CN111945062B - 机械结构管用低碳钢的冶炼方法 - Google Patents

机械结构管用低碳钢的冶炼方法 Download PDF

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Abstract

一种机械结构管用低碳钢及其冶炼方法，其成分的质量百分含量为：C 0.14%～0.17%、Si 0.28%～0.33%、Mn 1.35%～1.45%、P≤0.012%、S≤0.003%、Al 0.020%～0.040%、Cr 0.70%～0.80%、W 0.40%～0.60%、Ni 0.10%～0.20%、Cu 0.10%～0.15%、Mo 0.35%～0.50%、Nb 0.03%～0.06%、V 0.03%～0.07%、Ca 0.0015%～0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质；方法步骤为：（1）BOF转炉冶炼工序，（2）LF精炼工序，（3）VD真空处理工序，（4）连铸工序。本发明低碳钢严格控制P、S等有害残余元素及O、N、H等气体成份含量，以提高钢材强度、硬度、耐磨性，以及抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨等腐蚀的能力；生产的钢材产品满足优质高强度机械结构管的需求。具有强度高、硬度高、耐磨性好、耐腐蚀好等特点。

Description

机械结构管用低碳钢的冶炼方法
技术领域
本发明涉及一种低碳结构钢及其冶炼方法，尤其是一种机械结构管用低碳钢的冶炼方法。
背景技术
机械结构管用低碳钢为瑞典SS钢铁材料标准的一种低碳结构钢。所述机械结构管用低碳钢钢种在国外应用范围较为广泛，可用作加工机械结构管或焊接、铆接、栓接等钢结构件。根据用途不同可对成份进行调整，可使用机械结构管用低碳钢加工成铆螺钢、桥梁钢、压力容器钢、船体钢、锅炉钢等专业用钢。所述机械结构管用低碳钢通常采用转炉、电炉或平炉等工艺做为初炼炉进行冶炼，热轧成棒材、钢板、钢带或型材。目前国内仅各别钢铁企业可生产机械结构管用低碳钢钢种，受产量小、应用专业度高等因素的影响，导致国内对机械结构管用低碳钢钢种用量有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度的机械结构管用低碳钢；本发明还提供了一种机械结构管用低碳钢的冶炼方法。
为解决上述技术问题，本发明成分的质量百分含量为：C 0.14％～0.17％、Si0.28％～0.33％、Mn 1.35％～1.45％、P≤0.012％、S≤0.003％、Al 0.020％～0.040％、Cr0.70％～0.80％、W 0.40％～0.60％、Ni 0.10％～0.20％、Cu 0.10％～0.15％、Mo 0.35％～0.50％、Nb 0.03％～0.06％、V 0.03％～0.07％、Ca 0.0015％～0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述成分的质量百分含量为：C 0.14％～0.16％、Si 0.28％～0.33％、Mn1.35％～1.45％、P≤0.010％、S≤0.002％、Al 0.025％～0.035％、Cr 0.70％～0.80％、W0.40％～0.42％、Ni 0.11％～0.13％、Cu 0.11％～0.13％、Mo 0.35％～0.37％、Nb0.03％～0.05％、V 0.03％～0.05％、Ca 0.0015％～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明方法如下所述：(1)BOF转炉冶炼工序：铁水要求P≤0.110wt％、S≤0.020wt％、Si 0.20～0.60wt％、温度1300～1450℃；前一炉冶炼结束后转炉炉内留钢渣2～5t；转炉冶炼周期40～45min；转炉出钢要求出钢[C]0.04～0.06％、出钢[P]≤0.007％，温度1585～1615℃；
出钢过程依次加入钢砂铝、低碳锰铁、低碳铬铁、硅锰合金、钼铁、钨铁、白灰、精炼复合渣，出钢过程严禁下渣，出钢后喂入铝线；所述的精炼复合渣成分要求为：CaO 45～55％、SiO2≤5.0％、Al2O3 35～45％、CaF2≤5.0％、MgO 3.0-8.0％；
