專利名稱：一種合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金結(jié)構(gòu)鋼冶煉技術(shù)，尤其是指合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物形態(tài)的控制技術(shù)。

背景技術(shù)：
隨著合金結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品的質(zhì)量需求水平不斷向高、精、尖領(lǐng)域發(fā)展，如鐵路彈簧鋼、鐵路軸承鋼、軋輥、氣門彈簧、懸架彈簧、鋼簾線、輪胎鋼絲、鋼絞線等鋼種在實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下要承受高動(dòng)態(tài)應(yīng)力、高的疲勞周期載荷的作用；因此，高動(dòng)態(tài)應(yīng)力的高強(qiáng)度鋼要求有超純凈度的產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量。非金屬夾雜物的形態(tài)和尺寸、殘余元素含量等作為純凈度的關(guān)鍵指標(biāo)備受各冶金行業(yè)人士的關(guān)注。殘余元素含量依賴于冶煉原材料純凈度的控制，而非金屬夾雜物的形態(tài)和尺寸卻可以通過(guò)冶金物理化學(xué)過(guò)程來(lái)控制。
傳統(tǒng)的合金結(jié)構(gòu)鋼的冶煉采用鋁脫氧、高堿度渣真空精煉技術(shù)；其不足之處在于鋼中夾雜物以氧化物、硫化物、硅酸鹽夾雜物、點(diǎn)狀不變形夾雜物形態(tài)存在于鋼中；由于渣系堿度高、鋼-渣界面張力大，對(duì)鋼中夾雜物的吸附能力弱，使鋼中的夾雜物不易于上浮去除；由于渣系粘度高，真空過(guò)程中鋼中氣體不易于擴(kuò)散上浮溢出，使鋼中的氣體含量較高；且鋼中夾雜物以氧化物、點(diǎn)狀不變形夾雜物形態(tài)存在，該類型夾雜物是以脆性?shī)A雜物Al2O3為主的夾雜物，高動(dòng)態(tài)應(yīng)力的高強(qiáng)度鋼，在工程使用過(guò)程中，脆性?shī)A雜物在鋼中周圍會(huì)產(chǎn)生一種有害的張力場(chǎng)，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使鋼的使用疲勞壽命降低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法，旨在提高合金結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，即改善鋼中非金屬夾雜物的組成和尺寸來(lái)提高鋼材的純潔度，進(jìn)一步滿足高動(dòng)態(tài)應(yīng)力、高周疲勞載荷下的純凈鋼的需求。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是， 一種合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法，其包括如下步驟 第一步鋼水初煉 1)配料 普通廢鋼占爐料比例30～50％；直接還原鐵(HBI)，占爐料比例20～40％，分散裝入料斗中下部；低硫生鐵，S≤0.030％，占爐料比例20～35％； 2)熔化期提前造渣，初煉過(guò)程爐內(nèi)底吹氬；避免鋼液從大氣中吸氮。