CN115232917A

CN115232917A - 一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺

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Publication number: CN115232917A
Application number: CN202210840732.6A
Authority: CN
Inventors: 苏振伟; 管挺; 沈艳; 高协清; 屠兴圹; 周淼; 赵赟; 黄云飞
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-07-18
Also published as: CN115232917B

Abstract

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺。冷镦钢的主要化学成分范围按重量百分数计为C：0.12～0.50％，Si：≤0.30％，Mn：0.30～0.90％，Al：0.020～0.060％，P、S：≤0.035％，Cr、Ni、Cu≤0.20％，其余为铁和不可避免的杂质。含铝冷镦钢的冶炼工艺流程为：转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸。通过优化冶炼脱氧工艺，采用硅铝钙代替铝脱氧有效降低了脱氧成本，取消了LF或RH精炼工序简化了冶炼工艺流程，取消了转炉炉后添加化渣剂，显著降低了含铝冷镦钢的冶炼成本，减少了能源消耗和环境污染。

Description

一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺

技术领域

本发明属于冷镦钢技术领域，涉及一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺。

背景技术

我国紧固件产量已经接近900万吨/年，产量位居全球第一。伴随着我国汽车、铁路、航空、工程机械、家电、风电等行业取得傲人成绩的同时，作为素有“工业之米”美称的紧固件也迎来了重大发展机遇，并取得了空前的成果。在取得紧固件产量全球第一的同时，国内紧固件品质和档次也取得了较大进步，产品从低强度向高强度的转移，从普通标准件向非标异形件的转移，从低附加值向高附加值的转移等等。目前我国紧固件生产企业大概有10,000家，其中有规模的近2,000多家，中小型紧固件企业过多，技术不足以及更换先进设备的需较高的投入资金，所以无法生产出来部分高品质高科技产品。行业发展存在失衡，急需转型升级，向整体高端化方向发展，顺应国际市场需求才能稳步发展。常见的紧固件种类包括螺栓、螺母、螺钉、螺柱、铆钉、垫圈等，常见强度级别为4.8级～12.9级，具有规格多、型号多、差异化、个性化等特点。

冷镦钢是生产紧固件产品的重要原料，冷镦成型是紧固件制造的主流加工工艺。冷镦成型是指在常温下利用金属塑性成形的加工工艺，具有效率高、质量好、用料省、成本低等工艺特点。钢厂方面，为保证冷镦钢的冷镦成型性能，在冷镦钢化学成分设计时普遍含有较高的铝含量，以起到细化晶粒提高塑性的目的。为了保证高铝钢冶炼浇铸过程中的可浇性，国内钢厂冶炼含铝冷镦钢的工艺流程主要包括：转炉初炼—氩站处理—LF精炼—钢坯连铸、转炉初炼—氩站处理—RH精炼—钢坯连铸、转炉初炼—氩站处理—LF精炼—RH精炼—钢坯连铸，其冶炼工艺流程都至少要采用LF精炼和RH精炼其中的一个。由于化学成分设计中含有较高的铝含量，冶炼脱氧通常使用铝块、铝饼、铝粒等铝进行脱氧。转炉炉后造渣方面，渣料通常使用石灰和化渣剂，以保证顶渣的流动性和埋弧效果。且由于中低碳含铝钢的浇铸难度高，尤其是钢坯断面为160*160mm小方坯，如果不经过LF和RH，可浇性非常差，铸工序会因为结瘤而中断，冶炼含铝钢的连铸难度相比于其它规格要很大。

随着合金材料的价格不断攀升，冷镦钢冶炼使用铝脱氧的成本上升；冶炼工序LF精炼、RH精炼不仅需要冶炼成本，也需要消耗能源；炉后造渣使用的化渣剂通常属于钢厂外购产品，进一步增加了冶炼成本，产生的固废又会造成环境污染。上述问题共同导致了冷镦钢的冶炼成本高、能源消耗大和环境污染。国内钢厂冷镦钢总产量约1000万吨/年，总量非常大。因为如何优化含铝冷镦钢的冶炼工艺，降低脱氧成本、简化冶炼工艺流程、取消化渣剂，进而降低含铝冷镦钢的冶炼成本，减少能源消耗和环境污染，是当前冷镦钢技术领域亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过优化含铝冷镦钢冶炼过程中的脱氧工艺，采用硅铝钙代替铝脱氧，有效降低了冶炼脱氧成本，取消了LF或RH精炼工序简化了冶炼工艺流程，取消了转炉炉后添加的化渣剂，显著降低了含铝冷镦钢的冶炼成本，减少了能源消耗和环境污染。

