CN111763873A - 一种低碳高硫易切削钢的生产方法 - Google Patents

一种低碳高硫易切削钢的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低碳高硫易切削钢的生产方法，所述易切削钢含有下述质量分数的化学成分：C：0.14‑0.20%，Si：0.17‑0.37%，Mn：1.30‑1.60%，P：≤0.040%，S：0.080‑0.130%，Cr：0.30‑0.40%，Mo≤0.15%，Cu≤0.25%，Ni≤030%，其余为Fe及不可避免杂质；所述易切削钢的生产方法，包括铁水→转炉/电炉冶炼→氩站处理→LF精炼→浇铸→铸坯缓冷→合型轧制→剪切→打捆包装→入坑缓冷→入库；本发明就是在低碳高硫钢中加入硫化亚铁合金代替硫磺包芯线，增加钢水中的S含量，也降低钢水其他影响因素的介入，不但保证了该产品的化学成分，满足客服要求，同时有效提高钢水品质，适合广泛推广使用。

Description

一种低碳高硫易切削钢的生产方法
技术领域
本发明属于易切削钢制造技术领域，具体涉及一种低碳高硫易切削钢的生产方法。
背景技术
由于市场对钢材的要求越来越高，要求生产钢产品的洁净度也越来越高。影响钢的洁净度因素主要是钢中的夹杂物，而钢中夹杂物的主要来源是钢中的氧含量，氧含量越高，夹杂也就越多，所以，充分脱氧是提高钢水洁净度的前提。脱氧过程中，加入合金(合金均含有一定量的杂质)时，又会增加钢水中的杂质，影响钢水质量。因此，生产高品质的钢产品，除了脱氧外，还需要有效降低钢水中其他影响因素，包括钢中的氧含量、水分含量、其他有害元素、杂质等。
本发明研究的钢材属于低碳高硫系列，低碳钢生产过程中过氧化是比较严重的，在此基础上还要生产高硫系列钢，难度是比较大的。而且硫易与锰元素结合生产硫化锰(MnS)或(Mn.Fe)S产物，硫化锰是钢中最常见的非金属夹杂物之一，对于绝大多数钢来说，这种硫化物夹杂物作为钢的组成部分，它的尺寸、形状和分布严重影响着刚的性能；然而对于易切削钢来说，它的存在是增加易切削性的关键。但是，钢液中大量形成硫化锰后，在精炼过程中大部分夹杂物都容易上浮进入渣层，硫化锰也不例外，这样大大降低了Mn合金和硫合金的收得率，提高了生产成本。目前，市面上有部分涉及高硫钢生产易切削钢制造领域的产品，但不能满足低碳高硫易切削的使用范围及要求。
申请人之前生产低碳高硫钢是采用硫磺包芯线(简称硫线)合金来增加钢水中硫含量，因硫磺包芯线中硫的收得率仅80％，而且杂质较多，所以硫含量的可控性不强，收得率极度不稳定，需多次补加硫线才能满足化学成分设计要求；而且含硫的包芯线中含水，在喂入钢液时会产生氢气，氢气在钢液中会造成产品表面起泡及针孔，影响含硫易切削钢的材质。生产过程中，尤其是冶炼阶段，硫磺包芯线会散发出较大的硫磺味道，对工人的身体有极大的伤害，此外还存在增加钢水杂质风险，降低钢水品质，造成隐形的缺陷，使得钢产品不可用。
因此，为了保证获得合格的产品，降低生产成本，找到一种可以替代硫线加入低碳高硫钢的冶炼过程，实现硫含量稳定可控，是行业内亟待解决这一问题的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的低碳高硫钢大多采用硫磺包芯线来增加钢水中硫含量，因硫磺包芯线中硫的收得率仅80％，而且杂质较多，导致硫含量的可控性不强，收得率极度不稳定，且容易对操作人员身体带来极大的损害的问题，提供一种低碳高硫易切削钢的生产方法。
本发明的一种低碳高硫易切削钢的生产方法，所述易切削钢含有下述质量分数的化学成分：C：0.14-0.20％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.30-1.60％，P：≤0.040％，S：0.080-0.130％，Cr：0.30-0.40％，Mo≤0.15％，Cu≤0.25％，Ni≤030％，其余为Fe及不可避免杂质；
所述易切削钢的生产方法，包括铁水→转炉/电炉冶炼→氩站处理→LF精炼→浇铸→铸坯缓冷→合型轧制，特别是：
(1)转炉/电炉出钢温度：1600-1640℃；终点成分要求：[C]0.05％-0.10％，[P]≤0.025％；出钢过程中，加入铝锭1.4-1.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；
(2)根据氩后化学成分，加入合适的硅锰、高碳锰铁及中碳铬铁用量；检测钢中残硫值，加入硫化亚铁合金2.45-4.40Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1550℃；
(3)LF炉进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，加入适量的石灰、石英砂等原材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石1.0-1.2Kg/t及铝粒脱氧剂(用铲子将铝粒均匀的平铺在钢渣表面)，进行扩散脱氧；白渣保持时间≥15min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.0-4.0m/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间≥10min；精炼周期45-55min；吊包温度：1540-1560℃；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.4±0.1m/min，比水量为1.0-1.4L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1080-1120℃；终轧温度990-1050℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，保证钢材剪切温度≥400℃；钢材及时坑冷，保证Φ50mm及以上规格圆钢入坑温度≥400℃，Φ50mm以下规格圆钢入坑温度≥350℃，第一时间盖好缓冷盖，缓冷时间≥36h起坑。