(2)LF精炼工序：精炼时间≥70min，白渣保持时间≥30min；LF精炼过程碳化硅用量3～5kg/t钢、铝粒用量0.3～0.7kg/t钢；LF冶炼30min后按成分要求调整W含量，精炼过程按成分要求调整成分含量；
LF渣系控制范围：CaO 52～58wt％、Al2O3 25～30wt％、SiO2 8～12wt％、MgO≤6wt％、(TFe+MnO)≤0.5wt％、R 5.5～6.5；
(3)VD真空处理工序：VD高真空脱气处理67Pa及以下保持时间12～15min，VD过程氩气流量控制150～500NL/min；VD破空后按0.12～0.15kg/t钢喂入钙线，按1.0～1.5kg/t加预熔钢包覆盖剂；软吹时间控制30～40min，软吹时氩气流量≤17L/min；连浇炉吊包过热度控制50～60℃；
(4)连铸工序：连铸转包时中包余钢量≥26t，浇注结束时钢包余钢量≥5t，结晶器液面波动范围控制±3mm；连铸拉速控制0.80～0.85m/min，结晶器水量2400～2700L/min、比水量0.19～0.21L/kg；采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌，结晶器电搅电流300～350A、频率2.0～2.5HZ，末端电搅电流300～320A、频率7.0～8.0HZ；连铸中包过热控制20～30℃，连铸浇次铸坯头坯切割量≥1500mm，尾坯切割量≥3000mm；铸坯下线堆冷，下线温度≥600℃，拆垛温度≤100℃。
本发明方法所述BOF转炉冶炼工序：底吹氮气进行溅渣护炉，溅渣时间3～5min、溅渣时氮气流量24000～27000m3/h；转炉铁水废钢比例为：铁水量80～85％，废钢量15～20％；转炉冶炼过程加入白灰40～50kg/t钢、轻烧白云石15～25kg/t钢、石灰石35～45kg/t钢，氧气消耗45～55m3/t、供氧时间14～20min；氮气消耗20～35m3/t，可回收转炉煤气100～150m3/t。
本发明方法所述BOF转炉冶炼工序：出钢过程加入白灰7～8kg/t钢、精炼复合渣8～9kg/t钢，出钢过程严禁下渣；出钢后按0.3～0.5kg/t钢喂入铝线。
本发明方法所述LF精炼工序：精炼过程白灰用量6～8kg/t钢、精炼复合渣用量4～6kg/t钢；LF过程氩气流量控制300～800NL/min、氩气消耗0.3～0.5m3/t。
本发明方法所述VD真空处理工序：VD真空处理过程氩气消耗0.05～0.08m3/t、蒸汽消耗20～25kg/t钢。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明重新设计钢的成份，调整C、Si、Mn、Cr、W、Ni、Cu、Mo、Nb、V、Ca含量，严格控制P、S等有害残余元素及O、N、H等气体成份含量，以提高钢材强度、硬度、耐磨性，以及抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨等腐蚀的能力；从而保证生产的低碳钢钢材产品满足优质高强度机械结构管的需求。本发明具有强度高、硬度高、耐磨性好、耐腐蚀好等特点。
本发明方法采用“转炉-LF-VD-连铸”流程生产高强度机械结构管用钢铸坯，具有工艺流程简单，使用转炉做为初炼炉可保证成品[P]≤0.012％，LF精炼渣系稳定可保证成品[S]≤0.003％、钢水纯净度高，气体含量较低[O]≤10ppm、[N]≤60ppm、[H]≤1.2ppm，连铸过程稳定，铸坯低倍质量好，具有产品强度高、硬度高、耐磨性好、耐腐蚀好等特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1–12：本机械结构管用低碳钢的冶炼过程采用“BOF(100t)-LF(120t)-VD(120t)-CC(弧形半径R14m)”工艺流程，各工序的工艺参数如下所述。
