CN114959448A - 一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法。本发明通过优化弹簧钢生产流程：转炉初炼→LF炉精炼→连铸机连铸→连铸坯探伤→钢坯加热→坯料轧制→盘条吐丝→控制冷却，对连铸小方坯使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下技术，消除了铸坯中心缩孔、减少了铸坯中心疏松、改善了铸坯中心偏析，省去了连铸大方坯一道高温长时加热的开坯工序和开坯后的钢坯剥皮精整工序、缩短了加工流程和生产时间、提高了生产效率，连铸坯探伤合格后可直接用于加热轧制1900MPa级悬架弹簧用的高质量弹簧钢热轧盘条，满足1900～2000MPa汽车悬架弹簧的加工和使用要求，从而大幅降低生产成本。

Description

一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，具体的说是一种用于加工1900MPa级汽车悬架弹簧的热轧盘条，其生产工艺涉及炼钢和轧钢，高效生产方法在于利用装备优势缩短生产流程而保证产品质量、大幅降低生产成本。

背景技术

汽车悬架弹簧是汽车悬架中的弹性元件，使车桥和车架或车身之间作弹性联系，承受和传递垂直载荷，缓和及抑制不平路面所引起的冲击。所以，汽车悬架弹簧需长期承受冲击载荷作用，要求具有高强度和良好疲劳性能，悬架弹簧需要经过强压试验和疲劳测试，对内部和表面质量要求极高。油淬火弹簧钢丝淬回火后抗拉强度1900～2000MPa可用于制作1900MPa级汽车悬架弹簧，要求显微组织均匀、无中心孔洞、低中心偏析指数。需要用于制造1900MPa以上强度级别的悬架弹簧，对弹簧钢的偏析、韧性要求更高，而现有的一火材55SiCr弹簧盘条只能制造1800MPa以下强度级别的弹簧，无法达到要求。

为保证弹簧钢热轧盘条满足1900MPa级以上强度汽车悬架弹簧的加工和使用要求，钢厂设计基本为二火成材的生产工艺，即连铸大方坯在加热炉1200～1300℃温度环境中加热8h以上，充分高温扩散改善中心偏析，出炉后经多道大压缩比轧机开坯成小方坯，轧合压实中心缩孔、中心疏松、中心裂纹等冶金缺陷，然后再对小方坯进行剥皮处理并探伤、点磨以消除钢坯脱碳和表面缺陷，而后将小方坯再次低温(980～1080℃)短时(90～120min)加热出炉后轧制为线材成品。由于二火材工艺路线长、能源消耗高、占用额外的轧钢产能，因此生产成本很高。目前工艺还未有采用一火成材工艺生产用于制造1900MPa级以上的高强度级别汽车悬架弹簧的盘条。

因此，亟需开发一种1900MPa级汽车悬架弹簧钢的一火材高质量热轧盘条生产工艺，亦即省去一道高温长时加热的开坯工序、缩短加工流程和生产时间、提高生产效率，而仍满足1900～2000MPa汽车悬架弹簧的加工和使用要求的高质量弹簧钢热轧盘条，从而大幅降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，利用装备优势，对连铸小方坯使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下，消除铸坯中心缩孔、改善中心疏松和中心偏析，钢坯剥皮后可直接用于加热轧制1900MPa级汽车悬架弹簧钢线材成品。

为了达到上述技术目的，本发明提供了一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法。

一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，钢的化学成分按照质量百分数计，配比为C：0.51～0.59％，Si：1.20～1.60％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.50～0.80％，Ni≤0.35％，Cu≤0.25％，Al≤0.025％，P≤0.025％，S≤0.020％，其余为铁和不可避免的杂质；

所述1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其工艺流程为：转炉初炼→LF炉精炼→连铸机连铸→连铸坯探伤→钢坯加热→坯料轧制→盘条吐丝→控制冷却，包括如下步骤：

(1)转炉冶炼过程中使用优质废钢，出钢C不高于0.45％，出钢温度不低于1610℃，出钢过程中依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料，到LF温度不低于1510℃；

进一步地，步骤(1)出钢过程中加入的脱氧剂为石英砂，加入量不低于3.0kg/t；加入的合金为高碳锰铁、低钛低铝硅铁(Ti≤0.02％、Al≤0.02％)、低钛高碳铬铁(Ti≤0.02％)，加入量分别为6.0～11.0kg/t、19.0～26.0kg/t、7.0～12.0kg/t；加入的渣料为石灰和萤石，加入量分别不低于700kg/炉、100kg/炉。