本发明中所述硫化亚铁合金为黑褐色六方晶体结构，其中硫化亚铁含量≥99.5％。它是申请人专门委托第三方生产厂家利用硫磺、铁等化工原料加工提炼制成的。该合金为黑褐色六方晶体、纯度高、杂质少、利用率高，硫化亚铁的含量可达到99.5％以上；熔点为1200℃，不溶于水，能在钢液中迅速熔化。因该合金含的杂质极少，熔入钢液后，只有S和Fe两种成分(对于合格钢产品来说，除了合金元素外，其他均为Fe)，对钢液来说不会产生氢气造成气泡，也不会散发出硫磺味对操作人员身体健康产生危害。
控制脱氧增硫的方法有很多，但是对高纯净度钢来说，既要脱氧，又要增硫，本身就是非常矛盾的，因此钢中S的收得率会受到较大的影响，但是本发明通过有效合金替代方法，改善钢水质量，使得钢中S的含量具有可控性，有效控制在设计范围内，还减少钢水其他不良影响因素的产生，该生产方法简单、易行，操作性强，可批量生产，满足客服要求。
本发明方法采用硫化亚铁合金，大大的提高了生产效益，最主要的是硫化亚铁的使用，可以有效控制钢水中硫含量，根据氩后化学成分硫含量值，直接计算合金加入量即可，无需多次补加。采用原理，硫化锰的熔点为1610℃，当硫化锰含硫化铁时，熔点就相对降低，FeS和MnS二元共晶温度为1110℃。硫化亚铁的纯度非常高，达到99.5％以上，合金内含有的杂质非常少，加入硫化亚铁合金后不仅可以大大提高合金收得率，还能降低钢中的杂质带来的风险。
本发明中，化学成分的选择解释如下：
钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。本发明钢种主要用作空调扇叶的电机轴，对强度和韧性都有一定的要求；随着切削加工的自动化、高速化和精密化，要求钢材具有良好的易切削性也是非常重要，所以发明本钢种兼顾强度和塑韧性，也具有良好的易切削性。
碳：含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差.为了平衡强度和塑韧性，将C含量设计在0.14-0.20％之间。
硫：硫在钢中与锰和铁形成硫化锰夹杂，这类夹杂物能中断基体金属的连续性，在切削时促使断屑形成小而短的卷曲半径，而易于排除，减少道具磨损，降低加工表面粗糙度，提高道具寿命。一般钢的被切削性随钢中硫含量的增多而增高。但钢的纵向和横向的力学性能差别大，横向塑、韧性差，疲劳及耐蚀性能也有所降低。钢中硫含量过高时，会导致热脆性，对钢的热加工造成困难，恶化钢的力学性能。通常硫含量为0.08-0.30％，有的可提高到0.4％，本发明钢种S含量在0.080-0.130％就能较好的满足易切削性能，而且能控制钢中硫化锰夹杂物数量，防止硫化物夹杂物级别过高，造成其他不良影响。
磷：含硫的易切削钢中加入P，使其固溶于铁素体，引起强化和脆化，以提高其切削性能。同时P的加入，还能提高工件表面质量和延长道具使用寿命的作用。为防止造成“冷脆”，本发明钢种中P含量控制在0.040％以内。
锰：锰在本发明钢中一方面作用是提高钢的强度，另一作用是与钢中S结合生成足够的硫化锰夹杂，改善钢的易切削性能。碳钢中加入0.70％以上锰就能很好获得较好的强度硬度，本钢种还需要一部分锰与硫结合来改善钢的切削性能；如果锰含量过高又会降低钢的耐蚀性和发生回火脆性，所以将锰含量设计为1.30-1.60％，既提高强度还达到改善加工性能的要求，另外还提高钢的耐磨性，使得空调扇叶电机轴更加耐用。
硅：是钢中有益元素，一般含量在0.12-0.37％对钢产品较为有利；硅增大钢液流动性，硅含量越高，钢的抗拉强度和屈服点均提高，但是伸长率、断面收缩率及冲击韧性会显著下降。所以本钢中设计范围为0.17-0.37％。
铬：在本发明钢种中作用提高钢的强硬度和耐磨性，不让钢变脆。铬含量较高，会大幅度提高强硬度，但是苏韧性会显著下降，所以本钢中设计范围为0.30-0.40％即可满足。
本发明中具体工艺步骤中工艺参数的选择解释如下：
(1)过程温度控制对整个生产工序有直接影响，为保证产品质量，温度控制是关键；无论是炼钢还是轧钢，温度控制都是工艺的首要关注参数，所以必须精确控制过程温度；且所有有区间温度的按设计温度中值进行控制。
(2)在哪个环节选择使用脱氧剂和脱氧剂种类非常关键，转炉出钢过程加入铝锭可以大大降低钢水氧化程度，减少合金烧损及加快精炼造渣速度，减少精炼时间；
(3)连铸阶段拉速和比水量与铸坯质量息息相关，控制恒拉，也就稳定比水量，保证了铸坯在全程浇注中处于同一状态，保证了产品稳定性。
本发明就是在低碳高硫钢中加入硫化亚铁(FeS)合金代替硫磺包芯线，增加钢水中的S含量，也降低钢水其他影响因素的介入，不但保证了该产品的化学成分，满足客服要求，同时有效提高钢水品质，适合广泛推广使用。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表；
下表2为本发明各实施例钢种与原钢种生产工艺及精炼周期对比表。
表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表(wt％)；
化学元素 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C 0.14 0.16 0.18 0.19 0.20
Si 0.22 0.23 0.24 0.21 0.27
Mn 1.38 1.39 1.41 1.40 1.43
P 0.027 0.023 0.030 0.029 0.020
S 0.116 0.130 0.122 0.080 0.100
Cr 0.345 0.349 0.348 0.351 0.341
