CN102102138B - 一种解决钢中铜偏析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解决钢中铜偏析的方法，包括转炉或电炉熔炼、钢水脱氧及合金化、精炼、连铸或模铸，其特征在于，采取如下步骤：1)在转炉出钢后向钢中加入铝进行预脱氧和合金化；2)然后加入增碳剂、硅铁或铌铁或二者混合进行钢液脱氧和合金化；3)再加入FeS和锰或者在精炼处理后加入FeS和锰；4)精炼处理后最后加入锆铁进行终脱氧。本发明适用碳含量在0.05％～0.5％的钢。此方法提高了钢材的质量，铜得到了细小弥散的析出，未见其在晶界有明显的偏聚。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高钢材质量的方法，具体地说涉及一种解决钢中铜偏析的方法。
背景技术
铜对于大多数钢种来说是有害元素，其主要危害是在炼钢生产过程中钢的冷却时及铸坯的轧制再加热时铜易在晶界偏聚，高温下导致钢材热脆。
近年来，随着炼钢技术的不断发展以及降低炼钢成本的要求，炼钢过程中使用的原料的废钢比不断提高，尤其对于电炉炼钢来说，废钢是其主要的原料。而铜作为废钢的主要残余元素，不论采用哪种炼钢方法，在废钢的使用过程中，铜都会被大量的带入钢中，严重地威胁着钢的质量。
目前国内外对于解决钢中铜偏析的方法主要集中在降低原料中的铜含量，即降低废钢中的铜含量。近年来产生的一些废钢脱铜技术有熔化分离法(铝液脱铜法、铅提取法)、气化分离法(减压下喷吹氨气脱铜法、固气反应脱铜法)、硫化物熔剂脱铜法(液态冰铜脱铜法)等(茅洪祥，马国军.钢铁中残余铜分离技术研究现状.特殊钢.2000(3)：1～5；刘利，李长荣.废钢循环过程中铜的蓄积与脱除技术.江苏冶金.2003(4)：4～7)。然而，这些脱铜技术存在工艺复杂、成本高、效果差、技术还不成熟等问题，因此，没有一种方法能经济有效简便地在工业生产中应用。
目前，实际生产中解决钢中铜含量超标的方法是稀释法，即在炼钢过程中添加不含铜的原料如优质生铁、直接还原铁等来降低钢中铜含量。
现有技术都是基于降低钢中或原料(废钢)中的铜含量来解决钢中铜偏析对钢材质量造成的危害，因此不能从根本上解决钢中铜偏析的问题。
目前，转炉炼钢的废钢比也在不断地提高，因此，无论是电炉炼钢还是转炉炼钢，如果能从根本上解决钢中铜偏析的问题，放宽原料中铜的上限，扩大炼钢原料的来源，将会大大降低炼钢成本，提高钢材质量。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明所要解决的问题是提供了一种新的解决钢中铜偏析的方法，利用本方法生产的钢中未发现明显的铜在晶界的偏聚，显著地提高钢的质量。
本发明的具体技术方案如下：
(1)工艺路线：转炉(或电炉)熔炼→钢水脱氧及合金化→精炼→连铸(或模铸)。
(2)钢水采取下述脱氧及合金化顺序：1)在转炉出钢后向钢中加入铝进行预脱氧和合金化；2)然后加入增碳剂、硅铁或铌铁或二者混合进行钢液脱氧和合金化；3)再加入FeS和锰或者在精炼处理后加入FeS和锰；4)精炼处理后最后加入锆铁进行终脱氧。
此脱氧方式的目的是：首先在钢中添加Al进行钢水的预脱氧及合金化处理，使钢中产生大量的Al3O2夹杂物，并使大颗粒Al3O2夹杂物能够有时间得以充分排除(通常冶炼过程中是采用Al进行终脱氧，Al的脱氧产物中大颗粒的Al2O3很难从钢液中有足够的时间充分排除)。然后分别或同时加入增碳剂、硅铁进行钢液脱氧和合金化，其目的是使钢液进一步脱氧以及对钢水进行合金化处理。然后分别或同时加入锰铁和FeS，加入锰铁目的是使钢水进一步脱氧以及合金化，加入FeS是为了调整钢中硫含量在0.010％～0.030％之间，使钢中产生大量的MnS夹杂物。待精炼炉处理后，最后向钢液中加入锆铁，其目的是使最后向钢中添加锆合金进行钢水的终脱氧，使钢中产生大量的锆脱氧产物以及使这些锆脱氧产物与之前加入铝形成的Al3O2夹杂物以及加入的硅铁、锰铁、铌铁形成的夹杂物结合，形成Zr-Al复合脱氧产物以及Zr-Al-Si等复合脱氧产物。
