一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺

摘要

本发明是一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，其工艺流程为：废钢+热装铁水→电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→大方坯连铸成坯（EAF‑LF‑VD‑CCM工序流程），非调质钢中S、Alt和N的质量百分比含量分别为：S：0.020‑0.055，Alt：0.015‑0.055%，N：0.070‑0.150%。本发明的控硫控铝控氮高档非调质钢纯净度高，成分和低倍组织均匀，各向异性小，有淬透性要求的可实现带宽在4HRC以内，生产的汽车用钢不需要进行调质处理，用户可直接用于车削加工，且切削性能好，同时具有优异的抗疲劳性能。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域的非调质钢的生产工艺，具体的说是一种EAF-LF-VD-CCM短流程生产线制造控硫控铝控氮高档非调质钢的生产工艺。

背景技术

钢铁材料有着良好的强度和低温韧性，因此在机械、汽车、工程制造业中占有重要地位。钢的质量和寿命以及加工性能直接制约着经济发展和节能环保。20世纪70年代开始的石油危机，对汽车工业用材和工艺产生了强烈的影响，对能否省去耗能很大的调质工序产生了极大兴趣，从而促进了非调质钢的研制与开发。非调质钢是热轧或者热锻后的钢铁材料不经过正火、淬火和回火的调质处理而直接投入使用的钢铁材料，具有简化生产工艺，取消淬火、回火工序，减少变形开裂，提高产品性能和绿色环保等优点，降低了生产能耗和成本。

目前非调质钢主要用于汽车工业。为了发挥其节能、节材等优点,逐渐将其应用范围扩大到建筑用材、重型工程结构、高压输送管道、桥梁、高压容器、集装箱、船舶等。这些用途的钢材一般占社会对钢材总需求量的60％左右,所以非调质钢应用前景广阔,将成为现代钢铁工业的主力产品之一。但与国外先进水平相比,中国非调质钢的生产与应用仍处于较低水平。随着中国现代交通运输业的快速发展,能源供需矛盾尖锐、环保要求日益迫切,对高品质非调质钢制品的需求剧增,要求其具有良好的冶金质量和性能水平，在开发高强韧非调质钢的同时做好非调质钢生产与应用的基础工作，是扩大非调质钢应用的一个重要方面。

细化钢的晶粒能有效地提高钢的韧性、保持高强度。非调质钢中常添加Al、Ti、N等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎奥氏体晶界，提高奥氏体晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制奥氏体再结晶，从而细化奥氏体晶粒。增氮可提高T iN的稳定性,阻止奥氏体晶粒粗化，试验表明，每增加10ppm的氮可以提高非调质钢6～10MPa的屈服强度。加Ti与不加Ti钢断裂试验对比结果表明，其裂纹产生能量相近，而含Ti钢因其组织精细裂纹扩展阻力加大，裂纹扩展能量提高，因而韧性提高。为了提高非调质钢的切削性能,在非调质钢中通常加入0.02％～0.08％的硫，同时又能起到奥氐体晶粒细化的作用。因此控铝控氮控硫非调质钢成为汽车用非调质钢的主流钢种。

为了保证非调质钢零部件的服役寿命,对钢材的洁净度提出了越来越严格的要求，非调质钢的生产研发大多开始于电炉短流程生产线，但绝大多数电炉短流程生产线配以EAF-LF-VD-CCM流程。VD工艺具有钢渣混冲，去气去夹杂的作用，生产低硫钢具备得天独厚的条件。对于控铝控氮控硫非调质钢来说，难度巨大，主要原因为提高钢水洁净度,采用钢包精炼加VD真空脱气工艺,以尽可能降低钢中氧含量；精炼渣采用高碱度渣系而形成还原性气氛,以改善夹杂物上浮条件,避免钢液二次氧化。然而,上述工艺形成的还原性气氛、低氧含量也促进了钢水的脱硫,加之VD中钢渣接触面积加大，同时VD处理后加入大量的氮化合金、铝铁等调整成分，极大地污染了钢水，使得高档非调质钢要求的高洁净度和控硫控氮在炼钢生产上存在较大矛盾，较长时期无法生产出高品质的非调质钢。

