CN111778379B

CN111778379B - 含硫钢中硫化物的控制工艺

Info

Publication number: CN111778379B
Application number: CN202010487638.8A
Authority: CN
Inventors: 刘乐东; 许晓红; 白云; 黄镇; 陈德
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2040-06-02
Also published as: CN111778379A

Abstract

本发明涉及一种含硫钢中硫化物的控制工艺，包括(1)钢水在浇铸前进行变性处理，变性剂的主要成分为Fe‑Mn‑Ti‑Zr，以复合包芯线的形式喂入钢水中，变性剂的添加量按照Zr/S质量比0.014‑0.018计算，以此形成以(Zr、Ti)S为核心MnS为包层具有延展性的纺锤、球状复合类硫化夹杂物〔Mn(Zr、Ti)S〕；(2)钢水以连铸的方式浇铸成坯，根据钢水中的硫含量S，设计采用M结晶器电磁搅拌、S铸流电磁搅拌、F末端电磁搅拌中的一项或多项，连铸过程中复合类硫化物在不同搅拌力作用下被进一步破碎，使其尺寸进一步变小和分布；(3)连铸坯热轧成材，热轧过程中确保坯材压延比≥10:1。本发明可以将硫化夹杂物控制成在钢中横向呈点状、纵向呈断续条状分布。

Description

含硫钢中硫化物的控制工艺

技术领域

本发明涉及铁基合金中硫化物的控制工艺。

背景技术

汽车零部件切削加工的高速、精密和自动化程度的不断提高对材料的可切削性能提出了更高的要求，含硫钢因其优良的切削性能而得到广泛应用。

硫在钢中主要以硫化夹杂物形式存在，由于钢中通常含有一定量的Mn元素，Mn是与S亲和力最强的元素，因此钢中的S常以MnS形式存在，硫化夹杂物的控制也就是MnS的控制。由于MnS是塑性夹杂，可在后续轧制过程中沿轧制方向随钢基体一起变形而呈条带状、聚集分布，原位观察表明这会导致钢的各向异性，尤其是横向性能，条带状MnS在横向力作用下与基体更容易发生分离，分离处将成为裂纹源，并促使裂纹沿MnS扩展。而纺锤、球状形态且弥散、均匀分布的硫化夹杂物不会有上述危害影响。

硫化夹杂物的控制技术是目前热门研究课题。目前，硫化夹杂物的形态控制方法，包括钙合金、镁合金、稀土合金、复合合金变性剂和氧化物冶金等变性处理工艺，或者控制还不稳定、或者效果还不是很理想。

发明内容

本发明通过研究不同工艺条件下氧化夹杂物和硫化夹杂物的变性机理以及热力学计算在凝固过程中MnS析出规律，设计变性剂/硫元素的合理比值和轧制变形过程，以此获得纺锤、球状形态且弥散、均匀分布的硫化夹杂物，减弱了MnS析出物对钢材使用性能的不利影响，保证了钢材的使用性能。

本发明的技术方案为：一种含硫钢中硫化物的控制工艺，包括如下控制工序

(1)钢水在浇铸前进行变性处理，变性剂的主要成分为Fe-Mn-Ti-Zr，其中Ti/Zr质量比为2.5。

以复合包芯线的形式喂入钢水中，变性剂的添加量按照Zr/S质量比0.014-0.018计算，以此形成以(Zr、Ti)S为核心MnS为包层具有延展性的纺锤、球状复合类硫化夹杂物〔Mn(Zr、Ti)S〕；

(2)钢水以连铸的方式浇铸成坯，根据钢水中的硫含量S，设计采用M结晶器电磁搅拌、S铸流电磁搅拌、F末端电磁搅拌中的一项或多项，连铸过程中〔Mn(Zr、Ti)S〕复合类硫化物在不同搅拌力作用下被进一步破碎，使其尺寸进一步变小和均匀分布；

(3)连铸坯热轧成材，热轧过程中确保坯材压延比≥10:1。

具体地，控制工序(2)中，对于0.010％≤S＜0.045％，使用M结晶器电磁搅拌+F末端电磁搅拌，通常设置M搅拌频率在2-4Hz、搅拌电流在100-150A，F搅拌频率在18-20Hz、搅拌电流在350-400A；对于0.045％≤S≤0.090％，使用M结晶器电磁搅拌、S铸流电磁搅拌、F末端电磁搅拌，通常设置M搅拌频率在2-4Hz、搅拌电流在100-150A，S搅拌频率在8-10Hz、搅拌电流在200-250A，F搅拌频率在18-20Hz、搅拌电流在350-400A；

