CN114807778B - 一种弹簧钢及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体为一种弹簧钢及其制备工艺，针对传统弹簧钢冶炼工艺采用铝系、硅锰系合金进行沉淀脱氧所存在的问题，提出了一种无脱氧夹杂物生成、合金耗量降低且收得率提高、将各反应器功能充分释放的弹簧钢无污染脱氧工艺及其制备的弹簧钢。在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂，主要利用碳氧反应在不同温度、真空度和反应物浓度条件下进行程度不同，于炼钢各工序改变这些条件，最终实现完全利用碳控制氧的效果。

Description

一种弹簧钢及其制备工艺
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体为一种弹簧钢及其制备工艺。
背景技术
弹簧作为机械设备中重要的功能和结构零件，在受力前后发生弹性形变，实现运动控制、能量吸收、外力测量等功能，由添加Si、Mn、Cr、V、W等合金元素的弹簧钢制成。由于弹簧长期在复杂交变载荷环境下工作，特别是随着机械工业的发展，对各类弹簧使用性能和服役寿命提出了更高要求，这也对弹簧钢的冶炼工艺形成了新的挑战。对弹簧钢疲劳性能影响最大的就是非金属夹杂物，钢基体沿夹杂物本体或夹杂物边缘萌生裂纹，进而扩展产生断裂，如何减少数量或改性减轻危害成为相关从业人员关注的重点。目前国内外钢铁企业冶炼弹簧钢普遍采用的流程为BOF/EAF→LF→RH/VD→CC，其中脱氧工艺可分为两种，一种为铝脱氧，即在出钢和精炼过程中加入铝作为脱氧剂，并采用高碱度精炼渣，将氧含量控制在10ppm以下，另一种为硅锰脱氧，即以硅系和锰系铁合金作为脱氧剂，并采用低碱度精炼渣，将钢液中铝含量控制在较低水平，获得塑性好可变形夹杂物。但不管采用哪种脱氧方式均存在如下几个尚未解决的问题：
（1）无法从根源去除夹杂物：无论是采取铝脱氧还是非铝脱氧的生产方式，脱氧产物均会对钢液造成污染。前者夹杂物总量较低，一般在精炼末期喂入钙线使夹杂物变性为低熔点钙铝酸盐，但最终铸坯中仍存在大量B类夹杂物。后者夹杂物总量偏高，夹杂物大多为熔点较低的C类夹杂物，尺寸较大。改性、软吹、渣洗等夹杂物控制手段只能改善钢液夹杂物水平，但不能从根源上杜绝夹杂物产生。
（2）合金耗量大且收得率不稳定：铁合金生产是高耗能高污染过程，大部分被用于钢铁工业。传统弹簧钢生产工艺中铁合金需要既用于脱氧又用于合金化，用于脱氧的合金不仅造成了钢液污染，而且引起资源的浪费。另外由于每炉钢转炉终点差别较大，使得在精炼工序对于合金的收得率不同，为达到钢种要求，一般按照合金元素中上限进行配加，这也造成了不必要的损失。
（3）反应器未能高效化使用：在转炉或电炉中，为使终点达标，通常采用过氧化操作，使得来自于铁水中的碳被消耗至0.1%左右，而氧含量升高到200ppm以上，这种“过度操作”使得转炉和电炉冶炼时间增长。精炼过程中LF炉熔化大量铁合金，钢包长时间软吹保证夹杂物上浮都使得反应器未能高效化使用。从全流程而言，越长的冶炼周期则代表着更多的热量耗散以及更多的能源浪费。
发明内容
本发明针对传统弹簧钢冶炼工艺采用铝系、硅锰系合金进行沉淀脱氧所存在的上述问题，提出了一种无脱氧夹杂物生成、合金耗量降低且收得率提高、将各反应器功能充分释放的弹簧钢无污染脱氧工艺及其制备的弹簧钢。该工艺主要利用碳氧反应在不同温度、真空度和反应物浓度条件下进行程度不同，于炼钢各工序改变这些条件，最终实现完全利用碳控制氧的效果。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种弹簧钢，按重量百分比计，C 0.56-0.63，Si 1.55-1.70，Mn 0.75-0.90， Cr0.20-0.30，V 0.10-0.20，余量为铁和不可避免的杂质，所述弹簧钢采用无污染脱氧工艺制备得到。
作为本发明所述的一种弹簧钢的优选方案，其中：所述弹簧钢中，按重量百分比计，O≤0.0015%、N≤0.0045%和S≤0.0090%。
所述无污染脱氧工艺是指在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂，主要利用碳氧反应在不同温度、真空度和反应物浓度条件下进行程度不同，于炼钢各工序改变这些条件，最终实现完全利用碳控制氧的效果。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种弹簧钢的制备工艺，在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述制备工艺为：BOF→LF→RH-OB→CC。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述制备工艺包括如下步骤：
S1.BOF工序采用“高拉碳低终温”操作模式；BOF出钢后加入预熔精炼渣，控制精炼渣中FeO和MnO总量在1wt%以下；
S2.LF到站后，立即送电升温，同时加入石灰完成造渣，控制精炼渣碱度；
S3.RH-OB工序根据钢液成分和温度与目标成分和温度要求的差值，进行增碳或脱碳操作；RH-OB终点要求C、O含量达标，钢液温度比采用常规脱氧工艺要求高20-40℃，根据冶炼钢种成分要求向钢包中加入预熔的合金液；