加入一定量的铁合金，是为冶炼化学成分符合要求的钢水，其中，锰的加入可以提高钢的淬透性、硅的加入可以提高钢的弹性极限、铬的加入可以显著提高钢的淬透性；该3种合金的加入，可使后续生产的弹簧钢盘条具有高弹性极限、高淬透性和淬硬性，满足1900MPa级汽车悬架弹簧的性能和使用要求。

(2)LF精炼过程中全程底吹氩气对钢水进行搅拌，根据氩站样情况补加合金和渣料、根据定氧情况可补加脱氧剂，出站后对钢包底进行软吹氩气，软吹时间不低于25min，软吹后的开浇温度控制在1520～1570℃；

进一步地，步骤(2)补加的合金、渣料和脱氧剂种类与步骤(1)加入的种类相同，定氧标准为氧含量不超过10ppm。精炼工序可以调整合金、渣料和脱氧剂含量，对于稳定钢水成分和温度、降低钢水氧含量有重要作用。

(3)连铸过程中全程采用保护浇注，使用中碳钢保护渣，对结晶器进行水冷却、振动和电磁搅拌，二冷水区采用气雾冷却，对连铸凝固末端进行电磁搅拌和轻压下，拉坯速度控制在2.50～3.00m/min，连铸坯断面为160×160mm²；

进一步地，步骤(3)结晶器的冷却水流量为1800～2200L/min，结晶器振动的振幅为-3.5～+3.5mm、频率为100～150opm，结晶器电磁搅拌电流为230～270A、频率为2.5～3.5Hz。步骤(3)二冷水比水量为0.6～1.0L/kg，连铸凝固末端电磁搅拌电流为380～420A、频率为5.5～6.5Hz。步骤(3)连铸凝固末端轻压下的设定压下量为10～20mm，压下速率为2.3～2.7mm/m，轻压下位置距弯月面距离为7～15m，压下区间固相率为0.3～0.9。

连铸过程中当浇铸C含量超过0.45％的钢时，即使是中等过热度的钢液也有强烈增加柱状晶的趋势。在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，桥下面的钢液继续凝固时，将得不到上游钢液的补充，相当于小钢锭凝固，于是形成缩孔、疏松和中心偏析。

连铸凝固末端电磁搅拌可以增加液相穴等轴晶数量，使钢液成分均匀，减少中心宏观偏析。

连铸凝固末端轻压下技术通过在连铸坯液芯末端附近施加压力，产生一定的压下量来补偿铸坯凝固的收缩量，消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用破坏了树枝间的搭桥，可以促使液芯中心富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配。从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，达到消除中心缩孔、减少中心疏松和改善中心偏析的目的。

所以，连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下为关键工序，可消除弹簧钢铸坯的凝固中心缩孔、显著改善中心疏松和中心偏析，连铸坯抛丸探伤合格后可直接用于加热轧制1900MPa级汽车悬架弹簧钢线材成品。保证弹簧钢连铸坯的上述低倍质量，可用于轧制高质量弹簧钢盘条，消除弹簧钢丝中心孔洞、提高中心组织致密度、减轻元素中心偏析，对改善油淬火弹簧钢丝内在的显微组织结构及其均匀性有重要作用，从而可以大幅提升弹簧的强度、韧性和疲劳性能，满足1900～2000MPa汽车悬架弹簧的性能和使用要求。

(4)对连铸坯进行抛丸后再探伤；

进一步地，步骤(4)钢坯探伤方式为磁粉探伤，经钢坯探伤可挑选出存在表面裂纹的钢坯，进行点磨消除该表面缺陷，保证下道轧制工序成品盘条的表面质量。

(5)钢坯在加热炉中的高温段加热温度为1080～1180℃，高温段加热时间不超过100min；

进一步地，步骤(5)钢坯高温段加热温度优选为1120～1160℃，高温段加热时间优选为70～90min，加热炉内的空燃比为0.4～0.6。控制加热温度、加热时间和空燃比工艺参数对于弹簧钢盘条心部质量、表面质量和脱碳控制至关重要。

弹簧钢的Si、Cr、Mn合金元素含量较高，即使连铸过程中采用凝固末端电磁搅拌和轻压下改善元素中心偏析和中心疏松，但铸坯中心偶尔还会存在0.5级的中心偏析和中心疏松，不过相比大方坯，小方坯的尺寸效应要小得多，同样采用轻压下，小方坯的变形可以渗透到铸坯心部、可以完全消除中心缩孔，取得预料不到的技术效果。