具体地，控制工序(3)中，对于不同规格尺寸的圆钢，使用不同产线的轧机进行轧制，轧制通常分为粗、中、精轧3个部分，其中粗轧为往复式，中/精轧为连续式，通过控制工序(3)的轧制方式，使得具有一定延展性的〔Mn(Zr、Ti)S〕复合硫化物进一步被拉长、细化、碎断和均匀分布。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)采用Fe-Mn-Ti-Zr变性剂，在浇铸前，依据(Zr、Ti)和S的结合趋势大于Mn和S结合趋势，变性变性剂中的Ti、Zr优先在钢液结合S形成(Zr、Ti)S质点，控制Zr/S比在0.016左右，由此诱导MnS在(Zr、Ti)S质点外析出增长，形成以(Zr、Ti)S为核心MnS为包层具有一定延展性的纺锤、球状复合类硫化夹杂物，此时复合硫化夹杂物长度12-25um、厚度5-8um，长径比约为3.0。

(2)连铸过程中结合电磁搅拌，使钢液产生流动，均匀钢液中硫化夹杂物的分布，使其分散均匀，不偏聚、聚集。电磁搅拌涉及M结晶器+S铸流+F末端三道电磁搅拌，对于S含量小于0.045％的钢水，视情况可节省去S铸流阶段的电磁搅拌。

此外，本申请还设计了电磁搅拌的搅拌方向，其中M为单向旋转搅拌、S+F为顺/逆双向旋转搅拌。

(3)本申请进一步研究了热轧成材时，压延比对硫化夹杂物的影响。本申请发现控制压延比≥10:1，能够使复合类硫化夹杂物沿轧制方向进一步细化、碎断。

再来，关于轧制方式对最终硫化夹杂物的形态也有重要影响：就圆钢而言，在保证合理压延比条件下，轧制过程中随着不断的压延，能够使得具有一定延展性的〔Mn(Zr、Ti)S〕复合硫化物进一步被拉长、细化、碎断和均匀分布，同时轧制过程中不再有新的硫化夹杂物产生。最终圆钢中硫化夹杂物呈纺锤、球状形态，在钢中弥散、均匀分布。

依据上述方法可以将圆钢中硫化夹杂物控制成在钢中弥散、均匀分布，钢材横向呈点状、纵向呈断续条状分布，细系类硫化夹杂物更加趋于优势，即2-4um厚度的细系类硫化夹杂物占比＞85％、硫化夹杂物长径比可达≤5.0、硫化物的平均长度在6-20um。

附图说明

图1为本发明实施例2连铸坯心部区域横向硫化物夹杂物100×的金相图；

图2为本发明实施例2连铸坯心部区域横向硫化物夹杂物200×的金相图；

图3为本发明实施例2连铸坯心部区域纵向硫化物夹杂物100×的金相图；

图4为本发明实施例2连铸坯心部区域纵向硫化物夹杂物200×的金相图；

图5为本发明实施例1和对比例1的钢材心部区域纵向硫化夹杂物100×的金相对比图；

图6为本发明实施例1和对比例1的钢材心部区域纵向硫化夹杂物200×的金相对比图；

图7为本发明实施例2和对比例2的钢材心部区域纵向硫化夹杂物100×的金相对比图；

图8为本发明实施例2和对比例2的钢材心部区域纵向硫化夹杂物200×的金相对比图；

图9为本发明实施例和对比例中典型硫化夹杂物EPMA的对比图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例涉及一种0.015％硫含量钢材产品生产，其化学成分按质量百分比计：

0.47％C，0.25％Si，1.05％Mn，0.009％P，0.015％S，0.08％Cr，0.02％Ni，0.07％Cu，0.015％Al，0.07％V，0.002％Nb，0.015％Ti，0.01％Mo，0.012％N，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该0.015％硫含量钢材产品制造工艺流程为：EAF电炉→LF精炼炉→VD真空精炼炉→钢水变性处理(加入主要成分为Fe-Mn-Ti-Zr的复合包芯线70m、约0.12Kg/吨钢)→CCM连铸经(M结晶器+F末端，M搅拌频率在4Hz、搅拌电流在100A，F搅拌频率在20Hz、搅拌电流在350A，其中M为单向旋转搅拌、S+F为顺/逆双向旋转搅拌)EMS电磁搅拌连铸获得300mm厚度连铸坯→连铸坯带温装炉→连铸坯经1180℃加热、1.5h均热保温→18架轧机连续轧制(压延比14.8:1)→所需φ88mm规格尺寸最终钢材产品。

18架轧机连续轧制分成粗、中、精轧3个部分，每个部分各6架轧机，其中粗轧为往复式，中/精轧为连续式，各阶段的变形为粗轧67％、中轧17％、精轧10％

该0.015％硫含量钢材产品硫化夹杂物检验如图5-6所示，(纵向)硫化物从传统的条状、偏聚形态分布改变为纺锤、球状的弥散分布，按NF A04-108标准评定＜C型，细系类硫化夹杂物比例＞85％。

