获得细晶粒20Cr钢的脱氧工艺

摘要

本发明公开了一种获得细晶粒20Cr钢的脱氧工艺，它包括以下步骤：（1）铁水脱硫及冶炼；（2）将步骤（1）预脱氧后的钢水送往氩站精炼；（3）LF精炼；（4）方坯连铸。本发明通过控制转炉终点碳含量并协同采用合适的铝脱氧，避免钢液氧和铝含量过高，使20Cr钢中生成适量的AlN颗粒，利用高熔点的AlN颗粒阻碍晶粒在加热过程中的长大倾向，达到提高钢质纯净度和晶粒度的目的，并且本发明不需要额外投资，在现有设备上即可实施，投资和运行成本低且能有效降低冶炼过程氧气和铝的消耗，具有良好的经济效益，从而实现低成本大规模生产本质细晶粒20Cr钢的目标。

说明书

技术领域

本发明涉及属于炼钢技术领域，具体是指一种获得细晶粒20Cr钢的脱氧工艺。 

背景技术

20Cr钢是铬系合金结构钢中最典型的基础品种，市场需求量巨大，广泛用于汽车、矿山机械等制造行业，用于制造心部强度要求较高、表面承受磨损、截面尺寸在30mm以下或形状较复杂而载荷不大的渗碳零件，如齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销、蜗杆等；用于要求热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后可进行高频表面淬火；也可用作工作速度大并承受中等冲击负荷的调质零件，在我国国民经济和国防建设中起着重要的作用。 

随着社会经济的发展，用户对20Cr钢性能要求越来越高，但工艺简单、价格低廉的20Cr为本质粗晶粒钢，在常温渗碳过程中，奥氏体晶粒度短时间内易粗化造成钢中晶粒度超标，显著降低钢材力学性能、焊接性能以及疲劳性能等，严重影响20Cr钢的使用性和安全性。因此，需要开发一种简单易行且成本低廉的技术，以降低20Cr钢中晶粒度长大倾向。实践应用表明细晶粒20Cr钢，不仅能避免晶粒粗大带来的诸多问题，还能有效提升20Cr钢品质，较好满足市场愈来愈严苛的要求，具有良好的社会效益和经济效益。 

面对20Cr钢晶粒易粗大的难题，采用强脱氧剂铝进行脱氧，降低钢中氧含量的同时生成适量的AlN颗粒，利用高熔点的AlN颗粒阻碍晶粒在加热过程中的长大，是生产细晶粒、高品质20Cr钢行之有效的方法。转炉和电炉冶炼过程是氧化反应，主要是碳氧反应，通过向熔池吹氧，达到去除质元素、降低碳含量和提升钢液温度的目的，容易造成钢液碳含量过低、氧含量过高等问题，对后 续脱氧、合金化造成压力。为解决此问题，传统工艺往往采用大量铝脱氧和添加增碳剂，但这不仅会加大铝和增碳剂的消耗，而且过多高熔点的铝脱氧产物还易产生连铸不畅和钢质纯净度降低等问题，增加了冶炼成本并使得钢材性能恶化。 

发明内容

本发明的目的在于开发一种获得细晶粒20Cr钢的脱氧工艺，以克服20Cr钢晶粒易粗大的难题，从而达到低成本、高效率生产细晶粒20Cr钢的目的。 

为实现上述目的，本发明提供了一种获得细晶粒20Cr钢的脱氧工艺，其特征在于：它包括以下步骤： 

1）按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼，转炉或电炉冶炼出钢控制终点C≥0.08%，在转炉出钢的出钢量达总出钢量的22%～26%时，按0.6～0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

2）将步骤1）预脱氧后的钢水送往氩站精炼，吹氩处理2～5min后按1.25～1.3m/吨钢喂入铝线，继续吹氩处理并搅拌3～6min； 

3）将步骤2）吹氩精炼后的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加入Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中的Als质量百分比为0.02%～0.05%； 

4）将步骤3）的钢水送至连铸工序，连铸成钢坯。 

作为优选方案，所述步骤1）中，在转炉出钢的出钢量达总出钢量的25%时，按0.7～0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