S4.CC工序全过程进行保护浇铸。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，转炉氧枪采用分段变压变枪操作。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，控制入炉废钢比、炉渣碱度以及炉渣FeO含量。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，RH-OB工序进行真空梯级控制。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，使用耐火材料管向钢包中加入合金液。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明还提供了如下技术方案：
一种弹簧钢，采用上述弹簧钢的制备工艺制备得到。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种弹簧钢及其制备工艺，针对传统弹簧钢冶炼工艺采用铝系、硅锰系合金进行沉淀脱氧所存在的问题，在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂，主要利用碳氧反应在不同温度、真空度和反应物浓度条件下进行程度不同，于炼钢各工序改变这些条件，最终实现完全利用碳控制氧的效果，无脱氧夹杂物生成、合金耗量降低且收得率提高、将各反应器功能充分释放，适用于所有种类弹簧钢的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中各类型夹杂物数量分布；
图2为本发明实施例2中各类型夹杂物数量分布；
图3为本发明实施例3中各类型夹杂物数量分布；
图4为对比例1中各类型夹杂物数量分布；
图5为对比例2中各类型夹杂物数量分布；
图6为对比例3中各类型夹杂物数量分布；
图7为对比例4中各类型夹杂物数量分布。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种弹簧钢及其制备工艺，在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂，能够实现无污染脱氧；
（1）无脱氧夹杂物生成
本发明利用碳氧反应，通过调节冶炼过程钢液碳含量及真空度，实现了脱氧产物为CO或CO2的弹簧钢冶炼过程无污染脱氧，钢液洁净度得到提升。最终铸坯中夹杂物总数明显降低，从夹杂物类型而言，与铝脱氧工艺相比，主要体现在脆性高硬度B类夹杂物减少，与硅锰脱氧工艺相比，主要体现在尺寸偏大的塑性可变形C类夹杂物减少。
（2）合金耗量降低收得率提高
本发明弹簧钢脱氧无需使用铝或硅锰等脱氧合金，该部分耗量直接得以免除。合金化在深脱氧完成后，钢液内氧含量仅为10ppm左右时进行，加入钢液中的合金元素不会因氧化被消耗，收得率提高且稳定，可按照下限计算合金用量，因此该部分耗量被合理节约。所以与现有弹簧钢冶炼工艺相比，新工艺在达到相同成分要求前提下，对高能耗生产的铁合金实现了减量化应用。
（3）各反应器功能充分释放
转炉中控制终点低温高碳，在缩短冶炼周期，避免钢液过氧化的同时，有利于脱磷控制。LF只起到升温和造渣功能，合金熔化转移到其他加热反应容器中。RH-OB中钢液碳氧反应热力学和动力学条件好，该反应被用作调温和深脱氧，与原有工艺真空炉（RH/VD）只用于钢液脱气相比更能发挥冶金效果。钢包软吹用于合金成分混匀，夹杂物上浮去除要求低，软吹时间大幅缩短。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种弹簧钢的制备工艺，所述弹簧钢按重量百分比计，C 0.56-0.63，Si 1.55-1.70，Mn 0.75-0.90， Cr 0.20-0.30，V 0.10-0.20，余量为铁和不可避免的杂质；
所述制备工艺为：BOF→LF→RH-OB→CC，在弹簧钢的制备工艺过程中不加入合金脱氧剂。
所述制备工艺具体包括如下步骤：
S1.转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式，控制终点w[P]≤0.015%，w[C] 0.4-0.7%，w[O] 50-90ppm，终点温度1520-1560℃；转炉终点控制可根据实际冶炼钢种要求调整；
转炉出钢后，按照1.8-2.5kg/t加入预熔精炼渣，控制精炼渣中FeO和MnO总量在1wt%以下；预熔精炼渣可按照1.8-2.5kg/t的加入量加入，同时根据精炼渣成分配入其他调渣剂；控制精炼渣中CaO 45-50wt%，SiO2 40-45wt%；
预熔精炼渣加入量可根据实际冶炼钢种要求调整，针对上述弹簧钢成分，预熔精炼渣加入量为例如但不限于1.8kg/t、1.9kg/t、2.0kg/t、2.1kg/t、2.2kg/t、2.3kg/t、2.4kg/t、2.5kg/t中的任意一者或者任意两者之间的范围；精炼渣的组成控制也可根据实际冶炼钢种要求调整，针对上述弹簧钢成分，精炼渣中CaO的含量可以为，例如但不限于45wt%、46wt%、47wt%、48wt%、49wt%、50wt%中的任意一者或者任意两者之间的范围；精炼渣中SiO2的含量可以为，例如但不限于40wt%、41wt%、42wt%、43wt%、44wt%、45wt%中的任意一者或者任意两者之间的范围；
S2.LF到站后，立即送电升温至1610-1650℃，同时按照1-1.5kg/t加入石灰完成造渣，要求LF精炼时间≤30min，精炼渣碱度在1.30-1.60之间，LF终点w[C] 0.45-0.75%，w[O]≤80ppm，w[S]≤0.008%；
