CN112029958A - 一种高品质弹簧钢及其精炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高品质弹簧钢及其精炼方法，涉及钢铁冶金技术领域，本发明所述方法采用高纯硅和金属锰脱氧，在LF精炼过程采用碱度为1.5～2.5的精炼渣脱硫，VD精炼过程采用碱度为0.8～1.0，Al2O3含量小于6％的精炼渣精炼钢水，能够很好地降低钢液中S含量并控制钢中Als含量小于0.0020％，从而改善弹簧钢中的夹杂物，进而提高其抗疲劳性能。

Description

一种高品质弹簧钢及其精炼方法
【技术领域】
本发明涉及钢铁冶金生产技术领域，尤其涉及一种高品质弹簧钢及其精炼方法。
【背景技术】
弹簧钢是汽车等很多机械行业用途广泛的重要机械零件，疲劳断裂往往是弹簧最主要的破坏形式。以汽车工业为例，随着轿车行业由普及型逐渐向中高档及家用轿车型方向转变，汽车发动机等设备正向着高速、高负荷、低能耗、低污染及轻量化发展，因而对汽车的关键零件弹簧的要求也越来越高。
弹簧钢质量与其化学成分、钢水洁净度(气体、有害元素、夹杂物)和铸坯质量(成分偏析、脱碳及其表面状况)密切相关。其中，弹簧钢中非金属夹杂物(种类、尺寸、分布等)是影响弹簧疲劳性能的重要因素，弹簧钢中非金属夹杂物主要包括硫化物和氧化物。现代超低氧高洁净度弹簧钢，随着硫含量的增加钢材使用寿命降低，为了获得稳定长久的疲劳寿命，须减少硫化物夹杂，因此，要严格控制钢中硫化物夹杂，具体控制方式为降低钢中硫含量；氧化物夹杂中对钢危害比较大的是含有大量Al2O3的不变形硬性夹杂物，而钢中酸溶铝(Als)含量直接影响夹杂物中Al2O3的含量。因此，氧化物夹杂的控制方式为控制钢中酸溶铝(Als)含量，进而控制钢中夹杂物的成分，使其具有较低的熔点和良好的塑性，从而提高弹簧钢的抗疲劳性能。
文献“Effect of al content on the evolution of non-metallic Inclusionsin Si-Mn Deoxidized steel”(Steel Research International,2016:87(9))指出，欲获得较好塑性化水平的夹杂物，需将钢中Als的质量百分含量控制在0.0020％以下，但是该文献采用碱度为2.0左右的精炼渣进行精炼，生产的弹簧钢中Als含量在0.0020％～0.0030％之间，使其夹杂物中有硬质核心存在，不益于夹杂物在钢材轧制过程中随钢材进行变形，降低了夹杂物塑性水平。
专利申请CN201510137575.2公开了一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其生产采用铝脱氧工艺。此工艺虽可以对钢液进行充分的脱氧，但是获得了大量的Al2O3夹杂物，此种夹杂物在钢材轧制过程中不变形，会破坏弹簧钢的抗疲劳性能。
文献“气门弹簧钢54SiCr6的冶炼和连铸工艺实践”(特殊钢，2015:36(4))记载了采用LF精炼渣碱度为0.5～0.8，通过“KR-BOF-LF-连铸-开坯-轧制”工艺进行生产，其缺点是精炼渣系碱度过低，基本不具有脱硫能力，需要通过增加铁水预处理与之配合，增加了生产的复杂程度，并且没有对钢水进行真空处理，易造成钢水在精炼过程中吸气。
专利申请201310681980.1公开了一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：(1)按无铝脱氧工艺进行冶炼：(2)转炉顶底复合吹炼；(3)Ar站吹氩处理；(4)LF钢包吹氩精炼；(5)真空处理；(6)浇注成方坯，经高线轧制工艺成线材。所述步骤(1)中，采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，控制钢液中的w[A1]<47×10-6、a[Ca]<1.5×10-9；所述步骤(2)中采用专用硅铁，LF精炼过程精炼渣碱度为0.7～2.0。这种生产工艺整个精炼过程精炼渣碱度变化不大，这会造成在使用较低碱度精炼渣(0.7～1.2)进行精炼时，精炼渣几乎没有脱硫效果；在使用较高碱度精炼渣(1.2～2.0)进行钢水精炼时，控制钢中Als<0.0020％比较困难，需要控制精炼渣中Al2O3的含量极低，这就需要确保耐火材料、合金料、渣料等辅助材料中Al元素含量极低，这无疑增加了生产难度，提高了生产成本。