一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，化学成分、冶炼脱氧、炉后造渣、氩站处理、钢坯连铸、冶炼工艺流程。下面对本发明的盘条制造方法做详细叙述。

化学成分：

本发明所述含铝冷镦钢的化学成分设计按重量百分数计为C：0.12～0.50％，Si：≤0.30％，Mn：0.30～0.90％，Al：0.020～0.060％，P、S：≤0.035％，Cr、Ni、Cu≤0.20％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明的冷镦钢为起到细化晶粒提高塑性，保证冷镦钢的冷镦成型性能的目的，在化学成分设计时含有较高的Al含量；C和Mn两个设计为了保证钢具有合适的强度，以满足下游用户不同强度级别紧固件的生产需求；Si含量的设计是为了适当降低钢的硬度，以利于冷镦成型；其他元素作为残余或有害元素控制。

冶炼脱氧和炉后造渣：

冶炼脱氧和炉后造渣工序在转炉初炼完成的基础上实施，转炉初炼以铁水和废钢作为炉料，转炉脱碳、脱硅后造高碱度渣(碱度R：5～9)。转炉出钢碳控制在0.03％～0.10％，出钢温度≥1650℃，出钢过程中采用滑板挡渣，严格预防出钢下渣；出钢1/4时加入硅铝钙进行炉后冶炼脱氧(硅铝钙的化学成分按重量百分数计为Si：18～20％，Al：8～9％，Ca：25～30％，Fe：8～10％，C：10～12％，其余为氧和不可避免的杂质)，出钢1/2时加入高碳锰铁进行合金化；出钢完成后炉后造渣仅加入500kg/炉的石灰造渣，起到钢水保温和防氧化的目的，不添加化渣剂；转炉冶炼结束时取样，进行定氧操作，氧含量控制要求≤30ppm，并检验其化学成分。

本发明的冷镦钢中化学成分铝含量较高，常规冶炼脱氧通常使用铝块、铝饼、铝粒等铝进行脱氧，但随着合金材料的价格不断攀升，使用铝脱氧的成本也显著上升。本发明使用的硅铝钙是一种价格低廉的脱氧剂，可以大幅度降低含铝冷镦钢冶炼脱氧成本。硅铝钙的脱氧产物可以保证顶渣的流动性和埋弧效果，可以充当良好的预熔渣，不仅可以取消传统炉后造渣中使用的化渣剂，还为无需进行LF或RH精炼提供了条件。渣料通常使用石灰和化渣剂，以保证顶渣的流动性和埋弧效果。

进一步，硅铝钙用量为120～150kg/炉，相当于0.9～1.1kg/吨钢。硅铝钙使用量太多或太少都不利于实现本发明降低脱氧成本，简化冶炼工艺流程，取消转炉炉后添加化渣剂的效果。硅铝钙用量太少会造成脱氧能力不足，会增加氩站喂铝线调整铝含量的时间，增加铝线消耗，进而降低钢水温度和可浇性；硅铝钙用量太多会造成渣量过大无法正常喂入钙线和铝线，降低顶渣流动性和钢水可浇性，并存在较大的钢水增Si、增C风险造成化学成分超标。

氩站处理：

氩站处理工序，根据转炉冶炼结束时钢水的氧含量通过喂丝机喂入适量的铝线将铝含量调整至标准要求范围(Al含量0.020～0.060％)；随后通过喂丝机喂入适量的碳线将碳含量调整至要求范围(C含量0.12～0.50％)；化学成分调整到位后氩站处理结束，氩站总处理时间10～15min，氩站处理结束之后无需进行LF或RH精炼，直接进行连铸。

进一步，氩站处理条件为保持底吹氩气，氩气流量300～400m³/h，氩站在主要作用是底吹搅动冶炼和喂线调整化学成分。

氩站工序通过喂丝机添加碳线、铝线的方式，实现了化学成分的快速和精确调整，进一步为无需进行LF或RH精炼提供了条件，硅铝钙及用量的确定，在其基础上结合氩站的操作，最终实现了：转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸工艺流程，同时取消转炉炉后添加化渣剂的应用。

