一种低碳硫系易切削钢连铸坯的生产方法

摘要

一种低碳硫系易切削钢连铸坯的生产方法，其步骤：先将废钢装入转炉后再将铁水；顶底复合吹炼；出钢；脱氧及合金化；吹氩处理；合金微调结束后进行软吹氩；吹氩结束后向钢包内加入炭化稻壳；钢水温度达1530～1570℃时开始连铸；采用中间包处理→结晶器→二冷→矫直→切割连铸工艺。本发明特点：冶炼不经脱硫、LF精炼处理等工序，连铸无漏钢现象，成分控制稳定，S、Mn元素收得率均在90%以上，加工时能使刀具磨损减低而提高使用寿命，中间包利用率高，连铸坯无皮下气泡、心部裂纹、表面裂纹等缺陷，无成分偏析，铸坯中夹杂物粗大呈球状，有利于轧后夹杂物形态控制，提高钢材切削性能。

说明书

技术领域

本发明涉及易切削钢的生产方法，具体属于低碳硫系易切削钢连铸坯的生产方法。

背景技术

近年来，机械制造业朝着高速化、精密化及自动化方向发展，为了降低切削加工成本、和提高生产效率、改善产品质量，对具有优异切削性能的硫系易切削钢越来越大。硫系易削钢是当今易切削钢中品种最多、产量最大的钢种，约占易切削钢总产量的70%，发达国家生产的硫系易切削钢已系列化、标准化。以切削性能为主的硫及硫复合易切削钢，硫含量一般在0.20%-0.40%之间，最高达到0.60%；以机械性能为主，切削性能为辅的易切削钢，含硫量在0.04-0.07%、0.08%-0.13%，做较重要的构件。硫系易切削钢中的MnS夹杂物割断了基体的连续性而使车屑易断，同时又起润滑作用而降低刀具的磨损，从而改善了钢材的切削性能，然而MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材各向异性。为了抑制这种有害影响，可以向钢中加入适量的合金元素如硒、碲、锆、钙、钛、稀土元素等，形成新的不易变形的夹杂物如MnTe, Mn(SSe)等，分布在MnS的周围，或是形成(MeMn)S硬度较高的夹杂物等，限制MnS变形，也可通过控制脱氧条件(钢中氧量)使钢中形成(Mn, Fe)(S, O)氧硫化物，由于氧的溶入，显著降低MnS的变形能力，夹杂物长宽比小，呈球状或纺锤状，有利于提高钢材的切削性能。

低碳硫系易切削钢如美国牌号1213及1215，日本牌号SUM22、SUM23及SUM25，德国牌号11SMn30及11SMn37等钢，主要用于制作受力较小而对尺寸和光洁度有要求严格的家电、仪器仪表、办公自动化、IT等制造业和机床等机加工零部件，这类钢种在切削加工过程中具有较低的切削力及切削温度、易断屑、工件表面光洁度高和刀具使用寿命高等优异的切削性能。低碳硫系易切削钢的成分特点是在钢中加入了S、P元素，钢中的S元素与Mn元素作用形成硫化锰夹杂，利用硫化锰夹杂物对切削过程中应力集中及有利于裂纹扩展等作用，提高钢材的切削性能；钢中的P元素，提高铁素体强度，从而脆化基体，提高切削性能。

低碳硫系易切削钢中S、O含量高，近似于半镇静钢、沸腾钢。此类钢种在发明初期主要采用“电弧炉熔炼+模铸”的生产方式，随着炼钢连铸技术的发展，逐渐被“电弧炉/转炉熔炼+LF二次精炼+连铸工艺”的生产方式所取代。此类钢种的生产难度大，特别是在连铸生产时，常常出现以下问题：(1) Mn、S元素成分波动大，成分控制很不稳定，硅、铝脱氧产物多，这些脆性夹杂物降低了钢材切削性能；(2)合金收得率低，冶炼采用Si-Mn、Mn合金脱氧，Mn收得率普遍在85%以下，S收得率也不高，普遍在80%以下；(3)连铸工艺困难，常出现卷渣、可浇性差、漏钢、连浇炉数少等问题，连铸控制不好，铸坯很容易产生严重的皮下气泡、成分偏析、心部裂纹、表面裂纹等问题。

经初步检索，日本专利JP19940117455、JP2005363816A提及低碳硫系易切削钢，其公开了采用增氮方式进行生产，其存在的不足：一是大大增加钢中的氮气含量，易形成气泡，导致铸坯质量不高；二是生产效率低、成本高。