LF终点控制可根据实际冶炼钢种要求调整；针对上述弹簧钢成分，立即送电升温的温度为例如但不限于1610℃、1620℃、1630℃、1640℃、1650℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；石灰加入量为例如但不限于1.0kg/t、1.1kg/t、1.2kg/t、1.3kg/t、1.4kg/t、1.5kg/t中的任意一者或者任意两者之间的范围；精炼渣碱度为例如但不限于1.30、1.40、1.50、1.60中的任意一者或者任意两者之间的范围；
S3.在RH-OB中进行真空梯级控制，在67Pa以下高真空保持4-5min后，根据当前钢液成分、温度与目标要求的差值，进行加碳粉增碳操作或利用RH-OB氧枪进行脱碳操作。RH-OB终点要求C、O含量达标，温度比冶炼钢种常规脱氧工艺要求高20-40℃，根据冶炼钢种成分要求向钢包中加入预熔的低氧低氮低氢合金液。
S4.连铸全过程进行保护浇铸。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1之前还包括步骤S0，所述步骤S0为KR预处理，控制KR预处理出站时w[S]≤60ppm。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S0中，铁水出KR预处理后，在15min内完成转炉兑铁水操作。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.40-1.60m，氧压为0.94-0.98MPa，供氧强度为4.3-4.7m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.30-1.50m，氧压为0.90-0.95MPa，供氧强度为3.9-4.2m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.50-1.65m，氧压为0.82-0.86MPa，供氧强度为3.5-3.8m3/(min·t)。
转炉氧枪分段变压变枪操作可根据实际冶炼钢种要求调整，针对上述弹簧钢成分，开吹后5min内，枪位为例如但不限于1.40m、1.45m、1.50m、1.55m、1.60m中的任意一者或者任意两者之间的范围，氧压为例如但不限于0.94MPa、0.95MPa、0.96MPa、0.97MPa、0.98MPa中的任意一者或者任意两者之间的范围，供氧强度为例如但不限于4.3m3/(min·t)、4.4m3/(min·t)、4.5m3/(min·t)、4.6m3/(min·t)、4.7m3/(min·t) 中的任意一者或者任意两者之间的范围；开吹5-10min，枪位为例如但不限于1.30m、1.35m、1.40m、1.45m、1.50m中的任意一者或者任意两者之间的范围，氧压为例如但不限于0.90MPa、0.91MPa、0.92MPa、0.93MPa、0.94MPa、0.95MPa中的任意一者或者任意两者之间的范围，供氧强度为例如但不限于3.9m3/(min·t)、4.0m3/(min·t)、4.1m3/(min·t)、4.2m3/(min·t)中的任意一者或者任意两者之间的范围；开吹10min后，枪位为例如但不限于1.50m、1.55m、1.60m、1.65m中的任意一者或者任意两者之间的范围，氧压为例如但不限于0.82MPa、0.83MPa、0.84MPa、0.85MPa、0.86MPa中的任意一者或者任意两者之间的范围，供氧强度为例如但不限于3.5m3/(min·t)、3.6m3/(min·t)、3.7m3/(min·t)、3.8m3/(min·t)中的任意一者或者任意两者之间的范围。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，为保证脱磷效果，入炉废钢比8%以下，吹炼过程控制炉渣碱度为2.2-3.0，FeO含量为17wt%-22wt%。
针对上述弹簧钢成分，入炉废钢比为例如但不限于8%、7.5%、7%、6%、5%中的任意一者或者任意两者之间的范围；吹炼过程控制炉渣碱度为例如但不限于2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0中的任意一者或者任意两者之间的范围；FeO含量为例如但不限于17wt%、18wt%、19wt%、20wt%、21wt%、22wt%中的任意一者或者任意两者之间的范围。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，转炉渣料分多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰、1/4的白云石，余量根据化渣情况分4-6次加入，且在开吹后10min内完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间≤3.5min。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，在渣面按照加入1.2-1.5kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。