对比传统含铝冷镦钢的冶炼，为了保证高铝钢冶炼过程中的成分调整和连铸可浇性，其冶炼工艺流程都至少要采用LF精炼和RH精炼其中的一个。

钢坯连铸：

钢坯连铸工序开浇炉过热度控制在30～50℃，连浇炉过热度控制在≤25℃；二冷段冷却采用中等冷却强度(比水量0.6～0.8L/kg)，冷却方式采用气雾冷却或喷水冷却；连铸过程中包使用碱性覆盖剂，连铸拉速控制在2.4～2.8m/min，连铸采用恒拉速控制；开启结晶器电磁搅拌(电流190～210A，频率2.8～3.2Hz)和末端电磁搅拌(电流190～210A，频率5.8～6.2Hz)；钢坯断面为160*160mm小方坯。

冶炼工艺流程为：转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸。

本发明的冶炼脱氧方法在含铝冷镦钢冶炼中的应用，采用硅铝钙代替铝脱氧有效降低了脱氧成本，且研究硅铝钙用量其基础上结合氩站的操作，协同后不仅取消了LF或RH精炼工序，简化冶炼工艺流程；本发明的脱氧+造渣方式有效降低了顶渣的熔点，进而提高了流动性，进一步取消了转炉炉后添加化渣剂，显著降低含铝冷镦钢的冶炼成本，减少了能源消耗和环境污染。

具体实施方式

本发明：含铝冷镦钢SWRCH15A的具体化学成分如下(其它无特别说明的，均是常规工艺)：

Wt，％

C

Si

Mn

P

S

Cr、Ni、Cu

Al

0.13-0.18

≤0.10

0.30-0.60

≤0.030

≤0.035

≤0.20

0.020～0.060

钢的冶炼工艺流程：转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸

实施例1

1、化学成分

化学成分设计按重量百分数计为C：0.14％，Si：0.05％，Mn：0.35％，P：0.011％，S：0.008％，Cr：0.02％，Ni：0.01％，Cu：0.03％，Al：0.035％。

2、冶炼脱氧和炉后造渣

冶炼脱氧和炉后造渣工序在转炉初炼完成的基础上实施，转炉初炼以铁水和废钢作为炉料，转炉脱碳、脱硅后造高碱度渣(碱度R：6.8)。

转炉出钢碳控制在0.05％，出钢温度1655℃，出钢过程中采用滑板挡渣；出钢1/4时加入140kg硅铝钙进行炉后脱氧，出钢1/2时加入高碳锰铁进行合金化；出钢完成后炉后仅加入500kg/炉的石灰造渣，不添加化渣剂；转炉冶炼结束时取样，进行定氧操作，并检验其化学成分。

3、氩站处理

根据转炉冶炼结束时钢水的氧含量和成分，通过喂丝机加入适量的铝线和碳线，快速将铝、碳含量调整至要求范围；氩站保持底吹氩气，氩气流量300m³/h，氩站处理完成后无需进行LF或RH精炼，直接进行连铸，氩站总处理时间12min。

4、钢坯连铸

连浇炉过热度23℃，二冷段冷却采用中等冷却强度(比水量0.7L/kg)，冷却方式采用气雾冷却；连铸过程中包使用碱性覆盖剂，连铸拉速控制在2.6m/min，连铸采用恒拉速控制；开启结晶器电磁搅拌(电流200A，频率3.0Hz)和末端电磁搅拌(电流200A，频率6.0Hz)；钢坯断面为160*160mm小方坯。

实施例2

1、化学成分

化学成分设计按重量百分数计为C：0.18％，Si：0.07％，Mn：0.51％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：0.03％，Ni：0.01％，Cu：0.04％，Al：0.041％。

2、冶炼脱氧和炉后造渣

冶炼脱氧和炉后造渣工序在转炉初炼完成的基础上实施，转炉初炼以铁水和废钢作为炉料，转炉脱碳、脱硅后造高碱度渣(碱度R：8)。

转炉出钢碳控制在0.06％，出钢温度1657℃，出钢过程中采用滑板挡渣；出钢1/4时加入130kg硅铝钙进行炉后脱氧，出钢1/2时加入高碳锰铁进行合金化；出钢完成后炉后仅加入500kg/炉的石灰造渣，不添加化渣剂；转炉冶炼结束时取样，进行定氧操作，并检验其化学成分。

3、氩站处理

根据转炉冶炼结束时钢水的氧含量和成分，通过喂丝机加入适量的铝线和碳线，快速将碳含量调整至要求范围；氩站保持底吹氩气，氩气流量400m³/h，氩站处理完成后无需进行LF或RH精炼，直接进行连铸，氩站总处理时间15min。