Mo 0.002 0.001 0.001 0.001 0.001
Cu 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
Ni 0.019 0.008 0.009 0.011 0.008
实施例1
本实施例的一种低碳高硫易切削钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)出钢温度：1634℃；终点成分：[C]0.08％，[P]：0.024％；T；出钢过程中，加入铝锭1.6Kg/t；再加入适量的硅锰合金、高碳锰铁、中碳铬铁等；
(2)进入氩站检测钢中残硫值为0.024，加入硫化亚铁约2.75+1.45＝4.20Kg/t(理论计算S含量增加0.060％，依据FeS中S含量及钢中S的收得率计算加入FeS含量为2.75Kg/t；再根据钢中测得的氩后S含量残值+0.060％，计算值直接与目标值进行比较，得出硫化氩铁的增减量，再与2.75Kg/t进行比较，即可得出最终加入量。下同)；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度：1636℃；氩后[S]为0.116％；
(3)进站温度：1614℃；白渣保持时间15min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.5米/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间8min；精炼周期47min；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.40m/min，比水量为1.34L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1100℃；终轧温度1020℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，钢材剪切温度460℃；钢材及时坑冷，Φ55mm规格圆钢入坑温度450℃，盖好缓冷盖，缓冷时间40h。
实施例2
一种低碳高硫易切削钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)出钢温度：1621℃；终点成分：[C]0.09％，[P]：0.020％；出钢过程中，加入铝锭1.5Kg/t；再加入适量的硅锰合金、高碳锰铁、中碳铬铁等；
(2)进入氩站检测钢中残硫值为0.035％，加入硫化亚铁约2.75+1.60＝4.40Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度：1612℃；氩后[S]为0.130％；
(3)进站温度：1582℃；白渣保持时间16min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.5米/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间8min；精炼周期46min；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.40m/min，比水量为1.34L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1110℃；终轧温度1035℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，钢材剪切温度473℃；钢材及时坑冷，Φ50mm规格圆钢入坑温度482℃，盖好缓冷盖，缓冷时间44h。
实施例3
一种低碳高硫易切削钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)出钢温度：1624℃；终点成分：[C]0.09％，[P]：0.025％；出钢过程中，加入铝锭1.5Kg/t；再加入适量的硅锰合金、高碳锰铁、中碳铬铁等；
(2)进入氩站检测钢中残硫值为0.032％，加入硫化亚铁约2.75+1.30＝4.10Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度：1602℃；氩后[S]为0.122％；
(3)进站温度：1576℃；白渣保持时间15min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.5米/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间8min；精炼周期49min；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.45m/min，比水量为1.34L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1090℃；终轧温度1010℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，钢材剪切温度454℃；钢材及时坑冷，Φ32mm规格圆钢入坑温度420℃，盖好缓冷盖，缓冷时间38h。
实施例4
一种低碳高硫易切削钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)出钢温度：1618℃；终点成分：[C]0.10％，[P]：0.025％；出钢过程中，加入铝锭1.45Kg/t；再加入适量的硅锰合金、高碳锰铁、中碳铬铁等；
(2)进入氩站检测钢中残硫值为0.026％，加入硫化亚铁约2.75+0.25＝2.45Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度：1583℃；氩后[S]为0.080％；