针对上述弹簧钢成分，碳化硅加入量为例如但不限于1.2kg/t、1.3kg/t、1.4kg/t、1.5kg/t中的任意一者或者任意两者之间的范围。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述真空梯级控制具体为：真空室压力为45-55kPa保持5-8min，真空室压力为1-5kPa保持8-12min，真空室压力≤67Pa保持10-14min，可使碳氧反应循序渐进，避免激烈反应引发钢液大喷。真空梯级控制的各级压力范围和保持时间可根据实际冶炼钢种要求调整。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，使用耐火材料管向钢包中加入合金液，钢包软吹4-6min混匀，例如可以采用锆质耐火材料管。
作为本发明所述的一种弹簧钢的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S4中，连铸过程要求增O少于3ppm，增氮少于8ppm。
一种弹簧钢，采用上述弹簧钢的制备工艺制备得到。
实施例1
采用本发明工艺制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为37ppm，脱硫结束后12min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式。为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.50m，氧压为0.96Mpa，供氧强度为4.50m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.40m，氧压为0.93Mpa，供氧强度为4.10m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.60m，氧压为0.84Mpa，供氧强度为3.60m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.8%，吹炼过程炉渣碱度2.32-2.87，FeO含量18.5-21.1wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分5次加入，转炉开吹后9.2min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为2.9min。转炉终点测温为1553℃，取样分析结果：w[P]为0.0057%，w[C]为0.51%，w[O]为58ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.2kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.3kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为47.24wt%，SiO2为43.35wt%，FeO和MnO总量为0.92wt%。
4）LF到站后，立即送电升温至1632℃，同时按照1.32kg/t加入精炼石灰完成造渣。LF精炼时间28min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为1.46，钢液w[C]为0.54%，w[O]为29ppm，w[S]为0.0034%。
5）在RH-OH中进行真空梯级控制，真空室压力为50KPa保持6.2min，真空室压力为3KPa保持10min，真空室压力≤67Pa保持12min，可使碳氧反应循序渐进，避免激烈反应引发钢液大喷。在67Pa以下高真空保持4.5min后，向钢液内按照0.5kg/t加入碳粉。
6）RH-OB终点取样结果：w[C]为0.58%，w[O]为9.6ppm，温度为1585℃。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹5.5min混匀。
7）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.58%，Si 1.63%，Mn0.84%，Cr 0.25%，V 0.12%，残余元素O 9.6ppm，N 23ppm，P 58ppm，S 38ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为93.9%，Mn收得率为96.7%，Cr收得率为97.4%，V收得率为95.2%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图1。
实施例2
采用本发明工艺制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为41ppm，脱硫结束后11min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式。为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.45m，氧压为0.95Mpa，供氧强度为4.40m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.35m，氧压为0.92Mpa，供氧强度为4.00m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.55m，氧压为0.83Mpa，供氧强度为3.50m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.5%，吹炼过程炉渣碱度2.25-2.83，FeO含量18.2-21.4wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分4次加入，转炉开吹后8.8min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为2.7min。