CN118222912A

CN118222912A - 一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法及得到的高品质高碳钢线材

Info

Publication number: CN118222912A
Application number: CN202410645689.7A
Authority: CN
Inventors: 王耀; 马建超; 杜习乾
Original assignee: Jiangsu Shagang Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Filing date: 2024-05-23
Publication date: 2024-06-21

Abstract

本发明涉及一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法及得到的高品质高碳钢线材，短流程制备方法包括：电弧炉冶炼，提高电弧炉终点出钢温度，降低终点氧含量；电弧炉出钢三分之一时，第一次加入合金，出钢二分之一时加入合成渣；出钢结束向钢包中再次加入低氮增碳剂，继续持续底吹氩气；将钢包吊入吹氩工位，取钢水样，顺次加入SiC、石灰；根据钢水样的成分以及钢种要求，第二次加入合金；完成钢水成分的调整后，逐步调小钢包底吹氩气直至软搅拌状态；连铸采用低过热度窄区间以及恒拉速浇注技术，同时设置精准分区段压下；开坯工序；高线轧制工序。本发明用于生产高洁净、高均质化线材产品，降低整个冶炼过程的碳排放水平，为下游行业提供绿色原料。

Description

一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法及得到的高品质高碳钢线材

技术领域

本发明涉及一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法及得到的高品质高碳钢线材，属于高碳钢的制备技术领域。

背景技术

高碳钢线材产品种类多、用途广泛，以弹簧钢、帘线钢、缆索钢等为代表的高品质高碳钢产品，对生产过程中洁净度、偏析、表面和内部质量等控制要求非要严格。传统的高品质高碳钢线材一般采用高炉—KR铁水预处理—转炉—精炼（LF或LF-VD/RH）—连铸工艺生产，整个生产流程长，导致洁净度和偏析控制难度大，碳排放量高。

如公开号为CN111069280A的申请提供了一种低强度帘线钢盘条生产方法，通过对精轧后的冷却水箱个数、水冷箱压力、吐丝温度、辊道速度和风机风量等参数进行设计, 以达到改善盘条组织性能的目的。公开号为CN113061799A的申请提供了一种高洁净度弹簧钢及其生产方法，采用铁水深脱硫、转炉脱磷、LF精炼、RH真空和连铸流程生产，控制转炉出钢和精炼过程底吹，并结合RH真空处理工艺、中间包感应加热技术，全程控制钢水夹杂物，获得具有高的洁净度弹簧钢盘条。公开号为CN113388710A的申请提供了一种超高强度帘线钢的冶炼控制方法，采用KR脱硫—转炉冶炼—LF炉脱氧造渣环节控制—连铸工序，最终完成超高强度帘线钢的冶炼。该发明通过控制KR铁水脱硫、转炉双渣操作、终点碳含量、出钢温度以及精炼脱氧造渣等方面工艺，最大限度降低钢水氮含量，减少钢水内TiN夹杂物，提高钢水纯净度，缩短流程，减少处理时间。公开号为CN114807727A的申请提供了一种帘线钢夹杂物塑性化控制方法及帘线钢，通过出钢过程加入碱金属化合物改质剂，克服了现有技术中的夹杂物变形能力差、工业生产控制窗口窄和控制难度大等缺陷，实现了夹杂物的塑性化控制。公开号为CN110117748B的申请提供了一种切割钢丝、切割钢丝用钢材及其生产方法，包括以下步骤：（1）铁水脱硫；（2）转炉高效脱磷；（3）精炼进行钢液成分温度调整，控制夹杂物成分Al₂O₃小于10%，CaO小于30%；（4）RH处理进行脱气和夹杂物去除，得到钢液夹杂物尺寸小于10μm。采用上述方法制备的切割钢丝用钢材，可作为直径小于100μm，抗拉强度大于4600MPa的切割钢丝的生产用母材。

显然上述公开的现有技术，依旧是采用转炉长流程进行生产，转炉出钢后在精炼工位进行钢液温度和成分的调整，LF操作过程中需要加入大量的渣料、碳粉等，并补加合金，在上述精炼过程中开大流量底吹进行搅拌时，钢渣界面的扰动会导致炉渣卷入钢液中污染钢液，同时对炉衬耐火材料的冲刷，也会造成钢液中大尺寸脆性夹杂物超标，最终不利于钢液的洁净度控制。

因此控制杂质元素含量、夹杂物类型及尺寸、成分组织均匀性等一直是高级别高碳钢线材研发领域的重点，亟需设计一种新的制备方法，以克服上述难题。

发明内容

本发明提供一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法及得到的高品质高碳钢线材，用于生产高洁净、高均质化线材产品，降低整个冶炼过程的碳排放水平，为下游行业提供绿色原料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：电弧炉冶炼，提高电弧炉终点出钢温度，降低终点氧含量；其中，钢水入炉时温度大于1350℃，终点出钢温度提高至1720℃以上，终点氧含量降低至350ppm以下；