初煉過(guò)程爐內(nèi)底吹氬、嚴(yán)禁吹氮； 3)出鋼 出鋼條件[P]≤0.005％；[S]≤0.005％；出鋼溫度1640～1660℃； 第二步爐外精煉 初煉爐出鋼1/3時(shí)，鋼包加入造渣劑10～15kg/t造渣；造渣劑渣系堿度為1.3～1.5，加入量10～15kg/t鋼；其成分質(zhì)量百分比為，CaO 40.0±1.0％，MgO 20±2.0％，Al2O3 10.0±3.0％，SiO2 30.0±1.0％，P2O5≤0.10％，S≤0.05％；粒度3-25mm； 爐外精煉爐(LF)加熱工位采用Si-Fe粉及SiC粉擴(kuò)散脫氧，使脫氧產(chǎn)物呈低熔點(diǎn)、熔融狀態(tài)好，易于在精煉過(guò)程中上浮；Si-Fe粉及SiC粉分批加入，根據(jù)渣況及鋼中硅含量情況調(diào)整加入量及加入批次，每間隔10～20分鐘加入一批，每批用量0.5～1kg/t，精煉過(guò)程始終保持脫氧良好； 在鋼包進(jìn)入真空脫氣前定氧，根據(jù)氧活度情況加入脫氧劑，加入量按成品硅含量要求中限配加，根據(jù)氧活度微調(diào)結(jié)晶硅量；脫氧劑采用純度≥97％的結(jié)晶硅，粒度≤20mm； 第三步真空精煉 真空過(guò)程在≤66.7pa下保持時(shí)間≥20min，真空后軟吹氬時(shí)間≥15min，軟吹氬強(qiáng)度≤0.10Mpa，真空后鋼包吊包溫度為1530～1540℃； 第四步連鑄 連鑄澆注系統(tǒng)采用中間包無(wú)Si無(wú)C浸入式長(zhǎng)水口氬氣保護(hù)澆注，防止二次夾雜物污染；結(jié)晶器采用電磁攪拌；連鑄坯在緩冷坑緩冷，連鑄坯全剝皮。
進(jìn)一步，連鑄過(guò)程中，過(guò)熱度≤25℃，拉速≤2.5m/min。
電爐冶煉原材料采用廢鋼，所以初煉鋼水中的P、S均很高；在初煉爐冶煉中只能去除鋼中P，而S只能在LF精煉過(guò)程中去除。由于去S的條件必須是高堿度、高還原性、高溫、低氧含量；為了使鋼中S降至很低，通常采用渣堿度大于6的高堿度渣，鋼—渣界面張力大，鋼—渣反應(yīng)效果不好，對(duì)鋼中夾雜物吸附不利；同時(shí)渣堿度高，易使渣中的Al2O3反應(yīng)還原成[Al]進(jìn)入鋼中，增加鋼中Al的二次氧化、三次氧化，易形成脆性?shī)A雜物，對(duì)鋼材質(zhì)量及疲勞壽命不利；鋼中夾雜物分布易形成簇狀脆性?shī)A雜物。本專利采用低硫生鐵控制初煉爐中鋼水的硫含量，在LF爐一次性調(diào)整渣系堿度1.3～1.5的合成渣進(jìn)行LF精煉和VD精煉。
夾雜物形態(tài)控制技術(shù)的核心是使鋼中的夾雜物呈可延展性狀態(tài)，其夾雜物組成是具有高SiO2含量的低熔點(diǎn)復(fù)合夾雜物。這些特殊的夾雜物的化學(xué)成分位于靠近假硅灰石/鈣長(zhǎng)石/鱗硅界面，這是一個(gè)低熔點(diǎn)共晶區(qū)，這個(gè)組成區(qū)域的夾雜物在軋制加工時(shí)易于變形，且在高動(dòng)態(tài)應(yīng)力、高強(qiáng)度狀態(tài)使用過(guò)程中不易于產(chǎn)生疲勞裂紋；要得到這樣的夾雜物組成要建立一個(gè)合適的渣—鋼平衡，使渣的成分接近于夾雜物成分。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明為避免鋼中的脆性?shī)A雜物產(chǎn)生及使鋼中脆性?shī)A雜物充分上浮去除，避免脆性?shī)A雜物滯留在鋼中造成對(duì)鋼的使用性能的不利影響； 采用低堿度渣系和結(jié)晶硅脫氧精煉技術(shù)，其脫氧生成物是以SiO2為主，且不含Al、Ti的復(fù)合夾雜物，其熔點(diǎn)低，與鋼渣接觸界面張力小，易于被鋼渣吸附上浮進(jìn)入鋼渣中，達(dá)到去除的目的；使夾雜物組成呈低熔點(diǎn)、低硬度(塑性)狀態(tài)，而這些夾雜物對(duì)鋼材變形、拉絲、疲勞壽命都是無(wú)害的；而沒(méi)有被鋼渣吸附去除的滯留在鋼中的殘余夾雜物，由于其延展性比較好，在鋼材進(jìn)行熱加工過(guò)程中，易于隨著鋼材的軋制變形而變形，在鋼材作為工程用鋼的實(shí)際使用中，由于鋼中夾雜物同基體鋼有較好的接觸，不易于形成微裂紋，使鋼材的韌塑性、疲勞壽命得到提高。