转炉终点测温为1550℃，取样分析结果：w[P]为0.0059%，w[C]为0.48%，w[O]为66ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.0kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.2kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为46.54wt%，SiO2为42.94wt%，FeO和MnO总量为0.88wt%。
4）LF到站后，立即送电升温至1626℃，同时按照1.25kg/t加入精炼石灰完成造渣。LF精炼时间27min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为1.42，钢液w[C]为0.52%，w[O]为32ppm，w[S]为0.0038%。
5）在RH-OH中进行真空梯级控制，真空室压力为45KPa保持5.5min，真空室压力为2KPa保持8min，真空室压力≤67Pa保持11min，可使碳氧反应循序渐进，避免激烈反应引发钢液大喷。在67Pa以下高真空保持4.5min后，向钢液内按照0.8kg/t加入碳粉。
6）RH-OB终点取样结果：w[C]为0.60%，w[O]为9.1ppm，温度为1577℃。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹5min混匀。
7）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.60%，Si 1.68%，Mn0.81%，Cr 0.23%，V 0.11%，残余元素O 9.4ppm，N 25ppm，P 61ppm，S 37ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为93.3%，Mn收得率为95.9%，Cr收得率为97.1%，V收得率为94.6%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图2。
实施例3
采用本发明工艺制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为38ppm，脱硫结束后13min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式。为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.55m，氧压为0.97Mpa，供氧强度为4.60m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.46m，氧压为0.95Mpa，供氧强度为4.13m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.65m，氧压为0.85Mpa，供氧强度为3.72m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.6%，吹炼过程炉渣碱度2.46-2.98，FeO含量18.8-21.6wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分6次加入，转炉开吹后9.6min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为3.4min。转炉终点测温为1550℃，取样分析结果：w[P]为0.0062%，w[C]为0.70%，w[O]为44ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.4kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.4kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为49.25wt%，SiO2为44.18wt%，FeO和MnO总量为0.94wt%。
4）LF到站后，立即送电升温至1627℃，同时按照1.51kg/t加入精炼石灰完成造渣。LF精炼时间29.5min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为1.55，钢液w[C]为0.74%，w[O]为23ppm，w[S]为0.0036%。
5）在RH-OH中进行真空梯级控制，真空室压力为55KPa保持7.5min，真空室压力为5KPa保持11min，真空室压力≤67Pa保持4min。之后通过氧枪向钢液面吹氧，氧压0.40Mpa，供氧强度2.08m3/(min·t)，93s后w[C]达到0.61%，停止供氧。继续抽气使真空室压力≤67Pa保持9min，碳氧反应始终处于可控范围，未出现大的喷溅现象。
