点w([S])=0.004%；精炼终渣w(CaO)/ w(SiO2)=6.0、w(CaO)/ w(MgO)=8.4、w(Al2O3)= 28.6%、w(TFe+ MnO) =0.89%。
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持25min。RH破空后直接进行软吹，软吹时间20min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
通过步骤1）～步骤4）所得的钢，钢中T.O在5.5ppm；A类硫化物0～0.5级、B类氧化物0～0.5级、C类氧化物0级、D类氧化物0～0.5级、DS类0～0.5级，氧化物类夹杂物均为镁铝系复相夹杂物。
实施例2
1）使用w([S])= 0.020%铁水和普通废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢量25t～30t，加入0.8kg/t纯度为99.9%铝饼进行钢水沉淀脱氧；加入铝饼脱氧结束后，使用普通增碳剂，普通硅铁合金、硅锰、高碳锰铁、铬铁合金进行钢水初步合金化；合金化结束后，钢水出钢结束前，加入石灰和精炼渣各5.5kg/t。
精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=4.9、w(Al2O3)= 24.6%；精炼到站w([Al])=0.029%。
2）钢水精炼过程，前期升温时底吹搅拌氩气流量300 NL/min～450NL/min，精炼中期升温时底吹搅拌氩气流量150 NL/min～250NL/min，合金化时底吹搅拌氩气流量300 NL/min，精炼中后期底吹搅拌氩气流量50 NL/min～100NL/min。精炼前期使用普通合金进行钢水成分调整。精炼过程使用电石0.78kg/t渣面脱氧，使用铝饼0.22kg/t进行钢水沉淀脱氧。
过程钢水w([Al])= 0.035%～0.040%，精炼终点w([S])=0.003%；精炼终渣w(CaO)/ w(SiO2)=5.3、w(CaO)/ w(MgO)=8.3、w(Al2O3)= 28.4%、w(TFe+ MnO) =0.77%。
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持25min。RH破空后直接进行软吹，软吹时间在25min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
通过步骤1）～步骤4）所得的钢，钢中T.O在5.0ppm；A类硫化物0～0.5级、B类氧化物0级、C类氧化物0级、D类氧化物0.5级、DS类0级，氧化物类夹杂物均为镁铝系复相夹杂物。图2为实施例2生产出的轧材中夹杂物形貌及能谱，由图2可以看出，实施例2生产出的弹簧钢纯净度最好。
实施例3
1）使用w([S])= 0.025%铁水和普通废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢量35t～40t，加入1.0kg/t纯度为99.9%铝饼进行钢水沉淀脱氧；加入铝饼脱氧结束后，使用普通增碳剂，普通硅铁合金、硅锰、高碳锰铁、铬铁合金进行钢水初步合金化；合金化结束后，钢水出钢结束前，加入石灰和精炼渣各5.0kg/t。
精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=4.2、w(Al2O3)= 26.5%；精炼到站w([Al])=0.035%。
2）钢水精炼过程，前期升温时底吹搅拌氩气流量450 NL/min～500NL/min，精炼中期升温时底吹搅拌氩气流量200 NL/min～300NL/min，合金化时底吹搅拌氩气流量350NL/min，精炼中后期底吹搅拌氩气流量150 NL/min～200NL/min。精炼前期使用普通合金进行钢水成分调整。精炼过程使用电石0.5kg/t渣面脱氧，使用铝饼0.15kg/t进行钢水沉淀脱氧。
过程钢水w([Al])= 0.030%～0.040%，精炼终点w([S])=0.0045%；精炼终渣w(CaO)/ w(SiO2)=4.6、w(CaO)/ w(MgO)=8.5、w(Al2O3)= 29.2%、w(TFe+ MnO) =0.93%。
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持25min。RH破空后直接进行软吹，软吹时间在23min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
通过步骤1）～步骤4）所得的钢，钢中T.O在6.2ppm；A类硫化物0～0.5级、B类氧化物0～0.5级、C类氧化物0级、D类氧化物0～0.5级、DS类0～0.5级，氧化物类夹杂物均为镁铝系复相夹杂物。
对比例1
1）采用脱硫铁水（w([S])= 0.003%）和优质废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢量<20t，加入15kg/t低铝硅铁进行钢水脱氧；脱氧结束后，使用低氮增碳剂，金属锰、低碳铬铁合金进行钢水初步合金化；合金化结束后，钢水出钢结束前，加入石灰7.0kg/t。
精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=3.4、w(Al2O3)=4.8%；精炼到站w([Al])= 0.002%。