发明内容

本发明涉及的控硫控铝控氮高档非调质钢主要应用于汽车发动机系统，如曲轴用钢38MnSiVS5等、连杆用钢C70S6、46MnVS6等；汽车转向系统，如转向节用钢F40MnVS等；汽车行驶系统，如控制臂用钢20MnCrS5等；汽车传动系统，如传动轴用钢F45MnVS、销轴用钢C38MnNS5等等，它们有一个共同特点就是绝大多数汽车用钢的基本要求，即零缺陷高纯净高强韧性，对于EAF-LF-VD-CCM工序流程来说，其关键技术就是确定最佳的精炼脱氧造渣工艺、增硫增氮工艺、钙处理工艺以及连铸全保护、电磁搅拌、二冷配水和轻压下工艺技术，实现稳定浇铸。

因此，本发明所要解决的技术问题是：如何在不需要进行调质处理下提高控硫控铝控氮高档非调质钢的纯净度，使其具有优异的抗疲劳性能。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，其工艺流程为：废钢+热装铁水→电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→大方坯连铸成坯(EAF-LF-VD-CCM工序流程)，所述非调质钢中S、Alt和N的质量百分比含量分别为：S：0.020-0.055，Alt：0.015-0.055％，N：0.070-0.150％；

⑴电炉出钢前通过二次补加铁水脱氧，将钢水氧含量控制在300ppm以下；

⑵在电弧炉冶炼出钢过程中钢包底搅正常吹氩气，主要元素除S、Alt、N外，使用相应种类合金及增碳剂调整到判定范围下限的85％，Alt到精炼炉第一个样达判定成分范围中上限；

⑶精炼过程如果成品成分氮含量在100ppm以上，则全程吹氮气35-50分钟，如果氮含量在70-100ppm，缩短吹氮时间，吹氮气时间控制在25-40分钟，并切换为氩气搅拌；除钢中N和S成分外，对其它成分按判定中限进行点成分控制，分别使用硅锰、硅铁、高纯石墨碳材和钒铁调整Mn、C、V元素至判定范围中限，Si至中下限；精炼结束进真空前用铝线微调Alt达0.040-0.055％，S≤0.008％；钙处理，吨钢喂钙量控制为0.2-0.3kg，其它成分调整至规定范围，首炉温度达钢种液相线温度以上150-160℃，连浇炉在钢种液相线温度以上140-150℃后进真空处理；

⑷VD真空处理过程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分钟切换底搅气为氩气，在真空度≤1毫巴下处理10-12min，破真空后用铝线微调Al至目标值，弱钙处理，吨钢喂钙量控制为0.05-0.1kg，无明确要求不添加Ti的钢种，喂入钛铁包芯线0.5kg/t钢，同时用氮化硅铁包芯线微调氮含量至前后炉次成分相近，成分偏差在10ppm内，软吹氩时间5-10min，后用硫磺包芯线调整S至目标值，调整S后的软吹氩时间控制为8～15min，加硫后严禁返回升温，软吹氩过程中取样分析全元素，所有元素满足判定范围且软吹氩时间满足工艺要求后即可进行连铸浇注；

⑸连铸浇注全程采用中间包灌氩操作进行保护浇注，选择钢水死区比例小于10％的优化流场型专用中间包，非调质钢使用中间包钢水平均停留时间850-920s，无短路流。

本发明的有益效果是：⑴本发明的控硫控铝控氮高档非调质钢纯净度高，成分和低倍组织均匀，各向异性小，有淬透性要求的可实现带宽在4HRC以内，交货前的A级联合探伤一次合格率内伤稳定在100％；⑵本发明可确保冶炼、连铸过程顺行，满足用户大批量订单需要；⑶本发明生产的汽车用钢不需要进行调质处理，用户可直接用于车削加工，且切削性能好，同时具有优异的疲劳性能，可替代部分进口产品，实现国产化。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，利用EAF-LF-VD-CCM工序流程生产出控硫控铝控氮高档非调质钢的工艺方法，非调质钢中S、Alt和N的质量百分比含量分别为：S：0.020-0.055，Alt：0.015-0.055％，N：0.070-0.150％，本实施例生产工艺在以下工艺流程中开展：废钢+热装铁水→100t EBT电弧炉冶炼→100t LF精炼→100t VD真空脱气→大方坯连铸成坯。