所述步骤2）中，吹氩处理2～3min后按1.25m/吨钢喂入铝线，继续吹氩处理并搅拌3～5min； 

所述步骤3）中，控制钢水中的Als质量百分比为0.025%～0.45%。 

作为又一种优选方案，所述步骤1）中，在转炉出钢的出钢量达总出钢量的25%时，按0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧。 

作为又一种优选方案，所述步骤2）中，吹氩处理2min后按 1.25m/吨钢喂入铝线，继续吹氩处理并搅拌3min。 

作为又一种优选方案，所述步骤3）中，控制钢水中的Als质量百分比为0.035%。 

进一步地，所述步骤2）中，喂入的铝线规格为直径10mm，每米重量为205g/m，以质量百分比计含99.75%Al、0.05%Mg，其余为Fe及不可避免的杂质。 

本发明钢水冶炼中C与O存在平衡关系，C低O则高、C高氧则低，因此控制钢中合适C含量能降低后续脱氧的压力，出钢控制终点C≥0.08%，能保证钢中合适的氧含量和AlN含量，从而达到提高晶粒度的目的。 

本发明的优点在于：本发明通过控制转炉终点碳含量并协同采用合适的铝脱氧，避免钢液氧和铝含量过高，使20Cr钢中生成适量的AlN颗粒，利用高熔点的AlN颗粒阻碍晶粒在加热过程中的长大倾向，达到提高钢质纯净度和晶粒度的目的，并且本发明不需要额外投资，在现有设备上即可实施，投资和运行成本低且能有效降低冶炼过程氧气和铝的消耗，具有良好的经济效益，从而实现低成本大规模生产本质细晶粒20Cr钢的目标。 

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。 

实施例1： 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼。转炉出钢控制终点C为0.08%，出钢量达总出钢量的22%按0.6kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，吹氩2min后按1.3m/吨喂入铝线，继续吹氩搅拌3min； 

铝线规格：直径10mm，重量205g/m，含99.75%Al、0.05%Mg其余为Fe及其它不可避免的杂质。 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.02%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

实施例2： 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼。转炉出钢控制终点C为0.10%，出钢量达总出钢量的26%按0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，吹氩5min后按1.25m/吨喂入铝线，继续吹氩搅拌6min； 

铝线规格：直径10mm，重量205g/m，含99.75%Al、0.05%Mg其余为Fe及其它不可避免的杂质。 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.03%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

实施例3： 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼。转炉出钢控制终点C为0.12%，出钢量达总出钢量的25%按0.7kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，吹氩3min后按1.25m/吨喂入铝线，继续吹氩搅拌5min； 

铝线规格：直径10mm，重量205g/m，含99.75%Al、0.05%Mg其余为Fe及其它不可避免的杂质。 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.04%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

实施例4： 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼。转炉出钢控制终点C为0.15%，出钢量达总出钢量的25%按 0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，吹氩2min后按1.25m/吨喂入铝线，继续吹氩搅拌3min； 

铝线规格：直径10mm，重量205g/m，含99.75%Al、0.05%Mg其余为Fe及其它不可避免的杂质。 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.05%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

实施例5： 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼。转炉出钢控制终点C为0.09%，出钢量达总出钢量的25%按0.8kg/吨钢加入铝块进行预脱氧； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，吹氩5min后按1.25m/吨喂入铝线，继续吹氩搅拌5min； 

铝线规格：直径10mm，重量205g/m，含99.75%Al、0.05%Mg其余为Fe及其它不可避免的杂质。 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.03%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

各实施例工艺参数见表1。 

对比例1： 

（工艺步骤同实施例1）不同之处在于: 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼；转炉出钢控制终点C为0.07%; 

B、将步骤A的钢水送往氩站，进行脱氧并持续吹氩使成分和温度均匀； 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适 量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.01%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

对比例2： 

（工艺步骤同实施例1）不同之处在于: 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼；转炉出钢控制终点C为0.05%； 

B、将步骤A的钢水送往氩站，进行脱氧并持续吹氩使成分和温度均匀； 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.009%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

对比例3： 

（工艺步骤同实施例1）不同之处在于: 

A、按20Cr钢种成分要求，进行常规铁水脱硫及转炉或电炉冶炼；转炉出钢控制终点C为0.03%; 