2）钢水精炼前期使用金属锰、低铝硅铁、低碳铬铁等合金进行钢水成分调整。精炼过程使用碳化硅1.5kg/t进行渣面脱氧，补加1.2kg/t石灰和1.1kg/t石英砂，进一步降低炉渣碱度。控制过程钢水w([Al]) ≤0.005%。精炼终点w([S])=0.007%；精炼终渣w(CaO)/ w(SiO2)=2.6、w(Al2O3)=4.0%、w(TFe+ MnO) =1.19%。
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持25min。RH破空后直接进行软吹，软吹时间在20min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
通过步骤1）～步骤4）所得的钢，钢中T.O在10.1ppm；A类硫化物0.5～1.0级(max1.5级)、B类氧化物0.5～1.0级(max2.0级)、C类氧化物0级、D类氧化物0.5～1.0级、DS类0.5～1.0级，氧化物类夹杂物为钙铝硅系复相夹杂物。此工艺方法下生产的弹簧钢全氧量较高，夹杂物尺寸大。
图1～图4分别为本发明实施例1～3以及对比例1制得的弹簧钢的夹杂物形貌及能谱，由图1～图4可以看出，实施例1～3，采用铝强脱氧、一次造较高碱度精炼炉渣、使用价格低廉的普通合金、精炼过程合理的底吹流量搅拌等工艺方法生产的弹簧钢，可以达到超低氧含量，夹杂物为细小、弥散的镁铝尖晶石，钢材纯净度高。
而使用对比例1的方法生产的弹簧钢，需进行铁水脱硫，多次造渣，达到低碱度精炼炉渣冶炼，使用价格贵的合金，多措施来控制钢水低铝含量。该方法生产工序增加，脱氧造渣方式复杂，铝和硫成分控制难度大，成本高。且最终钢材氧含量相比略高，钢中有较大尺寸的非金属夹杂物，钢的纯净度相比较差。

Claims (10)

1.一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）使用较低硫铁水和普通废钢作为原料，采用顶底复吹转炉冶炼，出钢过程中钢水进行脱氧、增碳、合金化及造渣；
2）钢水精炼过程升温、合金化，分阶段控制底吹搅拌，不补加渣料，仅采用渣面脱氧，使用铝脱氧剂进行钢水沉淀脱氧，控制过程w([Al])= 0.030%～0.045%，精炼终点w([S])<0.005%；
3）钢水经过RH真空处理，真空≤100pa状态下保持20 min～30min，RH破空后直接进行软吹，软吹时间在15 min～30min；
4）软吹结束，钢水吊运到连铸进行连续浇铸成坯。
2. 根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：步骤1）中所述脱氧为：出钢量≤50t，加入0.5kg/t～1.0kg/t纯度为99.9%铝饼进行钢水沉淀脱氧，并保证精炼到站w([Al])= 0.015%～0.040%。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：步骤1）中所述增碳、合金化为：脱氧结束，使用普通增碳剂，普通硅铁合金、硅锰、高碳锰铁、铬铁合金等对钢水进行初步合金化。
4. 根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：步骤1）中，所述合金化结束后，钢水出钢结束前，使用石灰和预熔精炼渣按照1:1比例进行造渣，石灰用量5.0～7.0kg/t，使精炼初期炉渣w(CaO)/ w(SiO2)=4.0～6.0、w(Al2O3)= 23%～27%。
5.根据权利要求4所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：所述预熔精炼渣由以下质量百分比成分组成：CaO=45%～55%、SiO2≤10%、MgO=4%～10%、Al2O3=25%～40%。
6. 根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：步骤2）中所述分阶段控制底吹搅拌的过程为，精炼前期升温时底吹搅拌氩气流量300 NL/min～600NL/min，精炼中期升温时底吹搅拌氩气流量100 NL/min～250NL/min，合金化时底吹搅拌氩气流量200 NL/min～400NL/min，精炼中后期底吹搅拌氩气流量50 NL/min～200NL/min。
7.根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：步骤2）中，所述渣面脱氧时，使用电石进行渣面扩散脱氧，以及铝饼沉淀脱氧。
8. 根据权利要求7所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：所述电石用量为0.5 kg/t～1.0kg/t，所述铝饼用量为0.15 kg/t～0.35kg/t。
9. 根据权利要求1所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤2）的精炼终渣高碱度渣系，精炼终渣中w(CaO)/ w(SiO2)=4.5～6.5、w(CaO)/ w(MgO)=7.5～9.5、w(Al2O3)= 25%～30%、w(TFe+ MnO) <1.0%。
10.按照权利要求1至9任意一项所述的一种低成本高纯净60Si2Mn弹簧钢的冶炼方法制得的60Si2Mn弹簧钢，其特征在于，所述60Si2Mn弹簧钢化学成分质量百分比为：C 0.56%~0.64%、Si 1.70%~1.90%、Mn 0.70%~0.90 %、Cr 0.15%~0.30%、Al 0.015%~0.045%、P≤0.015%、S≤0.005%、Ni≤0.010%、Cu≤0.008%、V≤0.010%、Ti≤0.010%，其余为Fe。
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