(1)BOF转炉冶炼工序：铁水要求P≤0.110wt％、S≤0.020wt％、Si 0.20～0.60wt％、温度1300～1450℃。前一炉冶炼结束后转炉炉内留钢渣2～5t，底吹氮气进行溅渣护炉，溅渣时间3～5min，溅渣时氮气流量24000～27000m3/h。转炉铁水废钢比例为：铁水量80～85％，废钢量15～20％。冶炼前需将转炉炉帽附近的转炉渣清理干净，如吹炼过程发生喷溅，必须对炉帽残留的转炉渣进行二次清理，保证炉帽清理干净无残渣方可出钢。转炉冶炼过程加入白灰40～50kg/t钢、轻烧白云石15～25kg/t钢、石灰石35～45kg/t钢，氧气消耗45～55m3/t、供氧时间14～20min。转炉冶炼周期40～45min，氮气消耗20～35m3/t；可回收转炉煤气，即冶炼过程中回收的转炉煤气量为100～150m3/t。转炉出钢要求出钢[C]0.04～0.06wt％、出钢[P]≤0.007wt％，温度1585～1615℃；转炉吹炼终点实现成份、温度双命中，避免钢水过氧化。
出钢过程依次加入钢砂铝3.5～4kg/t钢、低碳锰铁10～13kg/t钢、低碳铬铁10～13kg/t钢、硅锰合金5～7kg/t钢、钼铁5～6kg/t钢、钨铁5～6kg/t钢、白灰7～8kg/t钢、精炼复合渣8～9kg/t钢；出钢过程严禁下渣，出钢后按0.3～0.5kg/t钢喂入铝线；Cu、Ni、V、Nb在后续的LF精炼工序调整，保证LF到位钢中Al含量0.020％～0.040％；钢水氧含量较低，为后续LF脱氧脱硫提供良好条件。所述的白灰为优质精炼白灰，其成分组成及性能指标为(wt)：CaO≥90％、MgO≤5.0％、SiO2≤2.0％、S≤0.030％、灼减≤4％、活性度≥320、粒度10-50mm≥90％。所述的精炼复合渣，其成分指标为(wt)：CaO 45～55％，SiO2≤5.0％，Al2O3 35～45％，CaF2≤5.0％，MgO 3.0～8.0％。
上述转炉工序可保证成品[P]≤0.012wt％、[S]≤0.003wt％，转炉出钢后脱氧合金化，对钢水成份进行初步调整，钢水氧含量较低，为LF脱氧、脱硫提供良好条件。
各实施例的具体工艺参数见表1～3，所述的精炼复合渣的主要成分指标见表4。
表1：各实施例BOF转炉冶炼工艺参数
Figure GDA0003200217070000041
表2：各实施例BOF转炉冶炼工艺参数
Figure GDA0003200217070000042
Figure GDA0003200217070000051
表3：各实施例BOF转炉冶炼工艺参数
Figure GDA0003200217070000052
Figure GDA0003200217070000061
表4：各实施例精炼复合渣的主要成分指标(wt％)
实施例 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaF<sub>2</sub> MgO
1 50.0 3.8 37.4 4.3 5.5
2 47.2 4.4 41.3 4.8 6.7
3 49.3 4.7 40.5 4.4 4.2
4 53.4 3.2 38.4 4.5 3.8
5 52.7 3.3 40.0 3.6 7.4
6 50.4 4.0 39.2 4.1 6.0
7 50.5 4.3 43.7 5.0 5.2
8 45.0 4.5 42.5 3.9 5.0
9 46.7 3.0 45.0 3.2 6.4
10 55.0 4.6 36.2 4.0 3.0
11 45.6 5.0 35.6 3.7 4.8
12 54.2 4.8 35.0 3.0 8.0
(2)LF精炼工序：LF精炼到位后小档位、低电流给电化渣，钢包使用双透气砖，根据精炼炉渣熔化情况及流动性加入白灰、精炼复合渣，精炼过程白灰用量6～8kg/t钢、精炼复合渣用量4～6kg/t钢，精炼时间≥70min，白渣保持时间≥30min；所述精炼复合渣的主要成分指标见表4。LF精炼过程碳化硅用量3～5kg/t钢、铝粒用量0.3～0.7kg/t钢，进行扩散脱氧，保证良好的脱氧效果。LF过程氩气流量控制300～800NL/min，氩气消耗0.3～0.5m3/t，保证良好的透气性及搅拌效果，促进脱氧脱硫、成份调整、均匀温度、夹杂物上浮等冶金反应的进行。LF冶炼30min后按内控成份调整W含量，精炼过程按内控成份精确调整Cu、Ni、V、Nb等成份含量，保证钢水全部成份满足内控要求。
LF渣系控制范围：CaO 52～58％、Al2O3 25～30％、SiO2 8～12％、MgO≤6％、(TFe+MnO)≤0.5％、R＝5.5～6.5。所述LF渣系化渣快脱硫效果好，对上浮的夹杂物具有良好的吸附性，可保证钢水良好的纯净度，满足机械结构管用钢的生产要求。