(3)钢水在精炼炉处理后向钢中添加锆铁前，钢液氧活度应控制在0.0100％～0.0300％范围内。
本发明加锆铁前的钢液氧活度应控制在0.0100％～0.0300％范围内。如果氧含量高于0.0300％，钢中将析出大颗粒夹杂物，影响钢的质量；如果氧含量低于0.0100％，将导致钢液中没有足够的氧与所加入的锆铁发生反应，结果在钢液中就不会析出大量弥散分布的锆夹杂物以及Zr-Al等复合夹杂物。此方式的目的是：通过钢水氧含量控制，使钢中产生大量的锆脱氧产物以及Zr-Al等复合脱氧产物，为钢中MnS的大量析出提供有效行核质点。
(4)钢水在用锆铁终脱氧后需要镇静250～350s。
此方式的目的是：为了使钢水在用锆铁终脱氧后得到细小的、弥散分布的锆氧化物夹杂及Zr-Al等复合氧化物夹杂以及MnS在其上析出，需要有一定的孕育时间。当孕育时间小于250s时，钢液中加入的锆铁脱氧不充分以及生成的锆氧化物夹杂及Zr-Al等复合氧化物夹杂数量较少，没有为MnS的析出提供足够的异质形核质点；当孕育时间大于350s时，钢液中生成的锆氧化物夹杂及Zr-Al等复合氧化物夹杂将逐渐长大排除，数量急剧减少，同样减少了MnS异质析出的形核质点，不利于实现MnS在钢中的弥散析出。
(5)钢水采用下述冷却方式：钢水连铸或模铸后以空冷方式冷却至室温。
钢水连铸或模铸后采取以空冷方式冷却至室温，目的是控制铸坯凝固后的冷却速度，使钢中产生的这些大量的锆脱氧产物(锆氧化物夹杂)及Zr-Al等复合脱氧产物(Zr-Al等复合氧化物夹杂)能够细小、弥散分布于钢中。本实施方式的最终目的是利用钢中产生的这些大量的、细小的、弥散分布的锆氧化物夹杂以及Zr-Al等复合氧化物夹杂，使MnS在其上析出，进而促使铜在其上析出，避免钢中铜在晶界偏聚，为钢中铜的弥散析出提供有效形核质点。
(6)钢水最终成分中：C：0.05％～0.5％。
本发明所适用的钢为碳含量在0.05％～0.5％的钢。碳含量过低(＜0.05％＝，将会提高Ac1、Ac3、Ar1、Ar3的温度，进而提高了钢再加热处理时的温度，这样会加剧铜在晶界的偏聚，恶化钢的性能。同时，本发明不适用于碳含量较高的钢(＞0.5％)，钢中的碳含量＞0.5％，钢中将产生大量的碳化物以及碳氮化物，抑制了钢中氧化锆及其复合夹杂物的大量形成，大大减少了Cu的异质形核质点，不利于Cu在钢中的弥散析出。因此，本发明适用于C：0.05％～0.5％的钢。
(7)钢水最终成分中：Zr：0.010％～0.050％；Als：0.001％～0.015％。
Zr在本发明中起到关键作用，本发明的关键技术为在钢中产生大量的、细小的、弥散分布的Zr氧化物夹杂以及Zr-Al等复合氧化物夹杂，通过氧化物冶金技术的研究发现，MnS会在这些夹杂物上析出，因此这些大量的、细小的、弥散分布的含有Mns的复合夹杂物为Cu的弥散析出提供了有效异质形核质点。因此本发明中要求钢中要有一定的Zr含量。但过高的Zr(＞0.050％)会对钢的韧性不利，因此钢中的Zr含量控制在0.010％～0.050％之间。
Al为本发明中钢水预脱氧所必须的元素，同时也是本发明中钢中产生大量的、细小的、弥散分布的Zr-Al复合氧化物夹杂所必须的元素，因此钢中要含有一定的Al。另一方面，若钢中的Al含量超过0.015％，从钢的组织上考虑，钢中的M-A组织比率将增大，这样会恶化钢的韧性，因此钢中的Al控制在：0.001％～0.015％之间。