步骤S2：电弧炉出钢，在出钢三分之一时，第一次加入合金实现脱氧并对钢水化学成分进行快速调整，出钢二分之一时加入合成渣继续对钢水中化学成分进行调整，出钢过程中持续底吹氩气；其中，出钢三分之一时先加入低氮增碳剂，继续顺次加入金属锰以及低钛低铝硅铁；

步骤S3：出钢结束，向钢包中再次加入低氮增碳剂，继续持续底吹氩气；

步骤S4：将钢包吊入吹氩工位，控制吹氩工位的氩气流量，促进钢水的搅拌以及均匀化；取钢水样，加入SiC对炉渣进行扩散脱氧，加入石灰控制炉渣碱度；

步骤S5：根据钢水样的成分以及钢种要求，第二次加入合金，所述的合金同样包括低氮增碳剂、金属锰以及低钛低铝硅铁；

步骤S6：完成钢水成分的调整后，逐步调小钢包底吹氩气直至软搅拌状态；

步骤S7：采用大方坯连铸机浇注，连铸采用低过热度窄区间以及恒拉速浇注技术，同时设置精准分区段压下，得到铸坯C偏析0.95-1.05；其中，低过热度窄区间为25℃-30℃，连铸拉速控制在0.5m/min-0.7m/min，分区段压下量范围为8 mm -15mm，压下辊压力范围为30 bar-40bar；

步骤S8：开坯工序，设置开坯加热温度范围为1180℃-1250℃；

步骤S9：高线轧制工序，设置加热温度范围为1080℃-1160℃，开轧温度范围为960℃-1030℃以及吐丝温度范围为860℃-920℃；

作为本发明的进一步优选，步骤S1中，钢水进入电弧炉时，其S≤0.005%，P≤0.09%；采用电弧炉冶炼后，终点P≤0.015%，终点碳0.09%-0.15%；

作为本发明的进一步优选，步骤S1中电弧炉冶炼的具体过程为：

步骤S11：通过高位料仓加入500kg-600kg石灰；

步骤S12：加入优质废钢，其占比为56.52%-60.87%；电弧炉通电升温，炉壁氧枪开启烧嘴模式，铁水兑入完毕后，炉壁氧枪流量控制在5400Nm³/h-5800Nm³/h，炉门氧枪控制在2000Nm³/h-2200Nm³/h，加入石灰1000kg-1200kg；

步骤S13：电弧炉通电电耗达到18000kWh，电弧炉停止供电，炉壁氧枪流量控制在4500Nm³/h-4800Nm³/h，炉门氧枪控制在1600Nm³/h-1800 Nm³/h，加入石灰800kg-1000kg；

步骤S14：当氧耗达到25Nm³/t-28Nm³/t，通过电极向电弧炉供电，同时通过炉壁碳粉枪喷吹碳粉，碳粉喷吹流量控制在0.7 kg/t • min -0.8kg/t • min，炉门枪流量控制在1000 Nm³/h -1200Nm³/h；

作为本发明的进一步优选，步骤S1中，电弧炉冶炼过程中，加入的优质废钢各组分质量百分比为：S含量≤0.025%、Ni含量≤0.03%、Cr含量≤0.03%、Cu含量≤0.05%，Al含量≤0.03%、Ti含量≤0.02%；

作为本发明的进一步优选，电弧炉冶炼中碳粉的喷吹量范围为8 kg/t -10kg/t；

作为本发明的进一步优选，步骤S2中，出钢过程钢包底吹氩气流量为800-1000NL/min；电弧炉出钢三分之一时，先向钢包中加入300kg-350kg的低氮增碳剂，继续加入4.5kg/t -5.0kg/t的金属锰，2.4 kg/t -3.0kg/t的低钛低铝硅铁；出钢二分之一时，加入1.8t-2t的合成渣；

作为本发明的进一步优选，合成渣的组分质量百分比分别为：SiO₂含量44%-49%、CaO含量38%-43%，Al₂O₃含量1%-4%，MgO含量4%-7%，T.Fe含量≤1%，MnO含量≤2%，以及其他不可避免的杂质组分；

作为本发明的进一步优选，步骤S3中，出钢结束，向钢包中再次加入400kg-450kg的低氮增碳剂，底吹氩气流量为400 NL/min -600 NL/min；

作为本发明的进一步优选，步骤S4中，吹氩工位的氩气流量控制在600 NL/min -800NL/min；取钢水样，加入100kg-150kg的SiC，加入50kg-100kg的石灰，控制炉渣碱度范围为0.8-0.9；

作为本发明的进一步优选，步骤S5中，第二次加入的合金中，低氮增碳剂少于300kg，金属锰少于4.5 kg/t，低钛低铝硅铁少于2.4 kg/t，进行成分调整的时间小于5min，调整完后钢液的温度范围控制1525℃-1535℃；