各实施例的具体工艺参数见表5，所述LF渣系的主要成分见表6。
表5：各实施例LF精炼工艺参数
Figure GDA0003200217070000071
表6：各实施例LF渣系主要成分(wt％)
Figure GDA0003200217070000072
Figure GDA0003200217070000081
(3)VD真空处理工序：VD高真空脱气处理67Pa及以下保持时间12～15min；VD过程氩气流量控制150～500NL/min、氩气消耗0.05～0.08m3/t，蒸汽消耗20～25kg/t钢。VD破空后按0.12～0.15kg/t钢喂入钙线，按1.0～1.5kg/t加预熔钢包覆盖剂；所述预熔钢包覆盖剂的成份要求为(wt)：CaO 9～17％、SiO2 29～39％、Al2O3 6-14％、MgO≤6.0％、Fe2O3≤5.0％、以固体形式而非化合物形式存在的C固20～35％；软吹时间控制30～40min，软吹时氩气流量≤17L/min，促进夹杂物充分上浮，连浇炉吊包过热度控制50～60℃。
各实施例的具体工艺参数见表7。
表7：各实施例VD真空处理工艺参数
Figure GDA0003200217070000082
(4)连铸工序：连铸过程进行保护浇注，钢包禁止下渣，中包满包浇注，连铸转包时中包余钢量≥26t、浇注结束时钢包余钢量≥5t，结晶器液面波动范围控制±3mm及以内。连铸拉速控制0.80～0.85m/min，结晶器水量2400～2700L/min，比水量0.19～0.21L/kg,采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌，结晶器电搅电流300～350A、频率2.0～2.5HZ，末端电搅电流300～320A、频率7.0～8.0HZ，连铸中包过热控制20～30℃，连铸浇次铸坯头坯切割量≥1500mm、尾坯切割量≥3000mm；使用低碳中包覆盖剂和包晶钢结晶器保护渣，所述低碳中包覆盖剂主要成分要求为(wt)：C 5～15％、CaO 24～40％、SiO2 22～38％、Al2O3≤10％、MgO≤10％、Fe2O3≤5.0％；所述包晶钢结晶器保护渣主要成分要求为(wt)：C 13±4.0％、CaO 26.8±5.0％、SiO2 25.5±5.0％、Al2O3 10.2±4.0％、MgO≤8.0％、Fe2O3≤7.0％。铸坯下线堆冷，下线温度≥600℃，拆垛温度≤100℃。连铸过程钢水液面平稳，无卷渣情况，铸坯低倍及表面质量良好，保护浇注正常，严格控制大包中包余钢量，未发生下渣。
各实施例的具体工艺参数见表8和表9。
表8：各实施例连铸工艺参数
Figure GDA0003200217070000091
表9：各实施例连铸工艺参数
Figure GDA0003200217070000092
Figure GDA0003200217070000101
(5)所得低碳钢的化学成分见表10，余量为Fe和不可避免的杂质；连铸坯中气体情况见表11；力学性能和低倍级别见表12，其中中心疏松的检验标准见YB/T4149-2018。
表10：各实施例连铸坯的成分(wt％)
Figure GDA0003200217070000102
Figure GDA0003200217070000111
表11：各实施例连铸坯的气体含量
含量(ppm) O N H
实施例1 9.8 50.3 0.7
实施例2 8.6 51.2 0.9
实施例3 9.1 49.3 1.0
实施例4 8.9 52.0 0.8
实施例5 8.2 54.1 0.9
实施例6 8.5 48.9 0.8
实施例7 9.0 50.6 1.1
实施例8 8.8 51.5 0.9
实施例9 8.5 51.2 0.9
实施例10 9.0 49.5 0.7
实施例11 8.9 52.1 0.8
实施例12 8.6 54.5 0.9
表12：各实施例连铸坯的力学性能和低倍级别
Figure GDA0003200217070000112
Figure GDA0003200217070000121

Claims (5)