(8)钢水最终成分中：S：0.010％～0.030％；Mn：1.0％～2.0％；
S对于绝大多数钢种来说是有害元素，其主要危害为S在钢的热轧过程中产生热脆现象，严重影响钢的质量，理论上钢中的S含量越低越好，但考虑到本发明要利用钢中的MnS夹杂物作为Cu弥散析出的异质形核质点，因此钢中要有一定的硫含量，但考虑到上述S对钢的危害，硫含量控制在0.010％～0.030％为宜。
Mn在本发明中除了作为合金元素在钢中起到提高钢的各项性能外，更重要的是促使钢中产生大量的弥散分布的含MnS的复合夹杂物作为Cu弥散析出的异质形核质点，因此钢中要有一定的Mn含量，但考虑到过高的Mn含量(＞2.0％)会恶化钢的韧性，因此，本发明要求钢中Mn：1.0％～2.0％之间。
此种方法从根本上解决钢中铜偏析的问题，能放宽原料中铜的上限，扩大炼钢原料的来源(尤其是电炉炼钢原料)，提高废钢比，减少废钢原料的清理、分选等工序，提高生产效率，提高钢材的质量，创造显著的经济效益。采用本发明所述的技术方案生产的钢中，铜得到了细小弥散的析出，未见其在晶界有明显的偏聚。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
铜对钢的主要危害为铜易在晶界偏聚，高温下导致钢材热脆。因此，如能创造条件使铜在钢中细小弥散析出，不在晶界偏聚，则可消除铜对钢的危害，甚至变害为利，起到改善钢材某些性能的作用。
本实施方式为在260吨顶吹转炉中熔炼低碳钢，此钢熔炼过程为：转炉吹炼后，首先在出钢后加入铝52.0kg进行钢液预脱氧及合金化处理，出钢后同时加入增碳剂83.8kg、硅铁563.0kg、铌铁209.0kg进行钢液脱氧和合金化，随后钢水进入LF炉进行精炼处理。待钢液处理完后，同时向钢中加入FeS24.3kg和锰铁4724.2kg。然后采用定氧探头测定钢中的氧活度为0.0120％时，采用锆铁362.4kg进行钢液终脱氧。锆铁加入后钢液镇静260s。随后将钢水进行连铸，钢水连铸后铸坯采取以空冷方式冷却至室温。本实施方式的目的是：首先在钢中添加铝进行钢液的预脱氧及合金化处理，使钢中产生大量的Al3O2夹杂物，并使大颗粒Al3O2夹杂物能够有时间得以充分排除。然后同时加入增碳剂、硅铁、铌铁进行钢液脱氧和合金化，其目的是使钢液进一步脱氧以及对钢水进行合金化处理。然后同时加入锰铁和FeS，加入锰铁目的是使钢水进一步脱氧以及合金化，加入FeS是为了调整钢中硫含量，使钢中产生大量的MnS夹杂物。待精炼炉处理后，最后向钢液中加入锆铁，其目的是使最后向钢中添加锆合金进行钢水的终脱氧，使钢中产生大量的锆脱氧产物以及使这些锆脱氧产物与之前加入铝形成的Al3O2夹杂物结合，以及加入的硅铁、锰铁、铌铁形成的夹杂物结合，形成Zr-Al复合脱氧产物以及Zr-Al-Si等复合脱氧产物。
本实施例冶炼的低碳钢成分见表1。
表1实施例1的实验钢成分(wt％)
采用实施例1的方法冶炼的实验钢的试样中未发现明显的铜在晶界的偏聚。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于冶炼钢种为中碳钢。转炉吹炼结束钢液出钢后加铝78.0kg进行预脱氧及合金化处理。出钢后分别加入增碳剂1230.7kg、硅铁1343.3kg进行钢液脱氧和合金化。随后钢水进入LF炉进行精炼处理。待钢液处理完后，分别向钢中加入FeS37.26kg和锰铁3652.1kg。然后采用定氧探头测定钢中的氧活度，当钢液氧活度控制在0.0200％时，采用锆铁393.9kg进行钢液终脱氧。锆铁加入后钢液镇静300s。此钢成分见表2。
表2实施例2的实验钢成分(wt％)