专利申请201610260305.5公开了一种用于弹簧钢夹杂物控制的冶炼工艺，包括如下步骤：(1)电炉初炼；(2)吹氩；(3)LF炉精炼；(4)VD炉精炼；(5)连铸。所述步骤(1)中，电炉出钢过程中采用Si/Mn无铝脱氧工艺进行预脱氧，并同时加入活性石灰、复合剂和精炼渣；步骤(3)中，LF炉精炼前期采用Si/Mn无铝脱氧工艺和活性石灰，控制炉渣碱度在1.5～2.5；LF炉精炼中期加入精炼渣，精炼渣碱度控制在0.7～1.4；LF炉精炼全过程底吹氩气。这种冶炼工艺在LF中期降低了精炼渣碱度，采用碱度1.5～2.5的精炼渣精炼钢水时间较短(25min)，造成钢液脱硫效果不好；精炼渣碱度降低之后，将碱度控制在0.7～1.4之间，碱度范围较大，并且该生产工艺没有对精炼渣中Al2O3含量进行控制，如此控制很难准确控制钢液中Als含量小于0.0020％，这将导致Als含量过高、夹杂物塑性化水平下降，进而降低弹簧钢的抗疲劳性能。
因此，有必要研究一种高品质弹簧钢及其精炼方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种高品质弹簧钢及其精炼方法，本发明所述方法采用高纯硅和金属锰脱氧，在LF精炼过程采用碱度为1.5～2.5的精炼渣脱硫，VD精炼过程采用碱度为0.8～1.0，Al2O3含量小于6％的精炼渣精炼钢水，能够很好地降低钢液中S含量并控制钢中Als含量小于0.0020％，从而改善弹簧钢中的夹杂物，进而提高其抗疲劳性能。
一方面，本发明提供一种用于生产高品质弹簧钢精炼方法，所述方法包括如下步骤：
(1)出钢冶金，出钢过程中向钢包中加入合金进行脱氧合金化，并加入精炼渣料；
(2)LF炉精炼，在LF精炼过程中，向钢包中加入精炼渣料调整精炼渣碱度至目标范围，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入精炼渣料，调整精炼渣至目标精炼渣成分范围；
(4)VD炉真空精炼，在VD真空精炼过程中，不进行任何调整钢液成分的处理；
吹氩精炼，对钢水进行软吹氩气处理。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)和(2)中加入的合金包括高纯硅和金属锰。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(2)中LF炉的精炼时间在40～60min，精炼渣碱度目标范围为1.5～2.5，加入的脱氧料为电石。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(3)中目标精炼渣成分范围为碱度0.8～1.0，使Al2O3含量小于6％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(4)中VD真空精炼过程中，控制真空度小于70Pa，保持真空时间为10～20min。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(5)中软吹氩气处理钢水以不裸露钢液为准，软吹氩气时间为20～40min。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)、(2)和(4)中的精炼渣料包括活性石灰和河沙。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)-(4)中全程从钢包底部向钢水中吹入氩气。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所用氩气皆为工业用氩气，纯度为99.9％以上。
一种高品质弹簧钢，通过上述方法制备，所述高品质弹簧钢扭转疲劳寿命在500万次以上。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明的精炼方法中，LF精炼阶段精炼渣碱度过低将会导致精炼渣脱硫能力较低，不能对钢液进行充分脱硫，LF精炼过程精炼渣碱度过高则会额外增加活性石灰的消耗量，增加生产成本。VD精炼阶段，精炼渣碱度过高或者Al2O3的含量偏大，都将导致钢液中Als含量上升。当精炼渣碱度过低时，由于钢包采用碱性耐火材料，精炼渣碱度过低会增加耐火材料的消耗量，增加生产成本。本发明具有操作简单，可有效降低钢液中S含量并控制钢中Als含量小于0.0020％的特点。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是与CaO-Al2O3-SiO2-10％MgO精炼渣系平衡时钢液中Als含量的等值线图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明为解决高品质弹簧钢精炼过程同时控制钢中S和Als含量的问题，提出了一种高品质弹簧钢精炼方法，本方法采用高纯硅和金属锰脱氧，在LF精炼过程采用碱度为1.5～2.5的精炼渣脱硫，VD精炼过程采用碱度为0.8～1.0，Al2O3含量小于6％的精炼渣精炼钢水，能够很好地降低钢液中S含量并控制钢中Als含量小于0.0020％，从而改善弹簧钢中的夹杂物，进而提高其抗疲劳性能，其具体技术方案是：