具體實(shí)施例方式 以下一實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
1、初煉爐 1.1 配料 普通廢鋼占爐料比例45％；HBI(直接還原鐵)，占爐料比例30％，分散裝入料斗中下部；低硫生鐵，S≤0.030％，占爐料比例25％； 1.2 偏心爐要求 上一爐出鋼爐內(nèi)無(wú)帶料冷鋼，防止殘余元素污染，爐內(nèi)的剩余鋼水盡可能全部倒清；出鋼口EBT必須完好、確保出鋼鋼流順暢； 1.3 熔化期提前造渣，避免鋼液從大氣中吸氮，爐料熔化70％由震動(dòng)加料機(jī)分批加入HBI，每批1000kg；初煉過(guò)程爐內(nèi)底吹氬、嚴(yán)禁吹氮； 1.4 氧化過(guò)程要確保一定的脫碳量和脫碳速度，去除氣體和夾雜，最大限度降低磷，并用適量碳球造好泡沫渣； 1.5 出鋼 出鋼條件[P]≤0.005％；[S]≤0.005％；出鋼溫度1640-1660℃； 1.6 出鋼時(shí)在鋼包中加入金屬錳合金，Mn按100％回收加到規(guī)格中上限，結(jié)晶硅的量按85％回收加到規(guī)格中限，出鋼過(guò)程根據(jù)情況酌情再補(bǔ)加結(jié)晶硅，保證鋼液良好脫氧，不溢渣； 1.7 EBT出鋼采用留鋼留渣操作，爐內(nèi)留鋼10％，防止氧化渣進(jìn)入鋼包。
2、爐外精煉(LF) 2.1 造渣電爐出鋼1/3時(shí)，鋼包加入中性合成渣12kg/t； 2.2 精煉期間不采用Al脫氧； 2.3 LF加熱工位采用Si-Fe粉及SiC粉脫氧，分批加入，根據(jù)渣況及鋼中硅含量情況調(diào)整加入量及加入批次，一般每間隔15分鐘加入一批，用量0.5-1kg/t，使精煉過(guò)程要始終保持脫氧良好； 2.4 在鋼包進(jìn)入真空脫氣前定氧，根據(jù)氧活度情況加入結(jié)晶硅，加入量按成品硅含量要求中限配加，并結(jié)合定氧值，判斷脫氧效果，決定是否再進(jìn)行結(jié)晶硅量調(diào)整； 2.5 溫度控制進(jìn)真空脫氣前溫度根據(jù)鋼種情況加熱到合適值，必須保證真空過(guò)程降溫、軟吹氬過(guò)程降溫量及連鑄過(guò)程降溫，真空后不再重復(fù)加熱。
3、VD真空精煉 3.1 真空過(guò)程在≤66.7pa下保持時(shí)間≥20min.抽氣過(guò)程控制好沸騰程度； 3.2 真空后軟吹氬時(shí)間≥15min，軟吹氬強(qiáng)度≤0.10Mpa； 3.3 真空后鋼包吊包溫度為1530-1540℃。
4、連鑄 4.1 連鑄工藝參數(shù)按彈簧鋼連鑄基本工藝執(zhí)行，過(guò)熱度≤25℃，拉速≤2.5m/min； 4.2 連鑄過(guò)程嚴(yán)格控制好電磁攪拌工藝參數(shù) 4.3 結(jié)晶器電磁攪拌330/4A/Hz； 4.4 末端電磁攪拌260/15A/Hz； 4.5 防止或避免碳偏析和過(guò)度的白亮帶； 4.6 連鑄澆注過(guò)程采用整體浸入式水口氬氣保護(hù)澆注； 4.7 連鑄坯型140×140mm～340×340mm連鑄坯。
5、軋制成線材； 6、實(shí)施例中殘余元素含量 表2單位(wt％) 表3 單位ppm 從表2和表3可以看出，采用發(fā)明的技術(shù)方案冶煉成的鋼材純潔度高，主要表現(xiàn)在 (1)有害元素S、P、Cu、Pb、As、Sb、Sn含量低，遠(yuǎn)低于一般電爐冶煉的有害元素含量； (2)氣體含量[O]、[H]、[N]含量低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)爐冶煉的氣體含量。
非金屬夾雜物尺寸和形態(tài)與疲勞 表4