中国专利号为CN200510024205.4专利文献，其公开了一种低碳高硫(硫磷)易切削结构钢连铸坯的生产方法，即“电炉/转炉+LF处理+连铸”的工艺方法。其存在的不足是炼钢周期长、生产效率低、连浇炉数少等缺点。

本发明采用“转炉+吹氩+连铸”的工艺模式，并优化生产工艺，提高生产效率，降低生产成本，最终生产出优质的低碳硫系易切削钢连铸坯。

发明内容

本发明针对目前存在工艺路线长，连铸工艺常出现卷渣、可浇性差、漏钢、连浇炉数少、影响切削性能的硬性氧化物含量较多的不足，提供一种高炉铁水不需经脱硫处理，扒渣后直接装入转炉，连铸工艺稳定，不会产生漏钢，提高连浇炉数，连铸坯质量优良的硬性氧化物含量少的低碳硫系易切削钢连铸坯的生产方法。

实现上述目的的措施：

一种低碳硫系易切削钢连铸坯的生产方法，其步骤：

1) 现将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，铁水与废钢的装入比例控制在10: 1～3；

2) 进行顶底复合吹炼：在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束；

3) 出钢：控制出钢温度在1650～1720℃，钢中的氧活度为500～900ppm；

4) 脱氧及合金化：当出钢至钢水总量的20～40%时，按照0.05~0.50公斤/ppm×氧活度而加入Si-Al-Mn合金；当出钢至钢水总量的41～70%时，根据钢种成分设计要求依次加入锰铁、硫化亚铁及磷铁进行合金化；当出钢至钢水总量的80～95%时，按照4～7公斤/吨钢加入精炼渣，精炼渣中的CaO/SiO₂比值控制为1.0～2.0；

5) 进行吹氩处理：钢水温度在1590~1610℃时进行合金微调；

6) 合金微调结束后进行软吹氩，时间为4～15分钟；

7) 吹氩结束，按照1.15~1.55公斤/吨钢向钢包内加入炭化稻壳；

8) 当钢水温度达到1530～1570℃时，开始连铸；

9) 连铸工艺：中间包处理→结晶器→二冷→矫直→切割；在连铸工艺中并控制如下参数：

a) 采用长水口氩封及中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.60~0.79公斤/吨钢加入低碳覆盖剂；

b) 控制结晶器的液面高度为结晶器总高度的80～85%，并进行电磁搅拌，电磁搅拌线圈中心钢液流动速度控制在0.4~1.0米/秒；

c) 控制铸坯的拉坯速度在0.9～1.5米/分钟；

d) 结晶器保护渣的加入量控制为0.3~0.5公斤/吨钢；

e) 控制结晶器冷却水流量在2000~3500升/分钟；

f) 二次冷却区的比水量控制在0.40~0.80升/公斤钢，连铸坯在二次冷却区的平均冷却速度控制在0.2~1.0℃/秒；

g) 矫直温度控制在900~970℃。

其特征在于：Si-Al-Mn合金的化学组分及重量百分比含量为：Si：10~17%、Al：10~18%、Mn：67~75%。

其特征在于：精炼渣终渣的化学组分及重量百分比含量为：35~49%CaO、20~45%SiO₂、5~25%Al₂O₃、8~20%MgO。

其特征在于：起吊至连铸平台前，钢液中氧浓度控制在81~150ppm。

其特征在于：浸入式水口插入结晶器的深度为120～180毫米。

其特征在于：低碳覆盖剂的CaO/SiO₂比值控制为0.8~0.95。

其特征在于：结晶器保护渣的粘度在1300℃条件下为0.50~0.85泊，CaO/SiO₂比值为0.68~0.84。

本发明中控制一些主要工艺参数的理由：

出钢温度：出钢温度之所以控制在1650~1720℃，是因为当出钢温度高于1720℃时，将会大大增加冶炼消耗并容易使钢液中氧浓度上升；当出钢温度小于1650℃时，出钢后又得不到热量补充，钢液温度逐渐降低后，影响后续合金化及吹氩工艺，浇注作业也将无法顺行。

出钢氧活度：将出钢氧活度控制在900ppm以下，是因为钢水氧活度过高，会使钢包侵蚀程度加强，降低钢包使用寿命，同时还增加脱氧成本；出钢氧活度在500ppm以上，是因为钢中需要保留一部分氧来更好控制钢中夹杂物，避免后续工艺造成钢液中氧含量过低。