6）RH-OB终点取样结果：w[C]为0.57%，w[O]为11.3ppm，温度为1588℃。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹5.8min混匀。
7）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.57%，Si 1.67%，Mn0.88%，Cr 0.26%，V 0.13%，残余元素O 11.5ppm，N 28ppm，P 54ppm，S 34ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为92.4%，Mn收得率为96.1%，Cr收得率为95.8%，V收得率为95.0%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图3。
对比例1
采用现有脱氧工艺制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为38ppm，脱硫结束后14min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“一吹到底”操作模式。氧枪采用“恒枪变压”控制，枪位稳定在1.60m，开吹前6min，氧压0.96MPa，供氧强度4.75m3/(min·t)；开吹6-12min，氧压0.92MPa，供氧强度4.50m3/(min·t)；开吹12min后，氧压0.90Mpa，供氧强度4.42m3/(min·t)。入炉废钢比为13.8%，吹炼过程炉渣碱度2.0-2.6，FeO在19.8-24.36wt%之间。开吹后立即加入总量2/3的石灰，1/2的白云石，余量分2次加入，所有渣料在吹氧开始后14min加完。出钢过程采用挡渣球挡渣，出钢时间3.5min。转炉终点测温为1608℃，取样分析结果：w[P]为0.0041%，w[C]为0.09%，w[O]为283ppm。
3）炉后出钢100s后，按照1.65kg/t加入预熔精炼渣，1.25kg/t加入精炼石灰，其他调渣剂按需配入。出完钢后按照1.2kg/t加入硅锰合金用于脱氧。对精炼渣进行取样分析，其中含CaO为48.74wt%，SiO2为23.59wt%，FeO和MnO总量为1.15wt%。
4）LF工序主要进行造白渣和成分微调，送电后按照0.55kg/t加入精炼石灰，0.4kg/t加入铝粒完成造白渣操作，并根据弹簧钢成分要求加入铁合金。LF精炼时间52min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为2.87，钢液w[C]为0.63%，w[O]为24ppm，w[S]为0.0021%。
5）在RH精炼过程中进一步脱气，抽气10min使真空室压力≤67Pa，保持高真空20min。RH终点取样结果：w[C]为0.61%，w[O]为8.5ppm，温度为1562℃。出站后向钢液面加入碳化稻壳，软吹23min使夹杂物充分上浮。
6）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.61%，Si 1.62%，Mn0.83%，Cr 0.22%，V 0.16%，残余元素O 8.6ppm，N 36ppm，P 42ppm，S 26ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为90.4%，Mn收得率为92.6%，Cr收得率为94.4%，V收得率为93.1%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图4。
对比例2
不采用“高拉碳低终温”操作模式制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为44ppm，脱硫结束后13min完成转炉兑铁水操作。
2）为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.65m，氧压为0.98Mpa，供氧强度为4.55m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.45m，氧压为0.96Mpa，供氧强度为4.42m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.58m，氧压为0.94Mpa，供氧强度为3.90m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.4%，吹炼过程炉渣碱度2.45-2.93，FeO含量18-21.6wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分5次加入，转炉开吹后8.9min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为3.2min。转炉终点测温为1613℃，取样分析结果：w[P]为0.0037%，w[C]为0.11%，w[O]为221ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.2kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.35kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为47.87wt%，SiO2为43.66wt%，FeO和MnO总量为1.45wt%。