4、钢坯连铸

连浇炉过热度22℃，二冷段冷却采用中等冷却强度(比水量0.8L/kg)，冷却方式采用气雾冷却；连铸过程中包使用碱性覆盖剂，连铸拉速控制在2.7m/min，连铸采用恒拉速控制；开启结晶器电磁搅拌(电流210A，频率3.2Hz)和末端电磁搅拌(电流210A，频率6.2Hz)；钢坯断面为160*160mm小方坯。

对比例1

将实施例1步骤2中“出钢1/4时加入硅铝钙进行炉后脱氧”替换为“出钢1/4时加入铝块/铝饼/铝粒进行炉后脱氧”，其他条件同实施例1。

对比例2

将实施例1步骤2中“出钢完成后炉后仅加入适量的石灰造渣，不添加化渣剂”替换为“出钢完成后炉后不加入石灰造渣，不添加化渣剂”，其他条件同实施例1。

对比例3

将实施例1步骤2中“140kg/炉硅铝钙”替换为“180kg/炉硅铝钙”，其他条件同实施例1。硅铝钙用量太多也会降低顶渣流动性和钢水可浇性。

本发明实施例与对比例含铝冷镦钢冶炼的化学成分、顶渣质量(流动性和埋弧效果)、连铸可浇性比较如下表1：

表1

	化学成分	顶渣熔点(℃)	埋弧效果	连浇炉数(炉)
					实施例1	合格	1519	良好	24
实施例2	合格	1535	良好	23
					对比例1	合格	1658	较差	1
对比例2	合格	1515	较差	2
					对比例3	不合格	1512	良好	4

备注：1.采用“转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸”工艺流程，顶渣质量良好，即流动性好(渣熔点≤1550℃)、埋弧效果好，才能减少钢水与空气的接触氧化，进而保证正常连铸。2.连浇炉数是判断可浇性的重要指标，通常连浇炉数≥15炉时可浇性较好，并且为经济浇次。

Claims

1.一种含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：含铝冷镦钢的主要化学成分范围按重量百分数计为C：0.12～0.50％，Si：≤0.30％，Mn：0.30～0.90％，Al：0.020～0.060％，P、S：≤0.035％，Cr、Ni、Cu≤0.20％，其余为铁和不可避免的杂质；

含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺为：转炉初炼—氩站处理—钢坯连铸；

转炉初炼：转炉初炼以铁水和废钢作为炉料，转炉脱碳、脱硅后造高碱度渣；

转炉出钢碳控制在0.03％～0.10％，出钢温度≥1650℃，出钢过程中采用滑板挡渣；出钢1/4时加入硅铝钙进行炉后脱氧，硅铝钙用量为120～150kg/炉，出钢1/2时加入高碳锰铁进行合金化；出钢完成后炉后加入石灰造渣，不添加化渣剂；转炉冶炼结束时取样，进行定氧操作，并检验其化学成分；

氩站处理：根据转炉冶炼结束时钢水的氧含量喂入铝线将铝含量调整至标准要求范围，随后通过喂丝机喂入碳线将碳含量调整至要求范围，氩站处理结束之后，无需进行LF或RH精炼，直接进行连铸；

钢坯连铸：连铸拉速控制在2.4～2.8m/min，连铸采用恒拉速控制；开启结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。

2.根据权利要求1所述含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：所述硅铝钙的化学成分按重量百分数计为Si：18～20％，Al：8～9％，Ca：25～30％，Fe：8～10％，C：10～12％，其余为氧和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：所述造高碱度渣的碱度R：5～9，加入500kg/炉石灰造渣。

4.根据权利要求1所述含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：所述氩站处理条件为保持底吹氩气，氩气流量300～400m³/h，氩站总处理时间10～15min。

5.根据权利要求1所述含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：所述钢坯连铸工序中开浇炉过热度控制在30～50℃，连浇炉过热度控制在≤25℃；二冷段冷却采用中等冷却强度，冷却方式采用气雾冷却或喷水冷却；连铸过程中包使用碱性覆盖剂；钢坯断面为160*160mm小方坯。

6.根据权利要求1所述含铝冷镦钢的冶炼脱氧工艺，其特征在于：所述结晶器电磁搅拌的电流190～210A，频率2.8～3.2Hz，末端电磁搅拌的电流190～210A，频率5.8～6.2Hz。