采用SiAlMn合金脱氧，脱氧产物容易上浮，并且大大提高并稳定Mn、S、P合金元素的收得率，并根据要求控制SiAlMn合金的加入量，保证钢液有合适的氧浓度。

起吊至连铸平台前，钢液中氧浓度控制在81~150ppm，是因为钢液中高氧浓度有利于形成粗大球状、轧后变形小的硫化物夹杂，从而提高钢的切削性能，但是过高的氧浓度会给连铸作业造成很大困难，容易出现铸坯皮下气泡、心部裂纹等问题，降低铸坯质量，因此钢液氧浓度应控制在81~150ppm。

浸入式水口插入结晶器的深度为120～180毫米，是因为水口插入过浅，从水口出钢孔流出的钢水容易使钢液面波动大，影响熔融保护渣的正常流入，也影响到坯壳与结晶器壁之间的润滑，易造成漏钢、卷渣；水口插入太深，从水口出钢孔流出钢水带到钢液面的热量不足，使结晶器保护渣熔化不好，流入坯壳与结晶器壁之间的液渣较少，不能均匀润滑坯壳，影响铸坯质量甚至造成漏钢。因此浸入式水口插入结晶器的深度设定为120～180毫米。

二次冷却区的比水量控制在0.40~0.80升/公斤钢，连铸坯在二次冷却区的平均冷却速度控制在0.2~1.0℃/秒，是因为二冷区冷却强度过小，应造成连铸坯产生鼓肚和拉漏等问题，冷却强度过大，连铸坯心部容易出现严重疏松、缩孔、心部裂纹等缺陷，同时造成矫直温度降低，铸坯高温塑性降低，容易形成矫直裂纹。

控制电磁搅拌线圈中心钢液流动速度控制在0.4~1.0米/秒，是因为合适的钢液流动速度有利于打断柱状晶，提高铸坯等轴晶率，使钢液成分均匀，避免出现皮下气泡缺陷；过高流动速度容易使液面波动过大，可能形成卷渣甚至漏钢等问题，因此，应控制钢液流动速度在0.4~1.0米/秒。

矫直温度控制在900~970℃，是因为低碳硫系易切削钢在800~不超过900℃之间存在高温脆性，矫直温度过低，容易产生矫直裂纹；矫直温度过高，对二次冷却区控制要求过于苛刻，易使连铸坯形成心部缺陷，甚至造成漏钢等生产事故。

本发明与现有技术相比，其特点在于：(1)冶炼工艺简单，现场可操作性强；(2)连铸无漏钢，生产事故少；(3)由于不经脱硫、LF精炼处理等工序，降低能耗；(4)成分控制稳定，S、Mn元素收得率高，都可达到90%以上；由于能使Si＜0.02%，Al＜0.003%，故使硅、铝脱氧产物少，减少刀具磨损提高刀具寿命；(5)连浇炉数能达7炉以上，从而提高了中间包利用率，减少耐材消耗，生产效率得以提高；(6)连铸坯无皮下气泡、心部裂纹、表面裂纹等缺陷，同时铸坯成分均匀，无成分偏析，铸坯表面质量优良；(7)铸坯中夹杂物粗大呈球状，有利于轧后夹杂物形态控制，提高钢材切削性能。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：表1为本发明各实施例性能检测情况列表；

实施例1

试验条件：采用工艺：转炉熔炼→氩站吹氩→弧形连铸机连铸，生产断面尺寸为200×200mm²，美国牌号1215低碳硫系易切削钢连铸坯的步骤如下：

1) 现将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，铁水与废钢的装入比例控制在10:1.5；

2) 进行顶底复合吹炼：在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束；

3) 出钢：控制出钢温度在1685~1690℃，钢中的氧活度为800ppm；

4) 当出钢至钢水总量的20%时，按照0.35公斤/ppm×800ppm(出钢氧活度)而加入Si-Al-Mn合金280公斤，Si-Al-Mn合金的化学组分及重量百分比含量为：Si：10%、Al：15%、Mn：75%；当出钢至钢水总量的为55%时，根据钢种成分依次加入锰铁、硫化亚铁及磷铁进行合金化；当出钢至钢水总量的82%时，按照4Kg/吨钢加入精炼渣，精炼渣终渣的化学组分及重量百分比含量为：37.5%CaO、25%SiO₂、22.5%Al₂O₃、15%MgO，精炼渣的CaO/SiO₂比值为1.5；

