CN112708728B - 提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体来说是提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，采用二步造渣的钢液净化工艺，具体为先利用低碱度还原性造渣料处理钢液，之后再进入LF炉内进行高碱度渣精炼操作。本发明解决了因脱氧工艺所产生的Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物的塑性控制问题，实现了铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物的塑性控制，得到夹杂物塑性优越的钢材，提高了铝脱氧钢/含铝钢的质量。

Description

提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体来说是提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法。
背景技术
铝脱氧能力强且来源丰富，广泛应用于炼钢脱氧；但是铝脱氧后在钢中残留一定数量的Al2O3和含Al2O3(质量分数超过30％)复合夹杂物，由于这些夹杂物塑性极低，在钢的加工和钢材服役过程中极易造成应力集中，对钢材服役性能造成严重危害，因此如何在脱氧和精炼过程进行控制，提高夹杂物塑性是解决这一技术缺陷的重要思路。
目前对于帘线钢、切割丝用钢、重轨钢等解决办法是：生产过程中不采用铝脱氧，同时严格控制非铝脱氧剂和合金中带入的铝量；例如申请号为201810089590.8，申请日为2018.01.25，专利名称为“一种超精细切割丝用钢中夹杂物塑性的控制方法”，此申请通过向钢中加入一种钾硅(KSi)合金，夹杂物熔点降低，塑性提高，降低钢丝的断丝率；再例如申请号为201310681980.1，申请日为2013.12.13，专利名称为“一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺”，此申请采用Si/Mn脱氧工艺，尽量控制钢中Al、Ca含量，增加MgO含量，进行夹杂物塑性控制提高弹簧钢性能。这种严格控制铝的加入的方法对脱氧剂的Al含量要求较高，而有些钢种必须采用Al脱氧或必须有一定的Al含量，所以上述这种方法有一定的局限性，不能适用于Al脱氧钢或有一定Al含量要求的钢种。
现有技术中的生产存在以下两种情况导致钢中出现Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物：1)对于轴承钢等对铝含量、溶解氧和总氧含量有明确要求的钢种，必须加铝以满足强脱氧和一定铝含量要求；2)对于一些可不用铝脱氧的钢种，为了降低成本而未严格要求合金和脱氧剂带铝量，造成钢液存在一定铝含量(多数情况下达到0.005％以上)导致产生大量非塑性夹杂，目前对于两种情况的夹杂物塑性问题仍然没有解决。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供了提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，本发明解决了因脱氧工艺所产生的Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物的塑性控制问题，实现了铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物的塑性控制，得到夹杂物塑性优越的钢材，提高了铝脱氧钢/含铝钢的质量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，转炉或者电弧炉炼钢获得钢液，包括以下步骤：
(1)出钢脱氧：待钢液终点碳质量分数≥0.08％或出钢氧含量≤400ppm时1500-1700℃下出钢，出钢过程中加入脱氧剂Ⅰ进行合金脱氧，得到钢包；
(2)一步造渣：向所述步骤(1)的钢包内加入低碱度还原性造渣料和脱氧剂Ⅱ，于1500-1700℃条件下成渣处理10-40min，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，然后进行部分扒渣操作，得到中间料Ⅰ；
(3)二步造渣：于LF炉内加入高碱度造渣料以及步骤(2)的中间料Ⅰ，进行高碱度渣白渣精炼操作，于1550-1650℃条件下精炼30-60min，精炼过程中向钢包内底吹氩气，得到中间料Ⅱ；
(4)夹杂物变形能力优越的钢材制备：将中间料Ⅱ进行真空精炼处理和连铸炼钢工艺，得到夹杂物塑性优越的钢材。
优选的，所述步骤(2)出钢时采用双挡渣方法，在出钢前期采用挡渣帽挡下渣，在出钢后期采用挡渣镖挡下渣，控制下渣量≤2-3kg/t钢水。