本发明所述内容在上述工艺流程中通过以下技术措施来实现的：

⑴电炉出钢前通过二次补加1～3吨铁水脱氧将钢水氧含量控制在300ppm以下，这是实现稳定浇铸及高纯净度的关键工艺技术之一。

⑵在100t EBT电弧炉冶炼出钢过程中钢包底搅正常吹氩气，主要元素除S、Alt、N外使用相应种类合金及增碳剂调整到判定范围下限的85％，Alt到精炼炉第一个样达判定成分范围中上限。

⑶100t LF精炼过程正常生产状况下成品成分在100ppm以上氮含量的全程吹氮气(压力流量同氩气使用)，35～50分钟，氮含量在70～100ppm，适当缩短吹氮时间，切换为氩气搅拌。除钢中N和S成分外，对其它成分按判定中限进行点成分控制，分别使用硅锰、硅铁、高纯石墨碳材、钒铁等调整Mn、C、V等元素至判定范围中限，Si至中下限；精炼结束进真空前用铝线微调Alt达：(0.040-0.055)％，S：≤0.008％，钙处理，吨钢喂钙量控制在(0.2-0.3)kg，其它成分调整至规定范围、温度合适后进真空处理。

⑷100t VD真空处理过程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分钟切换底搅气为氩气，在真空度≤1毫巴下处理(10-12)min，破真空后用铝线微调Al至目标值，弱钙处理，吨钢喂钙量控制在(0.05-0.1)kg，无明确要求不准添加Ti的钢种，可喂入钛铁包芯线0.5kg/t钢，同时用氮化硅铁包芯线微调氮含量至前后炉次成分相近，软吹氩时间≥5min，后用硫磺包芯线调整S至目标值，调整S后的软吹氩时间控制在8-15min，加硫后严禁返回升温，软吹氩过程中取样分析全元素，所有元素满足判定范围且软吹氩时间满足工艺要求后即可进行连铸浇注。这是实现稳定浇铸及高纯净度的关键工艺技术之三。

⑸连铸浇注全程采用中间包灌氩操作进行保护浇注，根据钢种需要选择使用流场优化型中包，高档非调质钢可使用中间包钢水平均停留时间大于850s，无短路流，钢水死区比例小于10％的优化流场型专用中间包。结晶器电磁搅拌参数选择350A*2Hz，轻压下使用2332模式。

本实施例的控硫控铝控氮高档非调质钢纯净度高，成分和低倍组织均匀，各向异性小，有淬透性要求的可实现带宽在4HRC以内，交货前的A级联合探伤一次合格率内伤稳定在100％；可确保冶炼、连铸过程顺行，满足用户大批量订单需要；生产的汽车用钢不需要进行调质处理，用户可直接用于车削加工，且切削性能好，同时具有优异的疲劳性能，可替代部分进口产品，实现国产化。

实施例2

本实施例是一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，具体为：

⑴电炉出钢前通过二次补加铁水脱氧，将钢水氧含量控制在300ppm以下；

⑵在电弧炉冶炼出钢过程中钢包底搅正常吹氩气，主要元素除S、Alt、N外，使用相应种类合金及增碳剂调整到判定范围下限的85％，Alt到精炼炉第一个样达判定成分范围中上限；

⑶精炼过程如果成品成分氮含量在100ppm以上，则全程吹氮气35分钟，如果氮含量在70ppm，缩短吹氮时间，吹氮气时间控制在25分钟，并切换为氩气搅拌；除钢中N和S成分外，对其它成分按判定中限进行点成分控制，分别使用硅锰、硅铁、高纯石墨碳材和钒铁调整Mn、C、V元素至判定范围中限，Si至中下限；精炼结束进真空前用铝线微调Alt达0.040-0.055％，S≤0.008％；钙处理，吨钢喂钙量控制为0.2kg，其它成分调整至规定范围，首炉温度达钢种液相线温度以上150℃，连浇炉在钢种液相线温度以上140℃后进真空处理；

⑷VD真空处理过程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分钟切换底搅气为氩气，在真空度≤1毫巴下处理10min，破真空后用铝线微调Al至目标值，弱钙处理，吨钢喂钙量控制为0.05-0.1kg，无明确要求不添加Ti的钢种，喂入钛铁包芯线0.5kg/t钢，同时用氮化硅铁包芯线微调氮含量至前后炉次成分相近，成分偏差在10ppm内，软吹氩时间5min，后用硫磺包芯线调整S至目标值，调整S后的软吹氩时间控制为8min，加硫后严禁返回升温，软吹氩过程中取样分析全元素，所有元素满足判定范围且软吹氩时间满足工艺要求后即可进行连铸浇注；