作为本发明的进一步优选，步骤S6中，钢包底吹氩气流量控制在40 NL/min -100NL/min，软搅拌状态持续25min -30min；

作为本发明的进一步优选，步骤S7中，连铸机采用直弧型矩形坯连铸机，连铸坯断面尺寸为300mm×390mm，弧半径为12.5m；

作为本发明的进一步优选，步骤S7中，连铸中间包开浇吨位≥18t，正常浇注时中包吨位≥35t，连浇换包时中间包吨位≥30t；

作为本发明的进一步优选，步骤S7中，连铸过程中，大包长水口氩气流量为250NL/min -350NL/min；采用低碱度低氧化铝中间包覆盖剂，其成分质量百分比为CaO：35%-45%，SiO₂：40%-50%，CaF₂：2%-5%，Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分；

作为本发明的进一步优选，步骤S7中，使用低熔点结晶器保护渣，结晶器保护渣渣层厚度维持在15mm-22mm，加入量为0.25 kg/t -0.35kg/t；

使用结晶器电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流400A-600A，频率5Hz-7Hz，结晶器水量2975 L/min -3025L/min，二冷段采用弱冷模式，二冷段水量从1区到4区分别为：1区段60NL/min -100 NL/min、2区段20 NL/min -50 NL/min、3区段20 NL/min-40 NL/min、4区段10NL/min -30 NL/min；

根据所述高品质高碳钢线材的短流程制备方法得到的高品质高碳钢线材，所述的高品质高碳钢线材中包括按质量百分数计如下的化学成分：Si：0.18%-0.25% 、Mn：0.46%-0.54%、Cr<0.03%、C：0.7%-0.9%、P≤0.015%、S≤0.01%、T.O≤0.0020%、N≤0.0035%、Alt≤0.0015%、Ti≤0.0005%、Ni≤0.02%，Cu≤0.015%、Mo≤0.005%、Sn≤0.010%、As≤0.008%，其余为Fe及其他不可避免的组分；

作为本发明的进一步优选，高品质高碳钢线材中夹杂物包括SiO₂-MnO-Al₂O₃低熔点夹杂物，1μm以上夹杂物数量密度≤5个/mm²，5μm以上夹杂物数量密度≤0.12个/mm²，横向最大尺寸夹杂物≤15μm，纵向夹杂物A、B、C、D、Ds类夹杂评级均≤1级，脆性夹杂物尺寸≤5μm。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其短流程体现在使用电弧炉替代转炉，提高电弧炉的出钢温度，以在出钢过程中即完成脱氮和钢水成分的基本调整，吹氩工位代替LF精炼工序，提供底吹氩气软搅拌功能，双向配合有效去除钢液中的夹杂物；

2、本发明提供的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，重新设计冶炼工艺，基于电弧炉在终点温度控制方面独特的优势，准确控制终点温度范围，在出钢过程中仅需加入一次合金即可完成成分调整，后续开启软搅拌，促进夹杂物的上浮去除，无需在传统工艺流程中的LF精炼工序进行通电升温以及加入渣料，避免反复通电升温及合金加入开大底吹时导致的卷渣；

3、本发明提供的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，在出钢过程中，加入低氮增碳剂、大部分金属锰和低钛低铝硅铁，确保合金一次性达到预设成分指标，同时加入低碱度合成渣，通过钢渣反应促进夹杂物成分向低熔点区域转变，有利于夹杂物轧制过程中的变形；

4、本发明提供的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，连铸设计的工艺，能够控制元素的偏析，结合加热炉高温、长时保温技术，进一步促进元素扩散均匀，全方位的提升铸坯质量。

具体实施方式

本申请的描述中，需要理解的是，实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如背景技术中阐述的，针对高碳钢种，以帘线钢、弹簧钢以及缆索钢为例，帘线钢需要良好的拉拔性能，弹簧钢需要较高的抗疲劳性能，缆索钢对材料的扭转性能要求高，此类高性能要求的高碳钢线材产品对洁净度、偏析、脱碳、表面质量等均有非常高的要求。

传统的高碳钢线材制备流程主要采用高炉—KR铁水预处理—转炉—精炼（LF或LF-VD/RH）—连铸工艺生产，转炉出钢后在精炼工位进行钢液温度和成分的调整，LF操作过程中需要长时间的升温，同时加入大量的渣料、碳粉等，并补加合金进行成分调整，由于处理时间较长，耐材在机械冲刷以及钢渣反应的作用下进入钢液中，从而污染钢液，导致洁净度变差。而在上述精炼过程中开大流量底吹进行搅拌过程中，钢渣界面的扰动会导致炉渣卷入钢液中污染钢液，结合对炉衬耐火材料的冲刷，进一步造成钢液中大尺寸脆性夹杂物超标，最终不利于钢液的洁净度控制。