表5 疲勞試樣開(kāi)裂有關(guān)數(shù)據(jù) 注FI—魚眼夾雜物；SI—表面夾雜物；M—表面基體(包括刀口) 從表4～5可以看出 按本發(fā)明方法冶煉的合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)實(shí)施純潔度控制后非金屬夾雜物為Ca、Si、Na、Al、C的復(fù)合性?shī)A雜物，非金屬夾雜物的尺寸d≤10μm。根據(jù)疲勞斷裂原因分析，不包括表面基體(包括刀口)原因，其疲勞壽命，可達(dá)到106以上，因此其非金屬夾雜物一般不會(huì)對(duì)疲勞壽命構(gòu)成影響。
初煉配料、造渣劑以及爐外精煉爐擴(kuò)散脫氧實(shí)施例參見(jiàn)表6～表8。
表6 表7 表8
權(quán)利要求
1.一種合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法，其包括如下步驟
第一步鋼水初煉
1)配料
普通廢鋼占爐料比例30～50％；直接還原鐵(HBI)，占爐料比例20～40％，分散裝入料斗中下部；低硫生鐵，S≤0.030％，占爐料比例20～35％；
2)熔化期提前造渣，初煉過(guò)程爐內(nèi)底吹氬；
3)出鋼
出鋼條件[P]≤0.005％；[S]≤0.005％；出鋼溫度1640～1660℃；
第二步爐外精煉
初煉爐出鋼1/3時(shí)，鋼包加入造渣劑10～15kg/t造渣；造渣劑渣系堿度為1.3～1.5，加入量10～15kg/t鋼；其成分質(zhì)量百分比為，CaO 40.0±1.0％，MgO 20±2.0％，Al2O3 10.0±3.0％，SiO2 30.0±1.0％，P2O5≤0.10％，S≤0.05％；粒度3-25mm；
爐外精煉爐(LF)加熱工位采用Si-Fe粉及SiC粉擴(kuò)散脫氧，分批加入，根據(jù)渣況及鋼中硅含量情況調(diào)整加入量及加入批次，每間隔10～20分鐘加入一批，每批用量0.5～1kg/t，精煉過(guò)程始終保持脫氧良好；在鋼包進(jìn)入真空脫氣前定氧，根據(jù)氧活度情況加入脫氧劑，脫氧劑采用純度≥97％的結(jié)晶硅，粒度≤20mm；
第三步真空精煉
真空過(guò)程在≤66.7pa下保持時(shí)間≥20min，真空后軟吹氬時(shí)間≥15min，軟吹氬強(qiáng)度≤0.10Mpa，真空后鋼包吊包溫度為1530～1540℃；
第四步連鑄
連鑄澆注系統(tǒng)采用中間包無(wú)Si無(wú)C浸入式長(zhǎng)水口氬氣保護(hù)澆注；結(jié)晶器采用電磁攪拌；連鑄坯在緩冷坑緩冷，連鑄坯全剝皮。
2.如權(quán)利要求1所述的合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法，其特征是，連鑄過(guò)程中，過(guò)熱度≤25℃，拉速≤2.5m/min。
全文摘要
一種合金結(jié)構(gòu)鋼非金屬夾雜物控制方法，其包括如下步驟第一步鋼水初煉1)配料；2)熔化期提前造渣；3)出鋼，出鋼條件[P]≤0.005％；[S]≤0.005％；出鋼溫度1640～1660℃；第二步爐外精煉，初煉爐出鋼1/3時(shí)，鋼包加入造渣劑；爐外精煉爐加熱工位采用Si-Fe粉及SiC粉擴(kuò)散脫氧；在鋼包進(jìn)入真空脫氣前定氧，加入脫氧劑；第三步真空精煉，真空過(guò)程在≤66.7Pa下保持時(shí)間≥20min，真空后軟吹氬時(shí)間≥15min，軟吹氬強(qiáng)度≤0.10MPa，真空后鋼包吊包溫度為1530～1540℃；第四步連鑄。本發(fā)明改善鋼中非金屬夾雜物的組成和尺寸來(lái)提高鋼材的純潔度，進(jìn)一步滿足高動(dòng)態(tài)應(yīng)力、高周疲勞載荷下的純凈鋼的需求。
文檔編號(hào)C21C7/06GK101519710SQ20081003392
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者顧文俊, 王治政, 劉湘江, 俊 林, 徐明華, 袁濟(jì)國(guó) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司