4）LF到站后，按照1.38kg/t加入精炼石灰完成造渣。LF精炼时间29min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为1.49，钢液w[C]为0.21%，w[O]为122ppm，w[S]为0.0038%。
5）在RH-OH中进行真空梯级控制，真空室压力为51KPa保持6.5min，真空室压力为4KPa保持11min，真空室压力≤67Pa保持13min。在67Pa以下高真空保持5min后，向钢液内按照3.2kg/t加入碳粉，由于钢液氧含量较高，加入碳粉后碳氧反应剧烈，真空室内产生了喷溅。
6）RH-OB终点取样结果：w[C]为0.38%，w[O]为46ppm，温度为1569℃。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹5.3min混匀。
7）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.38%，Si 1.58%，Mn0.81%，Cr 0.28%，V 0.13%，残余元素O 21ppm，N 33ppm，P 36ppm，S 40ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为82.8%，Mn收得率为86.3%，Cr收得率为92.7%，V收得率为93.2%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图5。
对比例3
不采用LF精炼制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为39ppm，脱硫结束后11.3min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式。为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.48m，氧压为0.95Mpa，供氧强度为4.46m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.44m，氧压为0.92Mpa，供氧强度为4.04m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.56m，氧压为0.82Mpa，供氧强度为3.70m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.5%，吹炼过程炉渣碱度2.35-2.92，FeO含量17.8-21.3wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分5次加入，转炉开吹后8.8min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为2.9min。转炉终点测温为1553℃，取样分析结果：w[P]为0.0054%，w[C]为0.55%，w[O]为49ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.2kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.38kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为48.83wt%，SiO2为44.52wt%，FeO和MnO总量为0.87wt%。
4）由于本工艺无LF精炼工序，需在RH-OB工序吹氧升温。真空室压力为真空室压力为47KPa保持7.4min，真空室压力为4KPa保持9.3min。之后通过氧枪向钢液面吹氧，氧压0.47Mpa，供氧强度2.52m3/(min·t)，当温度升至1586℃，停止供氧。由于弹簧钢要求w[C]为0.56-0.63%，浇铸过热度要求15℃，此时对钢液取样w[C]为0.26%，需向钢液内加入碳粉。继续抽气使真空室压力≤67Pa保持11.4min，碳氧反应始终处于可控范围，未出现大的喷溅现象。
5）RH-OB终点取样结果：w[C]为0.62%，w[O]为16.9ppm，温度为1575℃。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹4.8min混匀。
6）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.62%，Si 1.59%，Mn0.88%，Cr 0.24%，V 0.11%，残余元素O 15.3ppm，N 31ppm，P 55ppm，S 38ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为91.3%，Mn收得率为93.7%，Cr收得率为96.3%，V收得率为94.8%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图6。
对比例4
采用VD替代RH-OB制备弹簧钢过程如下：
1）对铁水进行KR预脱硫处理，出站时S含量为40ppm，脱硫结束后12.6min完成转炉兑铁水操作。