因此工程师们针对上述传统制备工艺结合高碳钢种的特性，研究一种新的高品质高碳钢线材制备方法，这个制备方法特别之处在于使用的是电炉冶炼工艺，基于电炉在终点温度控制方面独特的优势，提高出钢温度，由于出钢温度高，仅需在出钢时进行的一次合金加入即可完成脱氮和成分的基本调整，无需在LF精炼工序进行通电升温及加入渣料，取消LF精炼工序后，能够大幅度减少处理时间，避免了耐材在机械冲刷以及钢渣反应的作用下进入钢液中，污染钢液导致洁净度变差的问题。上述操作中，提高出钢温度是替代了LF精炼的通电升温功能，但是其工序中的底吹氩气软搅拌功能，本申请巧妙的采用吹氩工位提供，满足软搅拌目的后，在实现短流程的制备方法前提下有效去除夹杂物，保证钢水的洁净度。

在进行短流程制备方法的具体阐述前，本申请先行解释关于取消LF精炼工序的可行性，通过研究表明，一般针对以下钢种是必须要采用LF精炼的，如低氧、低硫钢种，其包括低合金钢、低牌号管线钢等，LF精炼可进一步去除钢中的杂质，调整钢水成分和温度。如低碳钢、超低碳钢种，这类钢对气体含量控制要求较高，LF精炼可以有效地降低钢中的碳含量和气体含量。如对气体含量控制要求较高的钢种，LF精炼可以通过真空脱气等方式进一步降低钢中的气体含量，提高钢的质量。以及高牌号管线钢、高强钢，这些钢种对钢的质量和性能要求较高，LF精炼可以完成深脱硫、去夹杂等功能，提高钢的洁净度和性能。

而针对高碳钢的质量要求，只要能够更好地控制钢水的质量和成分，减少夹杂物等缺陷的产生，这给了针对高碳钢的制备流程更多的发挥空间。

接下来即提供本申请关于高品质高碳钢线材的短流程制备方法的具体步骤：

步骤S1：电弧炉冶炼，利用电弧炉冶炼终点温度和成分控制精准的特点，在电弧炉冶炼过程中前期快速脱磷排渣，后期电极升温，同时控制供氧强度和碳粉喷吹，提高电弧炉终点出钢温度（终点出钢温度提高至1720℃以上），降低终点氧含量（终点氧含量降低至350ppm以下）；通过提高终点出钢温度，降低终点氧含量，为出钢过程中成分一次快速调整和快速造渣创造条件，避免精炼过程中加入大量的渣量和合金，频繁的开大底吹搅拌和通电升温，导致炉渣卷入，影响钢液的洁净度和夹杂物成分。

具体关于电弧炉的冶炼工艺包括：

步骤S11：通过高位料仓加入500kg-600kg石灰，尽早形成碱性渣以实现脱磷目的；

步骤S12：在电弧炉冶炼时还需要加入废钢，本申请中加入的是优质废钢，需要对其硫含量以及杂质元素含量做限定，一般的若电弧炉冶炼时，优质废钢占比为56.52%-60.87%，其余为铁水；实施例给出的如总装入量控制在115t，则废钢的装入量控制在65t-70t。

同时本申请给出了加入的优质废钢的优选，其厚度≥3.0mm，各组分质量百分比为：S含量≤0.025%、Ni含量≤0.03%、Cr含量≤0.03%、Cu含量≤0.05%，Al含量≤0.03%、Ti含量≤0.02%。

电弧炉通电升温，炉壁氧枪开启烧嘴模式，铁水兑入完毕后，炉壁氧枪流量控制在5400Nm³/h-5800Nm³/h，炉门氧枪控制在2000Nm³/h-2200Nm³/h，加入石灰1000kg-1200kg；

步骤S13：电弧炉通电电耗达到18000kWh，电弧炉停止供电，炉壁氧枪流量控制在4500Nm³/h-4800Nm³/h，炉门氧枪控制在1600Nm³/h-1800Nm³/h，加入石灰800kg-1000kg；

步骤S14：当氧耗达到25Nm³/t-28Nm³/t，通过电极向电弧炉供电，同时通过炉壁碳粉枪喷吹碳粉，碳粉喷吹流量控制在0.7 kg/t • min -0.8kg/t • min，炉门枪流量控制在1000 Nm³/h -1200Nm³/h。

整个电弧炉冶炼过程中，碳粉的喷吹量控制在8 kg/t -10kg/t。此步骤明显的效果是，钢水进入电弧炉时，钢水入炉时温度大于1350℃，主要成分按照质量分数计：0.35≤Si≤0.65%，Ti%≤0.06%，S≤0.005%，P≤0.09%，在本技术领域内，铁水中碳含量默认为饱和，一般为4.5%；采用电弧炉冶炼后，终点出钢温度提高至1720℃以上，终点P≤0.015%，终点碳0.09%-0.15%，终点氧含量降低至350ppm以下。