⑸连铸浇注全程采用中间包灌氩操作进行保护浇注，选择钢水死区比例小于10％的优化流场型专用中间包，非调质钢使用中间包钢水平均停留时间850s，无短路流。

实施例3

本实施例是一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，具体为：

⑴电炉出钢前通过二次补加铁水脱氧，将钢水氧含量控制在300ppm以下；

⑵在电弧炉冶炼出钢过程中钢包底搅正常吹氩气，主要元素除S、Alt、N外，使用相应种类合金及增碳剂调整到判定范围下限的85％，Alt到精炼炉第一个样达判定成分范围中上限；

⑶精炼过程如果成品成分氮含量在100ppm以上，则全程吹氮气40分钟，如果氮含量在80ppm，缩短吹氮时间，吹氮气时间控制在30分钟，并切换为氩气搅拌；除钢中N和S成分外，对其它成分按判定中限进行点成分控制，分别使用硅锰、硅铁、高纯石墨碳材和钒铁调整Mn、C、V元素至判定范围中限，Si至中下限；精炼结束进真空前用铝线微调Alt达0.045％，S≤0.008％；钙处理，吨钢喂钙量控制为0.25kg，其它成分调整至规定范围，首炉温度达钢种液相线温度以上155℃，连浇炉在钢种液相线温度以上145℃后进真空处理；

⑷VD真空处理过程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分钟切换底搅气为氩气，在真空度≤1毫巴下处理11min，破真空后用铝线微调Al至目标值，弱钙处理，吨钢喂钙量控制为0.08kg，无明确要求不添加Ti的钢种，喂入钛铁包芯线0.5kg/t钢，同时用氮化硅铁包芯线微调氮含量至前后炉次成分相近，成分偏差在10ppm内，软吹氩时间8min，后用硫磺包芯线调整S至目标值，调整S后的软吹氩时间控制为10min，加硫后严禁返回升温，软吹氩过程中取样分析全元素，所有元素满足判定范围且软吹氩时间满足工艺要求后即可进行连铸浇注；

⑸连铸浇注全程采用中间包灌氩操作进行保护浇注，选择钢水死区比例小于10％的优化流场型专用中间包，非调质钢使用中间包钢水平均停留时间900s，无短路流。

实施例4

本实施例是一种控硫控铝控氮非调质钢的生产工艺，具体为：

⑴电炉出钢前通过二次补加铁水脱氧，将钢水氧含量控制在300ppm以下；

⑵在电弧炉冶炼出钢过程中钢包底搅正常吹氩气，主要元素除S、Alt、N外，使用相应种类合金及增碳剂调整到判定范围下限的85％，Alt到精炼炉第一个样达判定成分范围中上限；

⑶精炼过程如果成品成分氮含量在100ppm以上，则全程吹氮气50分钟，如果氮含量在100ppm，缩短吹氮时间，吹氮气时间控制在40分钟，并切换为氩气搅拌；除钢中N和S成分外，对其它成分按判定中限进行点成分控制，分别使用硅锰、硅铁、高纯石墨碳材和钒铁调整Mn、C、V元素至判定范围中限，Si至中下限；精炼结束进真空前用铝线微调Alt达0.055％，S≤0.008％；钙处理，吨钢喂钙量控制为0.3kg，其它成分调整至规定范围，首炉温度达钢种液相线温度以上160℃，连浇炉在钢种液相线温度以上150℃后进真空处理；

⑷VD真空处理过程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分钟切换底搅气为氩气，在真空度≤1毫巴下处理12min，破真空后用铝线微调Al至目标值，弱钙处理，吨钢喂钙量控制为0.1kg，无明确要求不添加Ti的钢种，喂入钛铁包芯线0.5kg/t钢，同时用氮化硅铁包芯线微调氮含量至前后炉次成分相近，成分偏差在10ppm内，软吹氩时间10min，后用硫磺包芯线调整S至目标值，调整S后的软吹氩时间控制为15min，加硫后严禁返回升温，软吹氩过程中取样分析全元素，所有元素满足判定范围且软吹氩时间满足工艺要求后即可进行连铸浇注；

⑸连铸浇注全程采用中间包灌氩操作进行保护浇注，选择钢水死区比例小于10％的优化流场型专用中间包，非调质钢使用中间包钢水平均停留时间920s，无短路流。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。