5) 进行吹氩处理：钢水温度在1590~1595℃时进行合金微调；

6) 合金微调结束后进行软吹氩，时间为4.5分钟；

7) 吹氩结束，按照1.2公斤/吨钢加入炭化稻壳；起吊至连铸平台前，钢液中氧浓度为98ppm；

8) 当钢水温度达到1537～1547℃时，开始进行连铸；连浇炉数达9炉；

9) 连铸工艺：中间包处理→结晶器→二冷→矫直→切割；在连铸工艺中并控制如下参数：

a) 采用长水口氩封及中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.61公斤/吨钢加入CaO/SiO₂比值为0.92的低碳覆盖剂；

b) 控制结晶器的液面高度为结晶器总高度的80%，并进行电磁搅拌，线圈中心钢液流动速度控制在0.6米/秒；

c) 控制铸坯的拉坯速度在1.2米/分钟；

d) 采用粘度为0.85泊、CaO/SiO₂比值为0.8的结晶器保护渣，保护渣的加入量为0.4kg/吨钢；

e) 结晶器冷却水流量控制在3000升/分钟；浸入式水口插入结晶器的深度为125毫米；

f) 二次冷却区的比水量控制在0.40升/公斤，连铸坯在二次冷却区的平均冷却速度控制在0.22℃/秒；

g) 进行矫直，矫直温度为965℃。

实施例2

试验条件：采用工艺：转炉熔炼→氩站吹氩→弧形连铸机连铸，生产断面尺寸为150×150mm²，日本牌号SUM22低碳硫系易切削钢连铸坯的步骤如下：

1) 现将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，铁水与废钢的装入比例控制在10:2；

2) 进行顶底复合吹炼：在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束；

3) 出钢：控制出钢温度在1715~1720℃，钢中的氧活度为800ppm；

4) 当出钢至钢水总量的20%时，按照0.051公斤/ppm×800ppm(出钢氧活度)而加入Si-Al-Mn合金44.88公斤，Si-Al-Mn合金的化学组分及重量百分比含量为：Si ：14%、Al ：16%、Mn：70%；当出钢至钢水总量的60%时，根据钢种成分依次加入锰铁、硫化亚铁及磷铁进行合金化；当出钢至钢水总量的90%时，按照7Kg/吨钢加入精炼渣，精炼渣终渣的化学组分及重量百分比含量为：49%CaO、25%SiO₂、6%Al₂O₃、20%MgO，精炼渣的CaO/SiO₂比值为1.96；

5) 进行吹氩处理：钢水温度在1595~1600℃时进行合金微调；

6) 合金微调结束后进行软吹氩，时间为9分钟；

7) 吹氩结束，按照1.5公斤/吨钢加入炭化稻壳；起吊至连铸平台前，钢液中氧浓度为135ppm；

8) 当钢水温度达到1540～1550℃时，开始进行连铸；连浇炉数达8炉；

9) 连铸工艺：中间包处理→结晶器→二冷→矫直→切割；在连铸工艺中并控制如下参数：

a) 采用长水口氩封及中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.73公斤加入CaO/SiO₂比值为0.90的低碳覆盖剂；

b)控制结晶器的液面高度为结晶器总高度的80%，并进行电磁搅拌，线圈中心钢液流动速度控制在1.0米/秒；

c) 控制铸坯的拉坯速度在1.5米/分钟；

d）采用粘度为0.55泊、CaO/SiO₂比值为0.7的结晶器保护渣，保护渣的加入量为0.3kg/吨钢；

e) 结晶器冷却水流量控制在3000升/分钟；浸入式水口插入结晶器的深度为170毫米；

f）二次冷却区的比水量控制在0.6升/公斤，连铸坯在二冷区的平均冷却速度控制在0.65℃/秒；

g) 进行矫直，矫直温度930℃。

实施例3

试验条件：采用工艺：转炉熔炼→氩站吹氩→弧形连铸机连铸，生产断面尺寸为220×220mm²，德国牌号11SMn37低碳硫系易切削钢连铸坯的步骤如下：

1) 现将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，铁水与废钢的装入比例控制在10:3；

2) 进行顶底复合吹炼：在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束；

3) 出钢：控制出钢温度在1660~1665℃，钢中的氧活度为600ppm；

4) 当出钢至钢水总量的20%时，按照0.45公斤/ppm×600ppm(出钢氧活度)而加入Si-Al-Mn合金270公斤，Si-Al-Mn合金的化学组分及重量百分比含量为：Si ：15%、Al ：14%、Mn：71%；当出钢至钢水总量的为68%时，根据钢种成分依次加入锰铁、硫化亚铁及磷铁进行合金化；当出钢至钢水总量的93%时，按照5Kg/吨钢加入精炼渣，精炼渣终渣的化学组分及重量百分比含量为：44%CaO、40%SiO₂、6%Al₂O₃、10%MgO，精炼渣的CaO/SiO₂比值为1.1；

