一种脱氧、脱硫、控制钢中非金属夹杂物的方法

摘要

一种脱氧、脱硫、控制钢中非金属夹杂物的方法，属于炼钢生产技术领域。铁水脱硫后到达转炉前[S]＝0.003％～0.006％；转炉冶炼终点二元碱度(CaO)/(SiO2)在4～7，[P]＝0.003％～0.01％，出钢严格挡渣，出钢过程加入铝0.9～2公斤/吨；钢水到达LF炉后，加入高碱度渣料(重量百分组成：CaO：60％～90％，SiO2：2％～8％，Al2O3：2％～38％)4～10公斤/吨和铝0.4～1.2公斤/吨，LF处理过程中吹氩搅拌；钢水在真空处理前加入铝调整钢水中酸溶铝[Als]目标值为0.030％～0.070％，真空度(30～300)Pa的处理时间为15～30min，连铸采用全程保护浇注。适用于高强度合金结构钢和各类高强度碳钢、低合金钢、特殊钢等钢种的生产。

说明书

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，特别是提供了一种脱氧、脱硫、控制钢中非金属夹杂物的方法，主要用于高强度合金结构钢，也适用于各类高强度碳钢、低合金钢、特殊钢等钢种的生产。

背景技术

高强度合金结构钢主要用于轴件、齿轮、连杆、弹簧、螺栓等，服役过程经受循环交变应力作用，要求具备良好的抗疲劳破坏性能。钢材的疲劳破坏是零件失效的主要方式之一。统计结果表明，机械零件的失效，疲劳破坏约占90％以上。为了提高钢材的疲劳寿命，就必须大大降低钢中氧、硫含量，对钢中夹杂物的大小、形状、类型、分布进行控制。

瑞典SKF公司和日本山阳特殊钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的试验研究工作，得出了明确的结论：当钢中总氧质量分数从30×10^-6降低到10×10^-6，寿命可提高15倍；降低到约为1×10^-6，寿命可提高约30倍(Lifengzhang.Clean Steel and Inclusions.13th National SteelmaKing Conference，Kunming，Yunan，P.R.China，Dec.8，2004：138～181)。

濑户浩藏认为现代的低氧高纯净度钢中硫化物有害，减少钢中S含量是必要的(濑户浩藏著，陈洪真译.轴承钢，北京：冶金工业出版社，2003：137)。

关于夹杂物的影响，已知随着夹杂物尺寸的降低、距表面的距离的增大，疲劳寿命是提高的(殷瑞钰.钢的质量现代进展下篇，特殊钢，北京：冶金工业出版社：99)。夹杂物在钢基体内部所引起应力集中的大小与夹杂物的形状有密切的关系，夹杂物的曲率半径愈小，引起的应力集中愈严重。在交变应力作用下，裂纹优先在垂直于拉应力方向的夹杂物尖角处萌生，裂纹扩展速率也比球状夹杂物快得多(张德堂编著.钢中非金属夹杂物鉴别，北京：北京国防工业出版社，1991，6月：255)。

在现阶段生产中，通过降低钢中氧、硫含量和对夹杂物进行控制来提高钢材的疲劳寿命有两种技术路线。一种技术路线采用钢液铝脱氧和高碱度渣精炼(渣中Al₂O₃的质量分数低于20％)，能将钢液硫的质量分数降到(20～30)×10^-6，总氧的质量分数降到(3～10)×10^-6，A、B类夹杂物极少，而微小的D类夹杂物含量比率较高。另外一种技术路线则采用较低碱度渣精炼(渣中Al₂O₃的质量分数低于38％)，基本上不出现Al₂O₃夹杂和D类夹杂物，但是钢的氧含量较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脱氧、脱硫、控制钢中非金属夹杂物的方法，提高了钢材疲劳寿命。应用该方法能够将钢中总氧和硫的质量分数分别控制到(3～15)×10^-6、(5～30)×10^-6，生成的夹杂物大都是球形，夹杂物的当量直径为(1～10)微米，成分为低熔点的钙铝酸盐类夹杂，在轧制过程中能够稍许变形。

本发明的工艺为：采用铁水预处理+转炉冶炼+LF炉精炼+真空处理+连铸的工艺路线，铁水脱硫后到达转炉前[S]＝0.003％～0.006％；转炉冶炼终点二元碱度(CaO)/(SiO₂)在4～7，[P]＝0.003％～0.01％，出钢严格挡渣，出钢过程加入铝0.9～2公斤/吨，渣层厚度控制在(30～60)mm；钢水到达LF炉后，加入高碱度渣料(重量百分组成：CaO：60％～90％，SiO₂：2％～8％，Al₂O₃：2％～38％)4～10公斤/吨和铝0.4～1.2公斤/吨，15min内炉渣(FeO+MnO)含量达到0％～1％，渣中Al₂O₃质量分数为30％～60％，LF处理过程中的吹氩以不裸露钢液面为原则尽量用大气量搅拌；钢水在真空处理前加入铝调整钢水中酸溶铝[Als]目标值为0.030％～0.070％，真空处理时间(20～60)min，其中真空度(30～300)Pa的处理时间为(15～30)min；连铸时采用全程保护浇注。这样能使钢中总氧和硫的质量分数分别控制到(3～15)×10^-6、(5～30)×10^-6，生成的夹杂物大都是球形，夹杂物的当量直径为(1～10)微米，成分为低熔点的钙铝酸盐类夹杂，在轧制过程中能够稍许变形。