优选的，所述步骤(2)的脱氧剂Ⅰ为Al、含有常规Al含量的铁合金或者二者的混合。
优选的，所述步骤(3)中低碱度还原性造渣料为不稳定氧化物含量低的强还原性低碱度炉渣；
所述低碱度还原性造渣料由如下重量百分比的原料组成：FeO+MnO≤1.0％，CaO为30.0-55.0％，SiO2为20.0-45.0％，0.8≤R≤2.0，R＝CaO％/SiO2％，稀土氧化物为0.5％-3.0％，其余为Al2O3、MgO、CaF2和杂质。
优选的，所述步骤(3)的脱氧剂Ⅱ为碳化硅或碳粉。
优选的，所述步骤(3)部分扒渣操作后剩余炉渣恰好能够完全覆盖钢液。
本发明还保护了方法制备得到的夹杂物塑性优越的钢材。
优选的，所述夹杂物塑性优越的钢材为铝脱氧钢/含铝钢中Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物塑性提高的钢材。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、传统的精炼工艺转炉或电炉出钢后的钢水直接进入LF炉进行高碱度精炼，钢中容易出现Al2O3和含Al2O3的脆性夹杂物，对钢中夹杂物的控制效果差，影响钢材的质量。本申请考虑到现有技术的技术缺陷，在高碱度精炼之前进行了一步造渣操作，一步造渣操作中，在钢水进入LF炉精炼前增加了低碱度还原性造渣料处理，此时将钢中脆性夹杂物变质为变形性好的夹杂物，之后再进入LF进行高碱度渣精炼，有效的控制钢中的脆性夹杂物的转变。
2、低碱度还原性造渣料为不稳定氧化物含量低((FeO+MnO)≤1.0％)的强还原性低碱度炉渣，低碱度还原性造渣料与钢中[Al]进行反应如下：
4[Al]+3(SiO2)＝2(Al2O3)+3[Si]
2[Al]+3(MnO)＝3[Mn]+(Al2O3)
3(CaO)+2[Al]＝3[Ca]+(Al2O3)
钢液中SiO2、MnO与Al2O3夹杂结合会形成复合夹杂物MnO-Al2O3-SiO2系夹杂物，在反应时间充足的条件下，夹杂物组成同钢液中的[Si]、[Mn]、[Al]等会达到平衡，处于相对稳定状态如下式所示：
x[Mn]+2y[Al]+z[Si]+(x+3y+2z)[O]＝xMnO·yAl2O3·zSiO2
通过本发明的低碱度还原性造渣料处理使MnO-SiO2-Al2O3三元系夹杂物控制在塑性夹杂物的成分区域——锰铝榴石(3MnO·Al2O3·3SiO2)及其周边的低熔点区，熔点低于1400℃，其成分范围为SiO2的含量为40％～75％，Al2O3的含量为10％～30％，MnO的含量为45％～80％。
同理在反应时间充足的条件下，夹杂物组成同钢液中的[Ca]、[Si]、[Al]等会达到平衡，处于相对稳定状态如下式所示：
x[Ca]+2y[Al]+z[Si]+(x+3y+2z)[O]＝xCaO·yAl2O3·zSiO2
同理CaO-SiO2-Al2O3三元系夹杂物的塑性夹杂物的成分区域在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)与磷石英和假硅灰石(CaO·SiO2)相邻的周边低熔点区，熔点低于1400℃，其成分范围为SiO2的含量为30％～75％，Al2O3的含量为5％～40％，CaO的含量为5％～55％。
所以该渣具有降低钢液中Al含量以及将脆性夹杂物变质为塑性组成的功能；因此可以通过低碱度还原性造渣料处理，控制必须加铝以满足强脱氧和有一定铝含量要求的钢中脆性夹杂物塑性转变，也为因降低成本而未严格要求合金和脱氧剂带铝量，造成钢液存在一定铝含量(多数情况下达到0.005％以上)导致产生大量非塑性夹杂，提供了一种夹杂物塑性控制方法，提高了钢材抗疲劳性能、韧性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明实施例2的铸坯夹杂物系CaO-Al2O3-SiO2相图投影图；
图3为本发明对比例1的铸坯夹杂物系MnO-Al2O3-SiO2相图投影图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明。
本申请的高碱度造渣料为现有技术的常规造渣料，由钢厂提供。
实施例1
一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，转炉或者电弧炉炼钢获得钢液，还包括以下步骤：
(1)出钢脱氧：待转炉/电弧炉内钢液终点碳质量分数≥0.08％或出钢氧含量≤400ppm时1500℃下出钢，出钢时采用双挡渣方法，在出钢前期采用挡渣帽挡下渣，在出钢后期采用挡渣镖挡下渣，控制下渣量≤2-3kg/t钢水，出钢过程中加入脱氧剂Ⅰ进行合金脱氧，合金脱氧中所添加的脱氧剂Ⅰ为Al，得到钢包；