步骤S2：电弧炉出钢，出钢过程中持续底吹氩气，氩气流量为800-1000 NL/min；在出钢三分之一时，第一次加入合金，出钢过程中仅加一次的合金包括低氮增碳剂（增加钢水中的碳含量，同时也能起到一定的脱氧作用）、金属锰（能与钢水中的氧结合，减少钢中的氧含量，提高钢的质量）以及低钛低铝硅铁（起到脱氧和调整钢水成分的作用）；具体的，先向钢包中加入300kg-350kg的低氮增碳剂，继续加入4.5 kg/t -5.0kg/t的金属锰，2.4 kg/t-3.0kg/t的低钛低铝硅铁，金属锰以及低钛低铝硅铁的加入量以出钢量为参照进行比例添加。

出钢二分之一时加入1.8t-2t的合成渣，合成渣能够吸收钢水中的杂质，起到调整以及净化钢水的作用。这里关于合成渣还能够对钢水起到保护和覆盖作用，减少钢水的氧化以及热量损失。本申请提供了合成渣的优选示例，其组分质量百分比分别为：SiO₂含量44%-49%、CaO含量38%-43%，Al₂O₃含量1%-4%，MgO含量4%-7%，T.Fe含量≤1%，MnO含量≤2%，以及其他不可避免的杂质组分。

总的来说，出钢过程中加入低氮增碳剂、大部分金属锰和低钛低铝硅铁，确保合金一次性达到预设成分指标，同时加入低碱度合成渣，通过钢渣反应促进夹杂物成分向低熔点区域转变，有利于夹杂物轧制过程中的变形。

步骤S3：出钢结束，向钢包中再次加入400kg-450kg的低氮增碳剂，继续持续底吹氩气，底吹氩气流量设置为400 NL/min -600 NL/min。

步骤S4：接下来就是本申请另一个重要的发明点，将钢包吊入吹氩工位，控制吹氩工位的氩气流量在600 NL/min -800NL/min，促进钢水的搅拌以及均匀化；取钢水样，加入100kg-150kg的SiC，SiC可以与炉渣中的氧结合，进一步降低炉渣中的氧含量。加入50kg-100kg的石灰控制炉渣碱度，有利于钢水的精炼和净化。

步骤S5：根据钢水样的成分以及钢种要求，第二次加入合金，所述的合金同样包括低氮增碳剂、金属锰以及低钛低铝硅铁；这里合金是第二次加入，本申请整个制备过程存在两次合金加入，第一次加入即在出钢过程中，是整个出钢过程唯一一次加入合金，结合电弧炉的出钢提温，为出钢过程中成分的一次性命中创造条件，即可完成钢液成分调整。吹氩工位的第二次加入合金，完成整个钢液最终的成分调整。

需要注意的是，第二次加入的合金作为补充调整钢液成分，需要依据实际冶炼时预设的量进行添加，原则上作为二次补充添加，低氮增碳剂、金属锰以及低钛低铝硅铁的加入量均是要比第一次加入时少，即低氮增碳剂少于300kg，金属锰少于4.5 kg/t，低钛低铝硅铁少于2.4 kg/t，进行成分调整的时间小于5min，这里同样的，金属锰以及低钛低铝硅铁的加入量以本步骤出钢量为参照进行比例添加，调整完后钢液的温度范围控制在1525℃-1535℃，确保钢液处于合适的温度范围，有利于后续的处理和浇铸。

步骤S6：完成钢水成分的调整后，逐步调小钢包底吹氩气，减少氩气对钢水的搅动，直至软搅拌状态，又能保持一定的搅拌效果软搅拌去除夹杂物；参考流量控制在40 NL/min -100NL/min，前期要勤观察渣面波动情况，以渣面微微波动，软搅拌时间控制在25min-30min，控制软搅拌时间保证夹杂物有足够的时间去除，同时避免过度搅拌对钢水质量产生不利影响。精炼过程不再通电升温，同时在短时间内加入一次合金完成成分调整，然后开启软搅拌，促进钢水中的夹杂物上浮，去除，避免反复通电升温及合金加入开大底吹时导致的卷渣。

步骤S1-步骤S4的电弧炉冶炼到出钢完成的工序中，电弧炉短流程的设计，结合在整个过程中所消耗的电力均为绿电，能够实现本申请降碳的目的。

步骤S7：采用大方坯连铸机浇注，设置精准分区段压下，通过在不同区段对铸坯进行压力调整，来改善铸坯的质量和性能，避免应压力量分配不合适造成的内部裂纹等问题。连铸采用低过热度窄区间以及恒拉速浇注技术，将钢水的过热度稳定控制在较低的范围内可以减少钢水的热量损失，降低凝固前沿的温度梯度，有利于形成均匀的凝固组织，窄区间控制可以减少过热度的波动，降低凝固过程中的热应力和变形，提高铸坯的质量。恒拉速可以使钢水在凝固过程中保持稳定的流动状态，有利于凝固组织的均匀形成，减少铸坯内部的缺陷。