5) 进行吹氩处理：钢水温度在1605~1610℃时进行合金微调；

6) 合金微调结束后进行软吹氩，时间为15分钟；

7) 吹氩结束，按照1.3公斤/吨钢加入炭化稻壳；起吊至连铸平台前，钢液中氧浓度为85ppm；

8) 当钢水温度达到1560～1570℃时，开始进行连铸；连浇炉数达10炉；

9) 连铸工艺：中间包处理→结晶器→二冷→矫直→切割；在连铸工艺中并控制如下参数：

a)采用长水口氩封及中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.79公斤/吨钢加入CaO/SiO₂比值为0.80的低碳覆盖剂；

b)控制结晶器的液面高度为结晶器总高度的80%，并进行电磁搅拌，线圈中心钢液流动速度控制在0.4米/秒；

c) 控制铸坯的拉坯速度在1.0米/分钟；

d）采用粘度为0.75泊、碱度为0.75的结晶器保护渣，保护渣的加入量为0.5kg/吨钢；

e) 结晶器冷却水流量控制在3000升/分钟；浸入式水口插入结晶器的深度为140毫米；

f）二次冷却区的比水量控制在0.80升/公斤，连铸坯在二次冷却区的平均冷却速度控制在1℃/秒；

g) 采用拉矫机对连铸坯进行矫直，矫直温度910℃。

 

表1 实施例1中9炉钢中合金收得率及Si、Al含量

连浇炉序号123456789Mn加入量,%0.8920.9140.8860.9240.9150.8930.9040.8890.916Mn收得量,%0.8360.8420.8310.8820.8720.8560.8540.8370.904Mn收得率,%949294959596949499S加入量,%0.2810.2720.2850.2660.2570.2730.2640.2820.274S收得量,%0.2760.2560.2710.2490.2380.2540.2400.2600.258S收得率,%989495949393919294P加入量,%0.0510.0540.0480.0570.0460.0540.0560.0500.053P收得量,%0.0500.0530.0480.0580.0470.0530.0570.0490.055P收得率,%98981001021029810298104Si含量,%0.0090.0080.0110.0070.0080.0140.0080.0120.010Al含量,%0.0010.0020.0010.0020.0010.0020.0020.0010.002

表2 实施例2中8炉钢中合金收得率及Si、Al含量

连浇炉序号12345678Mn加入量,%0.854 0.829 0.822 0.864 0.880 0.865 0.835 0.813 Mn收得量,%0.8110.7960.7730.7950.8010.8130.8020.756Mn收得率,%9596949291949693S加入量,%0.273 0.279 0.273 0.257 0.259 0.309 0.300 0.289 S收得量,%0.2510.2620.2480.2390.2460.2810.2760.263S收得率,%9294919395919291P加入量,%0.084 0.079 0.065 0.068 0.082 0.094 0.093 0.082 P收得量,%0.0810.0760.0640.0680.0830.090.0910.081P收得率,%979698100101969899Si含量,%0.0090.0120.0130.0160.0100.0110.0080.009Al含量,%0.0020.0010.0010.0010.0010.0010.0020.001

表3 实施例3中10炉钢中合金收得率及Si、Al含量

连浇炉序号12345678910Mn加入量,%1.3391.4201.4431.3791.5411.2641.3501.3761.3961.459Mn收得量,%1.2451.3061.3561.3241.4021.2261.2691.2521.2981.357Mn收得率,%93929496919794919393S加入量,%0.3660.3600.3920.3710.3720.3830.3910.3760.3740.371S收得量,%0.3510.3420.3610.3380.3420.3560.3680.3570.3480.341S收得率,%96959291929394959392P加入量,%0.0660.0570.0660.0660.0780.0720.0590.0670.0610.072P收得量,%0.0630.0560.0670.0640.0750.0680.0560.0620.0590.071P收得率,%969810297969495939698Si含量,%0.0100.0150.0090.0150.0120.0130.0120.0110.0080.011Al含量,%0.0010.0010.0010.0010.0020.0010.0010.0020.0020.001

从表1~3可以看出，铸坯成分控制稳定，S、Mn、P元素收得率高，并使Si＜0.02%，Al＜0.003，使得硅、铝脱氧产物少。连铸坯无皮下气泡、心部裂纹、表面裂纹等缺陷，同时铸坯成分均匀，无偏析问题，表面质量优良，连浇炉数达7炉以上。连铸坯中夹杂物颗粒粗大呈球状，分布均匀，轧后钢中硫化锰夹杂物长宽比小，钢材切削性能优良。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。