正是由于消除了弹簧钢小方坯的中心缩孔，才为小方坯通过加热进一步改善铸坯中心偏析创造了条件；但是加热温度又不能太低，一方面温度太低达不到合金元素扩散的效果、合金元素不能充分固溶，会降低盘条强度和塑性，另一方面由于连铸轻压下改变了铸坯形状为矩形、坯料与轧辊孔型匹配存在偏差，加热温度太低弹簧钢的塑性差，尤其方坯4个角温降大、在挤压变形时容易产生褶皱、经后道轧制会在盘条表面形成折叠缺陷，影响弹簧加工、使用和性能。高温段加热温度优选为1120～1160℃，配合高温段加热时间和加热炉内的空燃比工艺，控制脱碳。

(6)钢坯出加热炉经高压水除鳞后，依次经过粗中轧、预精轧、精轧机组轧制成所需规格线材成品，其中，粗中轧、预精轧机组的变形温度均控制在950～1050℃，精轧机组的变形温度控制在850～900℃；

进一步地，步骤(6)高压水除鳞压力为16～20MPa，钢坯的粗轧开轧温度为1000～1060℃，粗中轧需完成总变形量的95％以上，预精轧机组后的高速区依靠调节水箱水流量控制精轧温度和吐丝温度。

(7)终轧后通过调节水箱流量，使盘条吐丝温度控制在850～900℃；

其中，步骤(6)、步骤(7)控制轧制温度和吐丝温度可防止奥氏体在高温状态下发生再结晶，从而防止后续组织转变过程中产生贝氏体、马氏体等异常组织，因为奥氏体再结晶会在轧制变形过程中所产生的变形缺陷的基础上形核长大、并消耗轧制变形过程中所积累的变形能量，从而推迟奥氏体向铁素体和珠光体的组织转变，有产生贝氏体、马氏体等异常组织的风险。

(8)吐丝后盘条在斯太尔摩辊道上、辊道速度为25～35m/min，通过开启斯太尔摩风机和保温罩使盘条温度降至650～700℃，随后盘条进入保温罩内保温，盘条出保温罩的温度不高于650℃。

进一步地，步骤(8)斯太尔摩风机功率为2×10⁵W，开启数量为4～8台，风量开度为10～100％。控制风机数量和风量、辊道速度、入罩温度和出罩温度，可以控制冷却过程中所需的组织转变。

本发明利用装备优势，对连铸小方坯创造性的使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下，消除铸坯中心缩孔、减少铸坯中心疏松、改善铸坯中心偏析，钢坯探伤后可直接采用特定加热温度用于加热轧制1900MPa级汽车悬架弹簧用线材产品。从而消除弹簧钢丝中心孔洞、提高中心组织致密度、减轻元素中心偏析，对改善油淬火弹簧钢丝内在的显微组织结构及其均匀性有重要作用，从而可以大幅提升弹簧的强度、韧性和疲劳性能，满足1900MPa级汽车悬架弹簧的性能和使用要求。

本发明的有益效果在于：本发明通过优化弹簧钢生产流程，由二火材成材改为一火成材，通过对连铸小方坯使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下技术，消除了铸坯中心缩孔、减少了铸坯中心疏松、改善了铸坯中心偏析，省去了连铸大方坯一道高温长时加热的开坯工序、缩短了加工流程和生产时间、提高了生产效率，连铸坯探伤后可直接用于加热轧制1900MPa级悬架弹簧用的高质量弹簧钢热轧盘条，而仍满足1900～2000MPa汽车悬架弹簧的加工和使用要求，从而大幅降低生产成本。

附图说明

图1(a)、(b)分别为实施例1的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图2(a)、(b)分别为实施例2的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图3(a)、(b)分别为对比例1的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图4(a)、(b)分别为对比例2的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图5(a)、(b)分别为对比例3的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图6(a)、(b)分别为对比例4的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

图7(a)、(b)分别为对比例5的铸坯低倍组织和盘条低倍组织图。

具体实施方式

本发明下面结合钢坯化学成分C：0.55％、Si：1.44％、Mn：0.71％、Cr：0.72％、Ni：0.07％，Cu：0.04％，Al：0.009％，P：0.006％，S：0.004％，成品规格Φ14.0mm的1900MPa级汽车悬架簧用弹簧钢热轧盘条生产实施进行说明。