最终减轻铸坯中各类元素的偏析，得到铸坯C偏析0.95-1.05，减少析出物夹杂的形成，结合后续步骤S8-步骤S9加热炉高温、长时保温技术，进一步促进元素扩散均匀，全方位的提升铸坯质量。

本申请中，铸坯C偏析的检测是按照高碳钢连铸坯碳偏析指数=连铸坯中心点碳含量C5/(连铸坯对角线1/4位置C1、C2、C3、C4点的碳含量平均值)，即在连铸坯中，其中心点碳含量设定为C5，C1、C2、C3、C4四个点分别分布在连铸坯两条对角线的四分之一位置处。

若要达到上述目的，本申请提供的优选是，连铸机为直弧型矩形坯连铸机，连铸坯断面尺寸为300mm×390mm，弧半径为12.5m。连铸中间包开浇吨位≥18t，正常浇注时中包吨位≥35t，连浇换包时中间包吨位≥30t。连铸全程保护浇注，连铸拉速控制在0.5m/min-0.7m/min，采用低碱度低氧化铝中间包覆盖剂，控制中间包钢水过热度25℃-30℃；连铸坯在拉矫机进行轻压下，分区段压下量范围为8 mm -15mm，压下辊压力范围为30 bar-40bar；使用低熔点结晶器保护渣，结晶器保护渣渣层厚度维持在15mm-22mm，加入量0.25 kg/t -0.35kg/t；使用结晶器电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流400A-600A，频率5 Hz -7Hz，结晶器水量2975 L/min -3025L/min；

二冷段采用弱冷模式，二冷段水量从1区到4区分别为：1区段60 NL/min -100 NL/min、2区段20 NL/min-50 NL/min、3区段20 NL/min -40 NL/min、4区段10 NL/min -30 NL/min。

本步骤中，关于中间包覆盖剂，本申请提供了一个实施例，其成分质量百分比为CaO：35%-45%，SiO₂：40%-50%，CaF₂：2%-5%，Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

步骤S8：开坯工序，设置开坯加热温度范围为1180℃-1250℃，开坯成140mm×140mm。

步骤S9：高线轧制工序，设置加热温度范围为1080℃-1160℃，开轧温度范围为960℃-1030℃以及吐丝温度范围为860℃-920℃。

步骤S8-步骤S9的开坯及轧制过程采用高温、长时加热技术，促进元素的扩散均匀，消除元素偏析等问题，同时结合坯料全修磨及新型涂层材料应用技术，减少盘条表层脱碳。

最后基于上述的短流程制备方法，能够得到一种高品质高碳钢线材，其中包括按质量百分数计如下的化学成分：Si：0.18%-0.25% 、Mn：0.46%-0.54%、Cr<0.03%、C：0.7%-0.9%、P≤0.015%、S≤0.01%、T.O≤0.0020%、N≤0.0035%、Alt≤0.0015%、Ti≤0.0005%、Ni≤0.02%，Cu≤0.015%、Mo≤0.005%、Sn≤0.010%、As≤0.008%，其余为Fe及其他不可避免的组分。

高品质高碳钢线材中夹杂物主要为SiO₂-MnO-Al₂O₃类低熔点夹杂物，1μm以上夹杂物数量密度≤5个/mm²，5μm以上夹杂物数量密度≤0.12个/mm²，横向最大尺寸夹杂物≤15μm，纵向夹杂物A、B、C、D、Ds类夹杂评级均≤1级，脆性夹杂物尺寸≤5μm；夹杂物的评级依据GB/T 10561-2023进行评定。

为了验证上述高品质高碳钢线材的短流程制备方法的优势，本申请提供了相关实施例与现有冶炼技术实施例，以表明本制备方法的卓越性。

总装量为115t，其中，废钢装入量为68t，剩余为铁水加入量；设置入炉铁水温度为1380℃，铁水中硫含量为0.004%，磷含量为0.07%。

现有冶炼技术实施例：

采用高炉—KR铁水预处理—转炉—精炼（LF或LF-VD/RH）—连铸工艺生产，调整其工序内部分参数，得到如表1关于高碳钢线材的示例。

表1

采用本申请制备方法得到的实施例1-6：

电弧炉冶炼过程中，在废钢加入炉内前，通过高位料仓加入560kg石灰。废钢加入炉内后开始通电升温，炉壁氧枪开启烧嘴模式，铁水兑入完毕后，炉壁氧枪流量控制在5500Nm³/h，炉门氧枪控制在2100Nm³/h，加入石灰1100kg。当通电电耗达到18000kWh时，停止供电，炉壁氧枪流量控制在4700Nm³/h，炉门氧枪控制在1680 Nm³/h，加入石灰850kg。当氧耗达到26Nm³/t时，继续通过电极供电，同时通过炉壁碳粉枪喷吹碳粉，碳粉喷吹流量控制在0.75kg/t • min，炉门枪流量控制在1100 Nm³/h，整个过程中，碳粉的喷吹量控制在10kg/t左右。