对比例1

作为对比，采用传统的工艺来生产实施例1相同规格的圆钢，传统工艺中钢水变性处理使用Ca-Si复合包芯线。

实施例2

本实施例涉及一种0.060％硫含量钢材产品生产，其化学成分按质量百分比计为：

0.38％C，0.58％Si，1.45％Mn，0.012％P，0.060％S，0.16％Cr，0.01％Ni，0.01％Cu，0.015％Al，0.0059％Ti，0.01％Mo，0.018％N，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该0.060％硫含量钢材产品制造工艺为：BOF电炉→LF精炼炉→RH真空精炼炉→钢水变性处理(加入主要成分为Fe-Mn-Ti-Zr的复合包芯线200m、约0.36Kg/吨钢)→CCM连铸经(M结晶器+S铸流+F末端，M搅拌频率在2.5Hz、搅拌电流在135A，S搅拌频率在8.5Hz、搅拌电流在240A，F搅拌频率在18Hz、搅拌电流在350A，其中M为单向旋转搅拌、S+F为顺/逆双向旋转搅拌)EMS电磁搅拌连铸获得390mm厚度连铸坯→连铸坯冷装炉→连铸坯经1220℃一次加热、2.5h均热保温→往复式轧制出300mm厚度中间坯→中间坯冷装炉→中间坯经1180℃二次加热、1.5h均热保温→18架轧机连续轧制(压延比16:1)→所需φ110mm规格尺寸最终钢材产品。

18架轧机连续轧制分成粗轧、中轧、精轧3个部分，每个部分各6架轧机，其中粗轧为往复式，中/精轧为连续式，各阶段的变形为粗轧67％、中轧15％、精轧9％

该0.060％硫含量连铸坯、钢材产品硫化夹杂物检验如图7-8所示，(纵向)硫化物从传统的条状、偏聚形态分布改变为纺锤、球状的弥散分布，按DIN 50602标准评定K4(S)＜10，细系类硫化夹杂物比例＞75％。

对比例2

作为对比，采用传统的变形工艺即使用Ca-Si复合包芯线对钢水变性处理，并以相同的轧制工艺生产与实施例2相同规格的圆钢。

本申请中硫化物的控制生产的圆钢(棒材)能够用于汽车发动机曲轴的生产，曲轴成品经1000A交变磁场、A1试片荧光磁粉探伤，磁痕缺陷发生比率大幅降低＜0.10％，满足终端用户需求，增强了客户满意度和市场占有率。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含硫钢中硫化物的控制工艺，其特征在于：包括如下控制工序

（1）钢水在浇铸前进行变性处理，变性剂的主要成分为Fe-Mn-Ti-Zr，以复合包芯线的形式喂入钢水中，变性剂的添加量按照Zr/S质量比0.014-0.018计算，以此形成以（Zr、Ti）S为核心MnS为包层具有延展性的纺锤、球状复合类硫化夹杂物〔Mn（Zr、Ti）S〕，复合硫化夹杂物长度12-25um、厚度5-8um；

（2）钢水以连铸的方式浇铸成坯，根据钢水中的硫含量S，设计采用M结晶器电磁搅拌、S铸流电磁搅拌、F末端电磁搅拌中的一项或多项，连铸过程中〔Mn（Zr、Ti）S〕复合类硫化物在不同搅拌力作用下被进一步破碎，使其尺寸进一步变小和分布；

（3）连铸坯热轧成材，热轧过程中确保坯材压延比≥10:1，轧制分为粗、中、精轧3个部分，其中粗轧为往复式，中/精轧为连续式，通过控制工序（3）的轧制方式，使得具有一定延展性的〔Mn（Zr、Ti）S〕复合硫化物进一步被拉长、细化、碎断和均匀分布。

2.根据权利要求1所述的含硫钢中硫化物的控制工艺，其特征在于：工序（1）中变性剂中Ti/Zr质量比为2.5。

3.根据权利要求1所述的含硫钢中硫化物的控制工艺，其特征在于：工序（2）中，

对于0.010%≤S＜0.045%，使用M结晶器电磁搅拌+F末端电磁搅拌，设置M搅拌频率在2-4Hz、搅拌电流在100-150A，F搅拌频率在18-20Hz、搅拌电流在350-400A；

对于0.045%≤S≤0.090%，使用M结晶器电磁搅拌、S铸流电磁搅拌、F末端电磁搅拌，设置M搅拌频率在2-4Hz、搅拌电流在100-150A，S搅拌频率在8-10Hz、搅拌电流在200-250A，F搅拌频率在18-20Hz、搅拌电流在350-400A，

其中M为单向旋转搅拌、S、F为顺/逆双向旋转搅拌。

4.根据权利要求1所述的含硫钢中硫化物的控制工艺，其特征在于：工序（3）中，对于不同规格尺寸的圆钢，使用不同产线的轧机进行轧制。