实施例1

1、转炉冶炼

转炉总装炉量为140t，冶炼过程中使用优质废钢，出钢C为0.40％，出钢温度为1620～1640℃，出钢过程中加入石英砂3.5kg/t；加入高碳锰铁9.0kg/t、低钛低铝硅铁23.0kg/t、低钛高碳铬铁10.0kg/t；加入石灰750kg/炉、萤石150kg/炉，到LF温度为1520～1540℃。

2、LF炉精炼

LF精炼过程中全程底吹氩气对钢水进行搅拌，根据氩站样情况酌情补加适量高碳锰铁、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、石灰、萤石，根据定氧(标准氧含量≤10ppm)情况可补加适量石英砂，出站后对钢包底进行软吹氩气，软吹时间为30min，软吹后的开浇温度控制在1520～1570℃。

3、连铸机连铸

连铸过程中全程采用保护浇注，使用中碳钢保护渣；对结晶器进行水冷却、振动和电磁搅拌，结晶器冷却水流量为2000L/min，结晶器振动的振幅为±3.0mm、频率为130opm，结晶器电磁搅拌电流为250A、频率为3.0Hz，二冷水区采用气雾冷却，二冷水比水量为0.8L/kg；对连铸凝固末端进行电磁搅拌和轻压下，连铸凝固末端电磁搅拌电流为400A、频率为6.0Hz，连铸凝固末端轻压下的设定压下量为14mm，压下速率为2.5mm/m，轻压下位置距弯月面距离为7～15m，压下区间固相率为0.3～0.9；拉坯速度为2.60m/min，连铸坯断面为160×160mm²。

4、连铸坯探伤

对连铸坯进行抛丸，然后再对其进行磁粉探伤，并对存在表面裂纹的钢坯进行点磨以消除该表面缺陷。

5、钢坯加热

钢坯在加热炉中的高温段加热温度为1120～1160℃，高温段加热时间为80min，加热炉内的空燃比为0.4～0.6。

6、坯料轧制

钢坯出加热炉经18MPa高压水除鳞后，钢坯开轧温度为1000～1060℃，依次经过粗中轧、预精轧、精轧机组轧制成Φ14.0mm规格线材成品，其中，粗中轧、预精轧机组的变形温度均控制在950～1050℃，精轧机组的变形温度控制在850～900℃，粗中轧需完成总变形量的95％以上。

7、盘条吐丝

终轧后通过调节水箱流量，使盘条吐丝温度控制在850～900℃。

8、控制冷却

吐丝后盘条在斯太尔摩辊道上、辊道速度为30m/min，通过开启5台功率为2×10⁵W斯太尔摩风机、风量开度为70％和5个保温罩使盘条温度降至650～700℃，随后盘条进入保温罩内保温，盘条出保温罩的温度不高于650℃。

实施例2

实施例2与实施例1相比，软吹时间为40min，连铸凝固末端电磁搅拌电流为420A、频率为6.5Hz，连铸凝固末端轻压下的设定压下量为16mm，拉坯速度为2.50m/min；钢坯在加热炉中的高温段加热时间为90min，辊道速度为25m/min，开启5台风量开度65％的斯太尔摩风机，其他操作与实施例1相同。

对比例1

对比例1与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤3连铸凝固末端电磁搅拌关闭，其他条件同实施例1。

对比例2

对比例2与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤3连铸凝固末端轻压下关闭，其他条件同实施例1。

对比例3

对比例3与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤3连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下同时关闭，其他条件同实施例1。

对比例4

对比例4与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤5高温段加热温度1120～1160℃替换为1020～1060℃，其他条件同实施例1。

对比例5

对比例5与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤5高温段加热温度1120～1160℃替换为1200～1240℃，其他条件同实施例1。

本发明实施例1、实施例2、对比例1-5生产的1900MPa级悬架弹簧用钢的铸坯低倍组织、盘条低倍组织和油淬火(淬火温度900℃、回火温度400℃)弹簧钢丝抗拉强度、断面收缩率对比如表1。