一种弹簧钢的精炼方法，包括如下步骤：
(1)出钢冶金，出钢过程中向钢包中加入合金进行脱氧合金化，并加入精炼渣料；
(2)LF炉精炼，在LF精炼过程中，向钢包中加入精炼渣料以调整精炼渣碱度至目标范围，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调，脱氧并微调钢水成分至国家标准规定范围(GB/T 1222-2007)。
(3)精炼渣调整，向钢包中加入精炼渣料，调整精炼渣至目标精炼渣成分范围；
(4)VD炉真空精炼，在VD真空精炼过程中，不进行任何调整钢液成分的处理；
(5)吹氩精炼，对钢水进行软吹氩气处理。
优选地，所述步骤(1)和(2)中加入的合金为高纯硅和金属锰。
优选地，所述步骤(2)中LF炉的精炼时间在40～60min，精炼渣碱度目标范围为1.5～2.5，加入的脱氧料为电石；
优选地，所述步骤(3)中目标精炼渣成分范围为碱度0.8～1.0，使Al2O3含量小于6％。
优选地，所述步骤(4)中VD真空精炼过程中，控制真空度小于70Pa，保持真空时间为10～20min；
优选地，所述步骤(5)中软吹氩气处理钢水以不裸露钢液为准，软吹氩气时间为20～40min；
优选地，所述步骤(1)、(2)和(4)中的精炼渣料包括活性石灰和河沙；
优选地，所述步骤(1)-(4)中全程从钢包底部向钢水中吹入氩气；
优选地，所述步骤(1)-(5)所用氩气皆为工业用氩气，纯度为99.9％以上。
本发明的精炼方法中，LF精炼阶段精炼渣碱度过低将会导致精炼渣脱硫能力较低，不能对钢液进行充分脱硫，LF精炼过程精炼渣碱度过高则会额外增加活性石灰的消耗量，增加生产成本。VD精炼阶段，精炼渣碱度过高或者Al2O3的含量偏大，都将导致钢液中Als含量上升，精炼渣成分与钢中Als含量的关系如图1所示，该图为热力学计算软件Factsage7.1计算的与CaO-Al2O3-SiO2-10％MgO精炼渣系平衡时钢液中Als含量的等值线图，图1中，相图内部外圈的连贯实线曲线和不连贯的虚线曲线分别为精炼渣熔点为1673K和1873K的等值线，图1中部不连贯的虚线曲线分别为钢液中平衡的Als含量等值线，三条连贯直线分别表示精炼渣碱度为0.75、1.0和1.5的等碱度线。当精炼渣碱度过低时，由于钢包采用碱性耐火材料，精炼渣碱度过低会增加耐火材料的消耗量，增加生产成本。本发明具有操作简单，可有效降低钢液中S含量并控制钢中Als含量小于0.0020％的特点。
以下实施例中，无特别说明的情况下，百分数均为质量百分数。
实施例1
以弹簧钢55SiCrA生产为例说明：
(1)出钢冶金，在出钢量达到1/3后，向钢包中加入高纯硅和金属锰进行脱氧合金化，并向钢包中加入活性石灰和河沙进行造渣；
(2)LF炉精炼，向钢包中加入活性石灰和河沙调整精炼渣碱度至2.2，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入河沙和活性石灰，调整精炼渣碱度为0.9，Al2O3含量为4％；
(4)VD炉真空精炼，控制真空度为67Pa，保持真空时间15min；
(5)吹氩精炼，软吹氩气处理钢水25min。
实施例2
以弹簧钢55SiCrA生产为例说明：
(1)出钢冶金，在出钢量达到1/3后，向钢包中加入高纯硅和金属锰进行脱氧合金化，并向钢包中加入活性石灰和河沙进行造渣；
(2)LF炉精炼，向钢包中加入活性石灰和河沙调整精炼渣碱度至1.8，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入河沙和活性石灰，调整精炼渣碱度为0.9，Al2O3含量为5％；
(4)VD炉真空精炼，控制真空度为70Pa，保持真空时间15min；
(5)吹氩精炼，软吹氩气处理钢水25min。
实施例3
以弹簧钢55SiCrA生产为例说明：
(1)出钢冶金，在出钢量达到1/3后，向钢包中加入高纯硅和金属锰进行脱氧合金化，并向钢包中加入活性石灰和河沙进行造渣。
(2)LF炉精炼，向钢包中加入活性石灰和河沙调整精炼渣碱度至1.5，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入河沙和活性石灰，调整精炼渣碱度为0.8，Al2O3含量为3.5％；