关于废钢，采用的是优质废钢，实施例中入炉废钢厚度为4.0mm，组分内化学成分采用的质量百分比为：S含量≤0.025%、Ni含量≤0.03%、Cr含量≤0.03%、Cu含量≤0.05%，Al含量≤0.03%、Ti含量≤0.02%。

电弧炉冶炼，关于出钢温度，终点磷、碳以及钢液氧含量如表2所示：

表2

电弧炉出钢三分之一时，向钢包中加入低氮增碳剂、金属锰以及低钛低铝硅铁，基本完成钢液成分的调整，避免了精炼过程多次加入合金进行成分调整时，频繁进行大底吹搅拌造成的卷渣。在出钢二分之一时，加入适量合成渣，控制合成渣的成分，加入上述低碱度合成渣，通过钢渣反应促进夹杂物成分向低熔点区域转变，有利于夹杂物轧制过程中的变形。此过程中加入的低氮增碳剂、金属锰以及低钛低铝硅铁量，合成渣量如表3所示，表3中金属锰加入量、低钛低铝硅铁加入量均以电弧炉冶炼后出钢量为依据等比例进行添加。

表3

实施例1-6中加入的合成渣主要成分如表4所示：

表4

出钢结束后，向钢包中加入420kg的低氮增碳剂，设置底吹氩气流量为540NL/min。

钢包吊入吹氩工位，取钢水样，加入的SiC、石灰、控制得到的炉渣碱度以及底吹氩气流量如表5所示：

表5

根据实际情况补充低氮增碳剂、金属锰和低钛低铝硅铁，以达到钢水所需的成分要求，补充的低氮增碳剂、金属锰和低钛低铝硅铁量，成分调整的时间以及调整后钢液的温度控制状态如表6所示，表6中金属锰加入量、低钛低铝硅铁加入量均以出钢量为依据等比例进行添加。

表6

成分调整后，逐步调小钢包底吹氩气至软搅拌状态，氩气流量设定在80NL/min，软搅拌时间控制在28min，促进夹杂物的上浮去除。

紧接着进入连铸机浇注工序，连铸机为直弧型矩形坯连铸机，连铸坯断面尺寸为300mm×390mm，弧半径为12.5m。设定连铸中间包开浇吨位19t，正常浇注时中包吨位35t，连浇换包时中间包吨位32t，控制中间包钢水过热度为28℃，连铸拉速控制在0.6m/min，关于分区段压下量、压下辊压力、结晶器保护渣渣层厚度、结晶器保护渣加入量、结晶器电磁电流、结晶器频率以及结晶器水量如表7所示：

表7

二冷段采用弱冷模式，二冷段水量从1区到4区分别为：1区段80 NL/min、2区段45NL/min、3区段30NL/min、4区段25 NL/min。

通过表7中实施例1-6设定的连铸机浇注工序后，最终得到的铸坯C偏析值经过检测分别为：1.02、1.01、0.98、0.96、0.95、0.97，大大减少了析出物夹杂的形成。

在开坯及轧制工序中，开坯成140mm×140mm的开坯加热温度、轧制加热温度、开轧温度以及吐丝温度设置如表8所示：

表8

最终得到如表9关于高碳钢线材的示例。

表9

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将表9获得的关于高碳钢线材的各个指标与表1进行对比，从两个表格直观的能够看出，现有冶炼技术获得的高碳钢线材，1μm以上夹杂物数量密度、5μm以上夹杂物数量密度、横向最大尺寸夹杂物、纵向夹杂物夹杂评级以及脆性夹杂物尺寸五个重要指标，均无法得到较为高品质的高碳钢线材。

反观本申请重新设计的产品生产流程，使用电弧炉-吹氩站-大方坯连铸-开坯-高线轧制的短工艺流程，获得的高碳钢完全符合对洁净度、偏析、脱碳、表面质量的高要求，同时还降低了碳排放水平，为下游行业提供绿色原料。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S7：采用大方坯连铸机浇注，连铸采用低过热度窄区间以及恒拉速浇注技术，同时设置精准分区段压下，得到铸坯C偏析0.95-1.05；其中，低过热度窄区间为25℃-30℃，连铸拉速控制在0.5m/min-0.7m/min，分区段压下量范围为8 mm -15mm，压下辊压力范围为30bar-40bar；