本发明的优点在于：转炉出钢、LF精炼过程中加入铝对钢水进行脱氧能将钢中氧含量降低到需要的范围，LF炉中采用高碱度(二元碱度(CaO)/(SiO₂)大于7)、高Al₂O₃(Al₂O₃的质量分数30％～60％)炉渣，这种渣系具有较低的熔点。这样操作能够将残留在钢中的夹杂物Al₂O₃转变成球状、低熔点的钙铝酸盐类夹杂物，在钢液中呈液态容易上浮去除、残留在钢中的是小的球状夹杂物，在钢材中没有各向异性，不影响钢材的抗疲劳性能。本合成渣具有很高的碱度，有较高的脱硫能力，渣系不加或稍加萤石，对炉衬侵蚀和环境保护都有很好的作用。钢水在真空处理过程中保证低真空(30～300)Pa条件下的处理时间为(15～30)min，能够进一步降低钢中总氧含量，促进夹杂物的上浮。连铸过程中采用全程保护浇注，防止钢水的二次氧化。

附图说明

图1 42CrMo冶炼过程中总氧和硫含量的变化；

图2 42CrMo铸坯中夹杂物形貌和大小；

图3 42CrMo铸坯中夹杂物类型。

具体实施方式

试验用钢42CrMo(化学成分重量百分比(％)：C：0.38～0.45、Si：0.17～0.37、Mn：0.50～0.80、Mo：0.15～0.25、Cr：0.90～1.20、P＜0.035，S＜0.035)。

(1)将143吨铁水倒入转炉中，铁水[S]＝0.014％，[P]＝0.08％，[C]＝3.75％，T＝1345℃，加入活性白灰7862Kg，高Mg石灰3654Kg开始吹炼，转炉吹炼时间为29min，吹炼终点[C]＝0.12％，[P]＝0.008％，[S]＝0.008％，T＝1696℃，终渣碱度5。转炉出钢严格挡渣，用桶底干净的大罐盛装钢水，出钢初期加入80Kg铝丸，出钢1/3时再加入80Kg铝丸，并且一并加入170Kg碳粉，低铝硅铁55Kg，硅锰875Kg，铬铁1950Kg，钼铁300Kg，出钢2/3时再加入90Kg铝丸，出钢时间为5min，出钢结束渣厚60mm，净空高度350mm。

(2)在LF站，钢水重136.4吨，钢水中[C]＝0.321％，[Si]＝0.142％，[Mn]＝0.666％，[P]＝0.012％，[S]＝0.005％，[O]＝0.00306％，[Cr]＝1.012％，[Mo]＝0.187％，[Als]＝0.055％，在LF炉精炼开始前，一次性加入高碱度渣料(化学重量百分组成：CaO：75％，SiO₂：6％，Al₂O₃：15％，CaF₂：5％)900Kg，同时加入90Kg的铝丸后开始精炼，13min后再加入90Kg的铝丸，20min时测得炉渣的二元碱度(CaO)/(SiO₂)为11.8，Al₂O₃含量为46％，(FeO+MnO)含量为0.4％，LF炉精炼的时间为45min，出LF站时，钢水成分为[C]＝0.312％，[Si]＝0.200％，[Mn]＝0.636％，[P]＝0.012％，[S]＝0.0014％，[Cr]＝1.025％，[Mo]＝0.185％，[O]＝0.00149％，[Als]＝0.053％，T＝1642℃。

(3)当钢水达到RH后加入铝粒20Kg，钢水重136.4吨，RH真空处理开始13min后加入锰铁185Kg，硅铁50Kg，碳粉170Kg，RH真空处理时间总为44min，其中220pa的处理时间为21min，RH结束时钢水温度1601℃，钢水成分为[C]＝0.40％，[Si]＝0.23％，[Mn]＝0.71％，[P]＝0.013％，[S]＝0.0012％，[Cr]＝1.025％，[Mo]＝0.185％，[O]＝0.00113％，[H]＝0.00017％，[Als]＝0.036％。

(4)连铸采用全程保护浇注，浇注断面为280mm×380mm，拉速0.55m/min，铸坯中[O]＝0.00085％，[S]＝0.0013％(见图1)。铸坯中的夹杂物尺寸都小于3μm，形状为球形(见图2)，成分绝大部分是低熔点的钙铝酸盐类夹杂(见图3)。