表1铸坯低倍组织、盘条低倍组织和油淬火弹簧钢丝抗拉强度、断面收缩率

本发明利用装备优势，通过优化弹簧钢生产流程，对连铸小方坯使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下技术，消除了铸坯中心缩孔、减少了铸坯中心疏松、改善了铸坯中心偏析，省去了连铸大方坯一道高温长时加热的开坯工序、缩短了加工流程和生产时间、提高了生产效率，钢坯剥皮后可直接用于加热轧制1900MPa级悬架弹簧用的高质量弹簧钢热轧盘条，满足1900～2000MPa汽车悬架弹簧的性能和使用要求，从而大幅降低生产成本，而未使用连铸凝固末端电磁搅拌和轻压下技术的则不能满足要求。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：钢的化学成分按照质量百分数计，配比为C：0.51～0.59％，Si：1.20～1.60％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.50～0.80％，Ni≤0.35％，Cu≤0.25％，Al≤0.025％，P≤0.025％，S≤0.020％，其余为铁和不可避免的杂质；

所述1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其工艺流程为：转炉初炼-LF炉精炼-连铸机连铸-连铸坯探伤-钢坯加热-坯料轧制-盘条吐丝-控制冷却，包括如下步骤：

(1)转炉初炼，出钢C不高于0.45％，出钢温度不低于1610℃，出钢过程中依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料，到LF温度不低于1510℃；

(2)LF炉精炼，LF精炼过程中全程底吹氩气对钢水进行搅拌，根据氩站样情况补加合金和渣料、根据定氧情况补加脱氧剂，出站后对钢包底进行软吹氩气，软吹时间不低于25min，软吹后的开浇温度控制在1520～1570℃；

(3)连铸机连铸，连铸过程中全程采用保护浇注，使用中碳钢保护渣，对结晶器进行水冷却、振动和电磁搅拌，二冷水区采用气雾冷却，对连铸凝固末端进行电磁搅拌和轻压下，拉坯速度控制在2.50～3.00m/min，连铸坯断面为160×160mm²；

(4)连铸坯探伤，对连铸坯进行抛丸后再探伤；

(5)钢坯加热，钢坯在加热炉中的高温段加热温度为1080～1180℃，高温段加热时间不超过100min；

(6)坯料轧制，钢坯出加热炉经高压水除鳞后，依次经过粗中轧、预精轧、精轧机组轧制成所需规格线材成品，其中，粗中轧、预精轧机组的变形温度均控制在950～1050℃，精轧机组的变形温度控制在850～900℃；

(7)盘条吐丝，终轧后通过调节水箱流量，使盘条吐丝温度控制在850～900℃；

(8)控制冷却，吐丝后盘条在斯太尔摩辊道上、辊道速度为25～35m/min，通过开启斯太尔摩风机和保温罩使盘条温度降至650～700℃，随后盘条进入保温罩内保温，盘条出保温罩的温度不高于650℃。

2.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(1)出钢过程中加入的脱氧剂为石英砂，加入量不低于3.0kg/t；加入的合金为高碳锰铁、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁，加入量分别为6.0～11.0kg/t、19.0～26.0kg/t、7.0～12.0kg/t；加入的渣料为石灰和萤石，加入量分别不低于700kg/炉、100kg/炉。

3.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(2)补加的合金、渣料和脱氧剂种类与步骤(1)加入的种类相同，定氧标准为氧含量不超过10ppm。

4.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(3)结晶器的冷却水流量为1800～2200L/min，结晶器振动的振幅为-3.5～+3.5mm、频率为100～150opm，结晶器电磁搅拌电流为230～270A、频率为2.5～3.5Hz。

5.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(3)二冷水比水量为0.6～1.0L/kg，连铸凝固末端电磁搅拌电流为380～420A、频率为5.5～6.5Hz。

6.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(3)连铸凝固末端轻压下的设定压下量为10～20mm，压下速率为2.3～2.7mm/m，轻压下位置距弯月面距离为7～15m，压下区间固相率为0.3～0.9。

7.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(4)钢坯探伤方式为磁粉探伤。

8.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(5)钢坯高温段加热温度为1120～1160℃，高温段加热时间为70～90min，加热炉内的空燃比为0.4～0.6。

9.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(6)高压水除鳞压力为16～20MPa，钢坯开轧温度为1000～1060℃，粗中轧需完成总变形量的95％以上，预精轧机组后的高速区依靠调节水箱水流量控制精轧温度和吐丝温度。

10.根据权利要求1所述的1900MPa级悬架弹簧用钢的高效生产方法，其特征在于：步骤(8)斯太尔摩风机功率为2×10⁵W，开启数量为4～8台，风量开度为10～100％。

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