(2)一步造渣：将所述步骤(1)的钢包进入LF炉工位之前，向钢包内加入低碱度还原性造渣料和脱氧剂Ⅱ，脱氧剂Ⅱ为碳化硅，然后于LF炉内进行成渣处理，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，于温度为1500℃条件下成渣处理40min，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，成渣处理结束后进行部分扒渣操作，部分扒渣操作后剩余炉渣恰好能够完全覆盖钢液，得到中间料Ⅰ；
所述低碱度还原性造渣料由如下重量百分比的原料组成：FeO+MnO≤1.0％，CaO为30.0-55.0％，SiO2为20.0-45.0％；0.8≤R≤2.0，R＝CaO％/SiO2％；稀土氧化物为0.5％-3.0％，其余为Al2O3、MgO、CaF2和杂质；
(3)二步造渣：于LF炉内加入高碱度造渣料以及步骤(2)的中间料Ⅰ，处理过程中向钢包内低吹氩气，进行高碱度渣白渣精炼操作，于1550℃条件下精炼60min，得到中间料Ⅱ；
(4)夹杂物变形能力优越的钢材制备：将中间料Ⅱ进行真空精炼处理和连铸炼钢工艺，得到夹杂物塑性优越的钢材，所述夹杂物塑性优越的钢材为铝脱氧钢/含铝钢中Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物塑性提高的钢材。
实施例2
一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，转炉或者电弧炉炼钢获得钢液，还包括以下步骤：
(1)出钢脱氧：待转炉/电弧炉内钢液终点碳质量分数≥0.08％或出钢氧含量≤400ppm时1600℃下出钢，出钢时采用双挡渣方法，在出钢前期采用挡渣帽挡下渣，在出钢后期采用挡渣镖挡下渣，控制下渣量≤2-3kg/t钢水，出钢过程中加入脱氧剂Ⅰ进行合金脱氧，合金脱氧中所添加的脱氧剂Ⅰ为含有常规Al含量的铁合金，得到钢包；
(2)一步造渣：将所述步骤(1)的钢包进入LF炉工位之前，向钢包内加入低碱度还原性造渣料和脱氧剂Ⅱ，脱氧剂Ⅱ为碳化硅，然后于LF炉内进行成渣处理，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，于温度为1600℃条件下成渣处理20min，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，成渣处理结束后进行部分扒渣操作，部分扒渣操作后剩余炉渣恰好能够完全覆盖钢液，得到中间料Ⅰ；
所述低碱度还原性造渣料由如下重量百分比的原料组成：FeO+MnO≤1.0％，CaO为30.0-55.0％，SiO2为20.0-45.0％；0.8≤R≤2.0，R＝CaO％/SiO2％；稀土氧化物为0.5％-3.0％，其余为Al2O3、MgO、CaF2和杂质；
(3)二步造渣：于LF炉内加入高碱度造渣料以及步骤(2)的中间料Ⅰ，处理过程中向钢包内低吹氩气，进行高碱度渣白渣精炼操作，于1600℃条件下精炼45min，得到中间料Ⅱ；
(4)夹杂物变形能力优越的钢材制备：将中间料Ⅱ进行真空精炼处理和连铸炼钢工艺，得到夹杂物塑性优越的钢材，所述夹杂物塑性优越的钢材为铝脱氧钢/含铝钢中Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物塑性提高的钢材。
实施例3
一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，转炉或者电弧炉炼钢获得钢液，还包括以下步骤：
(1)出钢脱氧：待转炉/电弧炉内钢液终点碳质量分数≥0.08％或出钢氧含量≤400ppm时1700℃下出钢，出钢时采用双挡渣方法，在出钢前期采用挡渣帽挡下渣，在出钢后期采用挡渣镖挡下渣，控制下渣量≤2-3kg/t钢水，出钢过程中加入脱氧剂Ⅰ进行合金脱氧，合金脱氧中所添加的脱氧剂Ⅰ为Al和含有常规Al含量的铁合金的混合，得到钢包；
(2)一步造渣：将所述步骤(1)的钢包进入LF炉工位之前，向钢包内加入低碱度还原性造渣料和脱氧剂Ⅱ，脱氧剂Ⅱ为碳化硅，然后于LF炉内进行成渣处理，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，于温度为1700℃条件下成渣处理10min，成渣处理过程中向钢包内低吹氩气，成渣处理结束后进行部分扒渣操作，部分扒渣操作后剩余炉渣恰好能够完全覆盖钢液，得到中间料Ⅰ；
所述低碱度还原性造渣料由如下重量百分比的原料组成：FeO+MnO≤1.0％，CaO为30.0-55.0％，SiO2为20.0-45.0％；0.8≤R≤2.0，R＝CaO％/SiO2％；稀土氧化物为0.5％-3.0％，其余为Al2O3、MgO、CaF2和杂质；