(4)VD炉真空精炼，控制真空度为65Pa，保持真空时间15min；
(5)吹氩精炼，软吹氩气处理钢水25min。
对比例1
以弹簧钢55SiCrA生产为例说明：
(1)出钢冶金，在出钢量达到1/3后，向钢包中加入高纯硅和金属锰进行脱氧合金化，并向钢包中加入活性石灰和河沙进行造渣。
(2)LF炉精炼，向钢包中加入活性石灰和河沙调整精炼渣碱度至2.0，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入河沙和活性石灰，调整精炼渣碱度为1.8，Al2O3含量为8％；
(4)VD炉真空精炼，控制真空度为67Pa，保持真空时间15min；
(5)吹氩精炼，软吹氩气处理钢水25min。
对比例2
以弹簧钢55SiCrA生产为例说明：
(1)出钢冶金，在出钢量达到1/3后，向钢包中加入高纯硅和金属锰进行脱氧合金化，并向钢包中加入活性石灰和河沙进行造渣。
(2)LF炉精炼，向钢包中加入活性石灰和河沙调整精炼渣碱度至2.0，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入河沙和活性石灰，调整精炼渣碱度为0.9，Al2O3含量为8％；
(4)VD炉真空精炼，控制真空度为67Pa，保持真空时间15min；
(5)吹氩精炼，软吹氩气处理钢水25min。
本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2的成品S含量、Als含量如下表1所示：
Figure BDA0002634217690000131
表1
从上表中可以的得出，本发明所生产的高品质弹簧钢中S含量小于0.0080％，并钢中Als含量小于0.0020％,这有利于提高氧化物夹杂的塑性，降低硫化物夹杂的含量，有利于提高高品质弹簧钢的抗疲劳性，通过本发明所述方法生产高品质弹簧钢的扭转疲劳寿命在500万次以上。
以上对本申请实施例所提供的一种高品质弹簧钢及其精炼方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高品质弹簧钢的精炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)出钢冶金，出钢过程中向钢包中加入合金进行脱氧合金化，并加入精炼渣料；
(2)LF炉精炼，在LF炉精炼过程中，向钢包中加入精炼渣料调整精炼渣碱度至目标范围，向钢包中加入合金及脱氧料对钢液进行脱氧和成分微调；
(3)精炼渣调整，向钢包中加入精炼渣料，调整精炼渣至目标精炼渣成分范围；
(4)VD炉真空精炼，在VD炉真空精炼过程中，不进行任何调整钢液成分的处理；
(5)吹氩精炼，对钢水进行软吹氩气处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)和(2)中加入的合金包括高纯硅和金属锰。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中LF炉的精炼时间在40～60min，精炼渣碱度目标范围为1.5～2.5，加入的脱氧料为电石。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中目标精炼渣成分范围为碱度0.8～1.0，使Al2O3含量小于6％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中VD真空精炼过程中，控制真空度小于70Pa，保持真空时间为10～20min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中软吹氩气处理钢水以不裸露钢液为准，软吹氩气时间为20～40min。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)、(2)和(4)中的精炼渣料包括活性石灰和河沙。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)-(4)中全程从钢包底部向钢水中吹入氩气。
9.如权利要求1、6和7所述的方法，其特征在于：所用氩气皆为工业用氩气，纯度为99.9％以上。
10.一种高品质弹簧钢，通过上述权利要求1-9之一所述的方法制备，其特征在于，所述高品质弹簧钢扭转疲劳寿命在500万次以上。
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