B、将步骤A的钢水送往氩站，进行脱氧并持续吹氩使成分和温度均匀； 

C、将步骤B的钢水送往LF炉进行常规精炼，化好渣后加适量Al丸、SiC粉进行渣面脱氧，控制钢水中Als0.0015%。 

D、将步骤C的钢水送往连铸工序，连铸成坯。 

各对比例工艺参数见表1。 

实施例和对比例效果见表2。 

表1：工艺参数及成品钢中氧含量 

表2：20Cr钢晶粒度级别 

从表2可知，采用本发明20Cr钢晶粒度级别≥10，而采用传统工艺20Cr钢晶粒度级≤8，表明本发明具有显著的技术优势且无需设备改造或升级，因而具有良好的可操作性和市场竞争力。 

本发明的工作原理和参数设计： 

转炉出钢终点C含量，对后续脱氧制度有着重要影响。碳氧反应是转炉吹炼过程中最重要的化学反应，其化学反应式如下： 

[C]+[O]＝CO  ${\Delta }_r{G}_m^{\theta }=-22364-39.63\mathrm{TJ}·{\mathrm{mol}}^{-1}---\left(1\right)$

在炼钢温度（1550～1700℃）范围内且p′_CO＝100kPa时，（1）式的反应平衡常数随温度变化不大，碳氧浓度积为： 

ω[C]·ω[O]≈0.0025      (2) 

从（2）式可知，转炉终点碳含量与钢液氧含量有关。根据C-O 平衡的原理，钢中C小于0.08%，转炉钢水中自由氧含量将达到300-800ppm，钢水处于过氧化状态。因此，本发明转炉出钢控制终点C≥0.08%。 

Als含量，用Al脱氧时发生如下化学反应： 

2[Al]+3[O]＝Al₂O₃(s)${\Delta }_r{G}_m^{\theta }=-1225000+393.8\mathrm{TJ}·{\mathrm{mol}}^{-1}---\left(3\right)$

[Al]+[N]＝AlN(s)${\Delta }_r{G}_m^{\theta }=-247000+107.5\mathrm{TJ}·{\mathrm{mol}}^{-1}---\left(4\right)$

Als含量过低时，会增加溶解氧含量使钢中氧化物含量增加，影响钢的组织性能，且达不到细化晶粒的目的；Als含量过高时，虽然可以使溶解氧控制在较低水平并细化晶粒，但较高的Als会增加钢液浇注时的二次氧化，产生的Al₂O₃夹杂滞留在钢中影响钢材性能。因此，本发明Als控制在0.020%～0.050%。 

本发明工艺脱氧能力强，采用本发明生产的成品20Cr钢中氧含量可控制在15～25ppm，成品20Cr钢的细化晶粒度效果显著，20Cr钢晶粒度级别均≥10级；且本工艺成本低廉，易于大规模推广，无需额外投资，在现有技术装备条件下便可实现大规模生产本质细晶粒20Cr钢。 

本发明内容中其他的几点说明： 

喂线法（wirefeecling）：将密度较小，容易氧化的精炼添加剂做成线材，用喂线机将其投入钢水深处，对钢水进行炉外精炼的一种方法。 

铝线喂线法：该法产生的背景是低碳铝镇静钢生产的迫切需要。低碳铝镇静钢对铝含量的要求比较苛刻。铝含量过低，降低钢的非时效性，使钢的塑性下降，冲压性能差；铝含量过高，则又会在钢中形成大量簇状的Al₂O₃夹杂，使钢板表面质量变坏，加工困难，且钢水中高的Al₂O₃夹杂还会引起浇铸水口的堵塞。采用传统的加铝方法，如铝块法、铝铁法、铝箱法等，铝的收得率低，更重要的是成品钢中溶解铝含量的命中率太低，不能满足深冲钢生产的要求。采用喂线法加铝，通过控制铝线直径和投射速度，可精确地 控制加铝量。同时，选择适当的铝线喂入位置和深度，使铝线在钢液深处搅拌强烈的部位熔化，可减少铝的氧化损失，使铝的收得率提高且重现性好，从而可以精确控制钢中铝含量。