采用实施例2的方法冶炼的实验钢的试样中未发现明显的铜在晶界的偏聚。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于提高了钢中的锰、硫含量。转炉吹炼后，首先在出钢时加入铝34.8kg进行钢液预脱氧及合金化处理，出钢后同时加入增碳剂335.1kg、硅铁1430.0kg、铌铁209.3kg进行钢液脱氧和合金化。然后同时向钢中加入FeS112.7kg和锰铁4154.6kg，随后钢液进入LF精炼炉处理。待钢液处理完后，采用定氧探头测定钢中的氧活度，当钢液氧活度控制在0.0250％时，采用锆铁299.4kg进行终脱氧。锆铁加入后钢液镇静350s。此钢成分见表3。
表3实施例3的实验钢成分(wt％)
采用实施例3的方法冶炼的实验钢的试样中未发现明显的铜在晶界的偏聚。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于提高了钢中的锆含量。转炉吹炼后，首先在出钢时加入铝78.0kg进行钢液预脱氧及合金化处理。出钢后同时加入增碳剂277.3kg、硅铁953.3kg、铌铁215.8kg进行钢液脱氧和合金化。随后钢水进入LF炉进行精炼处理。钢液在LF炉处理时分别向钢中加入FeS27.7kg和锰铁4824.7kg，待钢液处理完后，采用定氧探头测定钢中的氧活度，当钢液氧活度控制在0.0300％时，采用锆铁740.6kg进行终脱氧。锆铁加入后钢液镇静280s。此钢成分见表4。
表4实施例4的实验钢成分(wt％)
采用实施例4的方法冶炼的实验钢的试样中未发现明显的铜在晶界的偏聚。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于提高了钢中的铜含量。转炉吹炼后，首先在出钢时加入铝67.6kg进行钢液预脱氧及合金化处理。出钢后同时加入增碳剂479.6kg、硅铁996.7kg、铌铁228.9kg进行钢液脱氧和合金化。随后钢水进入LF炉进行精炼处理。待钢液处理完后，同时向钢中加入FeS34.7kg和锰铁3149.5kg。然后采用定氧探头测定钢中的氧活度，当钢液氧活度控制在0.0150％时，采用锆铁346.7kg进行终脱氧。钢液加入锆铁进行终脱氧后镇静330s。此钢成分见表5。
表5实施例5的实验钢成分(wt％)
采用实施例5的方法冶炼的实验钢的试样中未发现明显的铜在晶界的偏聚。
各实施例中铜在晶界的偏析指数见表6。
表6实施例中铜在晶界的偏析指数
Claims (1)
1.一种解决钢中铜偏析的方法，包括转炉或电炉熔炼、钢水脱氧及合金化、精炼、连铸或模铸，其特征在于，采取如下步骤：1）在出钢后向钢中加入铝进行预脱氧和合金化；2）然后加入增碳剂与硅铁或铌铁或二者混合进行钢液脱氧和合金化；3）再加入FeS和锰或者在精炼处理后加入FeS和锰；4）精炼处理后最后加入锆铁进行终脱氧；5）所述的钢水在精炼炉处理后向钢中添加锆铁前，钢液氧活度应控制在0.0100%~0.0300%范围内；所述的钢水在用锆铁终脱氧后镇静250~350s；所述的钢水连铸或模铸后以空冷方式冷却至室温；所述的钢水最终成分中按重量百分比为：C：0.05%~0.5%，Zr：0.010%~0.050%，Als：0.001%~0.015%，S：0.010%~0.030%，Mn：1.0%~2.0%。
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| 李岩等.残余元素铜在中碳钢中的析出规律.《中国科技论文在线》.2008,第3卷(第11期),第849-852页. |
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