步骤S8：开坯工序，设置开坯加热温度范围为1180℃-1250℃；

2.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S1中，钢水进入电弧炉时，其S≤0.005%，P≤0.09%；采用电弧炉冶炼后，终点P≤0.015%，终点碳0.09%-0.15%。

3.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S1中电弧炉冶炼的具体过程为：

步骤S11：通过高位料仓加入500kg-600kg石灰；

步骤S14：当氧耗达到25Nm³/t-28Nm³/t，通过电极向电弧炉供电，同时通过炉壁碳粉枪喷吹碳粉，碳粉喷吹流量控制在0.7 kg/t • min -0.8kg/t • min，炉门枪流量控制在1000Nm³/h -1200Nm³/h。

4.根据权利要求3所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S1中，电弧炉冶炼过程中，加入的优质废钢各组分质量百分比为：S含量≤0.025%、Ni含量≤0.03%、Cr含量≤0.03%、Cu含量≤0.05%，Al含量≤0.03%、Ti含量≤0.02%。

5.根据权利要求3所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：电弧炉冶炼中碳粉的喷吹量范围为8 kg/t -10kg/t。

6.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S2中，出钢过程钢包底吹氩气流量为800-1000 NL/min；电弧炉出钢三分之一时，先向钢包中加入300kg-350kg的低氮增碳剂，继续加入4.5 kg/t -5.0kg/t的金属锰，2.4 kg/t -3.0kg/t的低钛低铝硅铁；出钢二分之一时，加入1.8t-2t的合成渣。

7.根据权利要求6所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：合成渣的组分质量百分比分别为：SiO₂含量44%-49%、CaO含量38%-43%，Al₂O₃含量1%-4%，MgO含量4%-7%，T.Fe含量≤1%，MnO含量≤2%，以及其他不可避免的杂质组分。

8.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S3中，出钢结束，向钢包中再次加入400kg-450kg的低氮增碳剂，底吹氩气流量为400 NL/min-600 NL/min。

9.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S4中，吹氩工位的氩气流量控制在600 NL/min -800NL/min；取钢水样，加入100kg-150kg的SiC，加入50kg-100kg的石灰，控制炉渣碱度范围为0.8-0.9。

10.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S5中，第二次加入的合金中，低氮增碳剂少于300kg，金属锰少于4.5 kg/t，低钛低铝硅铁少于2.4 kg/t，进行成分调整的时间小于5min，调整完后钢液的温度范围控制1525℃-1535℃。

11.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S6中，钢包底吹氩气流量控制在40 NL/min -100NL/min，软搅拌状态持续25min -30min。

12.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S7中，连铸机采用直弧型矩形坯连铸机，连铸坯断面尺寸为300mm×390mm，弧半径为12.5m。

13.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S7中，连铸中间包开浇吨位≥18t，正常浇注时中包吨位≥35t，连浇换包时中间包吨位≥30t。

14.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S7中，连铸过程中，大包长水口氩气流量为250 NL/min -350NL/min；采用低碱度低氧化铝中间包覆盖剂，其成分质量百分比为CaO：35%-45%，SiO₂：40%-50%，CaF₂：2%-5%，Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

15.根据权利要求1所述的高品质高碳钢线材的短流程制备方法，其特征在于：步骤S7中，使用低熔点结晶器保护渣，结晶器保护渣渣层厚度维持在15mm-22mm，加入量为0.25kg/t -0.35kg/t；

使用结晶器电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流400A-600A，频率5Hz-7Hz，结晶器水量2975L/min -3025L/min，二冷段采用弱冷模式，二冷段水量从1区到4区分别为：1区段60 NL/min-100 NL/min、2区段20 NL/min -50 NL/min、3区段20 NL/min-40 NL/min、4区段10 NL/min-30 NL/min。

16.根据权利要求1-15任一所述高品质高碳钢线材的短流程制备方法得到的高品质高碳钢线材，其特征在于：所述的高品质高碳钢线材中包括按质量百分数计如下的化学成分：Si：0.18%-0.25% 、Mn：0.46%-0.54%、Cr<0.03%、C：0.7%-0.9%、P≤0.015%、S≤0.01%、T.O≤0.0020%、N≤0.0035%、Alt≤0.0015%、Ti≤0.0005%、Ni≤0.02%，Cu≤0.015%、Mo≤0.005%、Sn≤0.010%、As≤0.008%，其余为Fe及其他不可避免的组分。

17.根据权利要求16所述的高品质高碳钢线材，其特征在于：高品质高碳钢线材中夹杂物包括SiO₂-MnO-Al₂O₃低熔点夹杂物，1μm以上夹杂物数量密度≤5个/mm²，5μm以上夹杂物数量密度≤0.12个/mm²，横向最大尺寸夹杂物≤15μm，纵向夹杂物A、B、C、D、Ds类夹杂评级均≤1级，脆性夹杂物尺寸≤5μm。