2）转炉工序采用“高拉碳低终温”操作模式。为防止转炉大喷，并快速化渣脱磷，转炉氧枪采用分段变压变枪操作，开吹后5min内，枪位为1.58m，氧压为0.98Mpa，供氧强度为4.54m3/(min·t)；开吹5-10min，枪位为1.47m，氧压为0.95Mpa，供氧强度为4.08m3/(min·t)；开吹10min后，枪位为1.64m，氧压为0.85Mpa，供氧强度为3.66m3/(min·t)。为保证脱磷效果，入炉废钢比为7.1%，吹炼过程炉渣碱度2.35-2.91，FeO含量18.8-21.5wt%。转炉造渣料多批次加入，开吹后1min内加入总量2/5的石灰，1/4的白云石，余量根据化渣情况分6次加入，转炉开吹后9.2min完成加料。出钢过程采用气动挡渣，出钢时间为3.3min。转炉终点测温为1543℃，取样分析结果：w[P]为0.0053%，w[C]为0.49%，w[O]为67ppm。
3）炉后出钢100s后，按照2.0kg/t加入预熔精炼渣，其他调渣剂按需配入。在渣面按照1.4kg/t加入碳化硅，进行扩散脱氧以降低钢液氧含量。对精炼渣取样分析，其中含CaO为45.47wt%，SiO2为42.33wt%，FeO和MnO总量为0.94wt%。
4）LF到站后，立即送电升温至1616℃，同时按照1.34kg/t加入精炼石灰完成造渣。LF精炼时间26min，LF终点取样分析结果：精炼渣碱度为1.55，钢液w[C]为0.51%，w[O]为32ppm，w[S]为0.0037%。
5）在VD精炼过程中进行梯级控制，真空室压力为50KPa保持7.5min，真空室压力为3.5KPa保持9min，真空室压力≤67Pa保持14min，碳氧反应始终处于可控范围，未出现大的喷溅现象。
6）VD破空后钢液取样结果：w[C]为0.50%，w[O]为16.3ppm，温度为1568℃。由于弹簧钢要求w[C]为0.56-0.63%，且VD真空过程无法加料，需在破空后向钢液内加入碳粉。但加入碳粉后未能完全熔化，部分碳粉以固体形态漂浮在钢液面。然后使用锆质耐火材料管向钢包中加入根据成分要求预熔的低氧低氮低氢合金液，钢包软吹5min混匀，钢液w[O]为14.1ppm。
7）连铸全过程进行保护浇铸，防止因吸气造成二次氧化。
对铸坯进行取样检测，测得钢样成分为(以质量百分比计)：C 0.54%，Si 1.66%，Mn0.82%，Cr 0.21%，V 0.15%，残余元素O 14.5ppm，N 32ppm，P 53ppm，S 35ppm。对合金收得率进行计算，其中Si收得率为92.6%，Mn收得率为94.5%，Cr收得率为96%，V收得率为94.1%。利用ZEISS-EVO18型全自动夹杂物分析系统对铸坯中各类型夹杂物数量进行统计，结果见图7。
可以看出，本发明实施例1-3制备的弹簧钢铸坯氧含量、合金收得率和夹杂物水平相当。通过对比实施例1和对比例1发现采用现有工艺冶炼弹簧钢铸坯氧含量和硫含量更低，但全流程冶炼时间延长，合金收得率降低，B类、C类和D类夹杂物数量明显增加。通过对比实施例1和对比例2发现如果不采用“高拉碳低终温”操作模式，转炉终点氧含量高，扩散脱氧达不到预期效果，且由于碳氧反应剧烈在RH工序产生喷溅，最终铸坯中氧含量和碳含量不合格，合金收得率低，C类和D类夹杂物增多。通过对比实施例1和对比例3发现若取消工艺中的LF，会导致升温功能转移至RH-OB工序，过多吹氧造成铸坯中氧含量不合格，合金收得率降低，C类和D类夹杂物数量明显增加。通过对比实施例1和对比例4发现若将RH-OB替换为VD，碳氧反应动力学条件变差，在VD中未能完成深脱氧，且破空后加碳粉的效果不好，碳粉未能完全进入钢液，铸坯中碳含量不合格，部分合金用于脱氧，收得率降低，C类夹杂物数量略有增长。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种弹簧钢的制备工艺，其特征在于，制备工艺过程中不加入合金脱氧剂；包括如下步骤：
S1.BOF工序采用“高拉碳低终温”操作模式，BOF出钢后加入预熔精炼渣，控制精炼渣中FeO和MnO总量在1wt%以下；
S2.LF到站后，立即送电升温，同时加入石灰完成造渣，控制精炼渣碱度；
S3.RH-OB工序根据钢液成分和温度与目标成分和温度要求的差值，进行增碳或脱碳操作；RH-OB终点要求C、O含量达标，钢液温度比采用常规脱氧工艺要求高20-40℃，根据冶炼钢种成分要求向钢包中加入预熔的合金液；
S4.CC工序全过程进行保护浇铸。
2.根据权利要求1所述的一种弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述步骤S1中，转炉氧枪采用分段变压变枪操作。
3.根据权利要求1所述的一种弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述步骤S1中，控制入炉废钢比、炉渣碱度以及炉渣FeO含量。
4.根据权利要求1所述的一种弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述步骤S3中，RH-OB工序中进行真空梯级控制。
5.根据权利要求1所述的一种弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述步骤S3中，使用耐火材料管向钢包中加入合金液。
6.一种弹簧钢，采用权利要求1-5任一项所述的弹簧钢的制备工艺制备得到。
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