1.一种机械结构管用低碳钢的冶炼方法，其特征在于，其成分的质量百分含量为：C0.14%～0.17%、Si 0.28%～0.33%、Mn 1.35%～1.45%、P≤0.012%、S≤0.003%、Al 0.020%～0.040%、Cr 0.70%～0.80%、W 0.40%～0.60%、Ni 0.10%～0.20%、Cu 0.10%～0.15%、Mo0.35%～0.50%、Nb 0.03%～0.06%、V 0.03%～0.07%、Ca 0.0015%～0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述方法步骤如下所述：（1）BOF转炉冶炼工序：铁水要求P≤0.110wt%、S≤0.020wt%、Si 0.20～0.60wt%、温度1300～1450℃；前一炉冶炼结束后转炉炉内留钢渣2～5t；转炉冶炼周期40～45min；转炉出钢要求出钢[C]0.04～0.06%、出钢[P]≤0.007%，温度1585～1615℃；
出钢过程依次加入钢砂铝、低碳锰铁、低碳铬铁、硅锰合金、钼铁、钨铁、白灰、精炼复合渣，出钢过程严禁下渣，出钢后喂入铝线；所述的精炼复合渣成分要求为：CaO 45～55%、SiO2≤5.0%、Al2O3 35～45%、CaF2≤5.0%、MgO 3.0-8.0%；
（2）LF精炼工序：精炼时间≥70min，白渣保持时间≥30min；LF精炼过程碳化硅用量3～5kg/t钢、铝粒用量0.3～0.7kg/t 钢；LF冶炼30min后按成分要求调整W含量，精炼过程按成分要求调整成分含量；
LF渣系控制范围：CaO 52～58wt%、Al2O3 25～30wt%、SiO2 8～12wt%、MgO≤6wt%、(TFe+MnO)≤0.5wt%、R 5.5～6.5；
（3）VD真空处理工序：VD高真空脱气处理67Pa及以下保持时间12～15min，VD过程氩气流量控制150～500NL/min；VD破空后按0.12～0.15kg/t钢喂入钙线，按1.0～1.5kg/t加预熔钢包覆盖剂；软吹时间控制30～40min，软吹时氩气流量≤17L/min；连浇炉吊包过热度控制50～60℃；
（4）连铸工序：连铸转包时中包余钢量≥26t，浇注结束时钢包余钢量≥5t，结晶器液面波动范围控制±3mm；连铸拉速控制0.80～0.85m/min，结晶器水量2400～2700 L/min、比水量0.19～0.21L/kg；采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌，结晶器电搅电流300～350A、频率2.0～2.5Hz ，末端电搅电流300～320A、频率7.0～8.0Hz ；连铸中包过热控制20～30℃，连铸浇次铸坯头坯切割量≥1500mm，尾坯切割量≥3000mm；铸坯下线堆冷，下线温度≥600℃，拆垛温度≤100℃。
2.根据权利要求1所述的机械结构管用低碳钢的冶炼方法，其特征在于，所述BOF转炉冶炼工序：底吹氮气进行溅渣护炉，溅渣时间3～5min、溅渣时氮气流量24000～27000m3/h；转炉铁水废钢比例为：铁水量80～85%，废钢量15～20%；转炉冶炼过程加入白灰40～50kg/t钢、轻烧白云石15～25kg/t钢、石灰石35～45kg/t钢，氧气消耗45～55m3/t、供氧时间14～20min；氮气消耗20～35m3/t，可回收转炉煤气100～150m3/t。
3.根据权利要求2所述的机械结构管用低碳钢的冶炼方法，其特征在于，所述BOF转炉冶炼工序：出钢过程加入白灰7～8kg/t钢、精炼复合渣8～9kg/t钢，出钢过程严禁下渣；出钢后按0.3～0.5kg/t钢喂入铝线。
4.根据权利要求3所述的机械结构管用低碳钢的冶炼方法，其特征在于，所述LF精炼工序：精炼过程白灰用量6～8kg/t钢、精炼复合渣用量4～6kg/t钢；LF过程氩气流量控制300～800NL/min、氩气消耗0.3～0.5m3/t。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的机械结构管用低碳钢的冶炼方法，其特征在于，所述VD真空处理工序：VD真空处理过程氩气消耗0.05～0.08m3/t、蒸汽消耗20～25kg/t钢。
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