(3)进站温度：1561℃；白渣保持时间15min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.5米/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间8min；精炼周期45min；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.45m/min，比水量为1.34L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1120℃；终轧温度1040℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，钢材剪切温度481℃；钢材及时坑冷，Φ36mm规格圆钢入坑温度450℃，盖好缓冷盖，缓冷时间40h；
实施例5
一种低碳高硫易切削钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)出钢温度：1631℃；终点成分：[C]0.10％，[P]：0.017％；出钢过程中，加入铝锭1.45Kg/t；再加入适量的硅锰合金、高碳锰铁、中碳铬铁等；
(2)进入氩站检测钢中残硫值为0.024，加入硫化亚铁约2.75+0.75＝3.50Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度：1589℃；氩后[S]为0.100％；
(3)进站温度：1559℃；白渣保持时间15min；
(4)精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.5米/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间8min；精炼周期47min；
(5)连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.40m/min，比水量为1.34L/Kg；
(6)轧钢阶段：开轧温度1080℃；终轧温度1000℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，钢材剪切温度457℃；钢材及时坑冷，Φ28mm规格圆钢入坑温度407℃，盖好缓冷盖，缓冷时间38h。
将上述各实施例的钢种生产工艺与原对应钢种生产工艺的加入含硫合金量、精炼周期差异等情况汇集于下表2，可见本发明钢对应的各实施例钢中加入硫化合金量比较稳定，精炼周期短，有利于生产工序的控制，大大提高了生产效益和钢产品质量。
表2：本发明各实施例钢种与原钢种生产工艺及精炼周期对比表
Figure BDA0002628740560000101
从上表2可以看出，本发明各实施例采用硫化亚铁合金代替原生产工艺采用的硫磺包芯线后，硫化亚铁合金加入量相对稳定，钢中S元素收率稳定，且精炼周期稳定缩短，平均只需46.8分钟即可。说明本发明中采用硫化亚铁合金生产低碳高硫易切削钢工艺稳定可行，生产效益，经济效益均大幅提高。

Claims (2)

1.一种低碳高硫易切削钢的生产方法，所述易切削钢含有下述质量分数的化学成分：C：0.14-0.20%，Si：0.17-0.37%，Mn：1.30-1.60%，P：≤0.040%，S：0.080-0.130%，Cr：0.30-0.40%，Mo≤0.15%，Cu≤0.25%，Ni≤030%，其余为Fe及不可避免杂质；
所述易切削钢的生产方法，包括铁水→转炉/电炉冶炼→氩站处理→LF精炼→浇铸→铸坯缓冷→合型轧制→剪切→打捆包装→入坑缓冷→入库，其特征在于：
（1）转炉/电炉出钢温度：1600-1640℃；终点成分要求：[C]0.05%-0.10%，[P]≤0.025%；出钢过程中，加入铝锭1.4-1.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；
（2）根据氩后化学成分，加入合适的硅锰、高碳锰铁及中碳铬铁用量；检测钢中残硫值，加入硫化亚铁合金2.45-4.40Kg/t；吹氩时间≥3min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1550℃；
（3）LF炉进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，加入适量的石灰、石英砂等原材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石1.0-1.2Kg/t及铝粒脱氧剂，进行扩散脱氧；白渣保持时间≥15min；
（4）精炼后期，钢中各种成分调整到位后，喂入钙铁线3.0-4.0m/t，钙处理结束进行软吹氩，软吹氩时间≥10min；精炼周期45-55min；吊包温度：1540-1560℃；
（5）连铸过程中，钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，主要技术参数控制：拉速为2.4±0.1m/min，比水量为1.0-1.4L/Kg；
（6）轧钢阶段：开轧温度1080-1120℃；终轧温度990-1050℃；冷床保温罩开启角度30°，加快冷床步进速度，保证钢材剪切温度≥400℃；钢材及时坑冷，保证Φ50mm及以上规格圆钢入坑温度≥400℃，Φ50mm以下规格圆钢入坑温度≥350℃，第一时间盖好缓冷盖，缓冷时间≥36h起坑。
2.根据权利要求1所述的一种低碳高硫易切削钢的生产方法，其特征在于：所述硫化亚铁合金为黑褐色六方晶体结构，其中硫化亚铁含量≥99.5%。
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