(3)二步造渣：于LF炉内加入高碱度造渣料以及步骤(2)的中间料Ⅰ，处理过程中向钢包内低吹氩气，进行高碱度渣白渣精炼操作，于1650℃条件下精炼30min，得到中间料Ⅱ；
(4)夹杂物变形能力优越的钢材制备：将中间料Ⅱ进行真空精炼处理和连铸炼钢工艺，得到夹杂物塑性优越的钢材，所述夹杂物塑性优越的钢材为铝脱氧钢/含铝钢中Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物塑性提高的钢材。
对比例1
与实施例2的步骤相同，不同之处仅在于，不含有步骤(3)的操作，直接将步骤(2)的钢包进入LF精炼。
本发明实施1-实施例3均得到了夹杂物塑性优越的钢材，且塑性平行，下面以实施例1和实施例2为例，列举实施例1、实施例2的低碱度还原性造渣料的成分并与对比例1进行对比，低碱度还原性造渣料成分如表1所示：
表1低碱度还原性造渣料成分
Figure GDA0003768006580000081
本实施例1-实施例2及对比例1的的成品成分见表2所示；
表2成品钢材成分
Figure GDA0003768006580000082
Figure GDA0003768006580000091
上述三炉所炼成品钢材成分应符合GB/T 18254-2016(冶金质量：优质钢)标准：GB/T 18254-2016标准判定如表3所示：
表3 GB/T 18254-2016标准的钢材成分
Figure GDA0003768006580000092
从表2和表3中可看出三组实验所炼钢材成分含量均符合GB/T 18254-2016标准。
在上述对比例1中616070856号炉炼钢工艺与现有技术的传统工艺操作相同。
616070855在MnO-Al2O3-SiO2系相图和616070856号炉在CaO-Al2O3-SiO2系相图的产品中铸坯夹杂物投影分别见图2、3所示。如图所示，对比于未使用本发明二步造渣工艺的616070856号炉所炼铸坯，本发明采用二步造渣工艺的616070855号炉所炼铸坯中夹杂物成分比较集中，且多数都落在三元系相图的低熔点区，而未使用二步造渣工艺的616070856号炉所炼铸坯中夹杂物偏离低熔点区，熔点升高，塑性和变形能力较差。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，转炉或者电弧炉炼钢获得钢液，其特征在于，还包括以下步骤：
(1)出钢脱氧：待钢液终点碳质量分数≥0.08％或出钢氧含量≤400ppm时1500-1700℃下出钢，出钢过程中加入脱氧剂Ⅰ进行合金脱氧，得到钢包；
(2)一步造渣：向所述步骤(1)的钢包内加入低碱度还原性造渣料和脱氧剂Ⅱ，于1500-1700℃条件下成渣处理10-40min，成渣处理过程中向钢包内底 吹氩气，然后进行部分扒渣操作，得到中间料Ⅰ；
(3)二步造渣：于LF炉内加入高碱度造渣料以及步骤(2)的中间料Ⅰ，进行高碱度渣白渣精炼操作，于1550-1650℃条件下精炼30-60min，精炼过程中向钢包内底吹氩气，得到中间料Ⅱ；
(4)夹杂物变形能力优越的钢材制备：将中间料Ⅱ进行真空精炼处理和连铸炼钢工艺，得到夹杂物塑性优越的钢材；
所述步骤(1)的脱氧剂Ⅰ为Al、含有常规Al含量的铁合金或者二者的混合；
所述步骤(2)中低碱度还原性造渣料为不稳定氧化物含量低的强还原性低碱度炉渣；
所述低碱度还原性造渣料由如下重量百分比的原料组成：FeO+MnO≤1.0％，CaO为30.0-55.0％，SiO2为20.0-45.0％；0.8≤R≤2.0，R＝CaO％/SiO2％；稀土氧化物为0.5％-3.0％，其余为Al2O3、MgO、CaF2和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，其特征在于，所述步骤(1)出钢时采用双挡渣方法，在出钢前期采用挡渣帽挡下渣，在出钢后期采用挡渣镖挡下渣，控制下渣量≤2-3kg/t钢水。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，其特征在于，所述步骤(2)的脱氧剂Ⅱ为碳化硅。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝脱氧钢/含铝钢中非金属夹杂物塑性的方法，其特征在于，所述步骤(2)部分扒渣操作后剩余炉渣恰好能够完全覆盖钢液。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法制备得到的夹杂物塑性优越的钢材。
6.根据权利要求5所述的方法制备得到的夹杂物塑性优越的钢材，所述夹杂物塑性优越的钢材为铝脱氧钢/含铝钢中Al2O3和含Al2O3脆性夹杂物塑性提高的钢材。
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