CN104745765A - 一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金领域，一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，步骤如下：(1)电炉冶炼钢铁料采用低硫铁水和优质废钢，电炉终点碳含量控制在0.15％以上；(2)电炉出钢过程中用活性石灰和复合精炼渣，出钢过程中加入电石进行预脱氧；(3)LF精炼前在氩站喂入Al线；(4)精炼前期造高碱度白渣；精炼中后期炉渣碱度控制在1.5～2.5；(5)极限真空前氩气流量控制15～25L/分钟；极限真空度后氩气流量控制30～45L/分钟；(6)VD破空加入颗粒状碱性覆盖剂及碳化稻壳进行双层保护；(7)连铸拉速度稳定在0.8～0.9m/分钟，过热度控制20～30℃。本工艺能够减少钢水中的非金属夹杂物含量。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种钢材冶炼工艺，具体地说是一种Cr-Mn系列弹簧钢的冶炼工艺。
背景技术
弹簧钢是用来制造弹簧和弹性零件的一个专用钢种。按照其化学成分分为非合金弹簧钢(碳素弹簧钢)和合金弹簧钢，根据GB/T 13304《钢分类》标准，按照基本性能及使用特性，弹簧钢属于机械结构用钢；按照质量等级，属于特殊质量钢，即在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢。鉴于其用途，弹簧钢应该具有良好的耐疲劳性能、力学性能、抗弹减性能、淬透性、物理化学性能等综合性能。为了满足上述性能要求，弹簧钢材料应具备有较高的纯净度(少夹杂、低气体含量)、优良的表面质量、精准的外形尺寸等。伴随着工业经济的飞速发展，对弹簧钢品质要求也就越来越高，如近年来针对发动机用高性能气门弹簧而提出的超纯净弹簧网。
非金属夹杂物已经成为影响弹簧钢使用寿命的最重要因素之一，弹簧钢冶炼的关键是要如何提高钢材的纯净度，即：减少钢中非金属夹杂物含量并保证非金属夹杂物的均匀分布。钢水纯净度控制也一直困扰着国内各大钢铁企业。
目前，多数钢厂采用高炉铁水－铁水预处理－转炉－LF精炼－VD真空处理－连铸工艺来生产Cr-Mn系列弹簧钢。经过铁水预处理工艺生产弹簧钢使得生产成本增加，同时由于生产工艺的不合理，钢水纯净度控制往往也不理想，非金属夹杂物超标率居高不下，影响质量的同时也带来了大量的报废浪费。
如何提高弹簧钢纯净度，即：降低钢水非金属夹杂物含量已经成为各钢厂技术攻关的主要难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，采用该工艺不仅可以省去一道“铁水预处理”工艺，降低了生产成本，同时能将钢水中的非金属夹杂物控制在较好的水平。
本发明所采用的技术方案为，一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，包括原材料准备、偏心底电炉(EBT)、LF炉外精炼、VD真空处理、连铸工艺，步骤如下：
(1)电炉冶炼钢铁料采用60～70％的低硫铁水和30～40％优质废钢，要求废钢必须采用连铸切头切尾及轧钢返废，不得使用含S刚的返废、不得使用含杂质潮湿的废钢，电炉终点碳含量控制在0.15％以上，防止钢水过氧化，电炉出钢温度控制在1640～1660℃，EBT电炉实行留钢、留渣操作工艺，严禁出钢过程下渣；
(2)电炉出钢过程中用活性石灰和复合精炼渣，来代替普通石灰造渣，以加快化渣速度，出钢过程中加入电石进行预脱氧，从而尽快进行钢水的脱O与脱S；
(3)LF精炼前在氩站喂入Al线150-200m/炉加强钢水脱氧(代替传统工艺中精炼炉喂Al线)，进行钢水的深脱氧(控制成品铝含量不超过0.008％)，即可防止出钢过程用铝而带来的吸气，也可减少防止精炼过程再用Al后生成的三氧化二铝等夹杂没有足够的上浮时间；
(4)精炼前期以碳粉、电石进行钢水的快速脱O与脱S，精炼前期造高碱度白渣，视钢水S含量情况，加入适量石灰与复合精炼渣，控制成品S≤0.010％；精炼中后期以含硅脱氧材料来加强炉渣脱氧的同时提高炉渣的流动性，并视炉渣情况加入石英来进行稀渣，确保精炼后期炉渣碱度控制在1.5～2.5，从而可以解决前期所造的高碱度渣，吸附夹杂难的问题；
(5)VD真空处理前要求钢包留有60～100mm的净空高度，并控制氩气流量：极限真空前氩气流量控制15～25L/min；极限真空度后氩气流量控制30～45L/min，既保证有充分的搅拌，又要防止VD处理过程钢包渣溢出；VD要求真空度≤67Pa下的真空保持时间大于15min；
(6)VD破空迅速加入颗粒状碱性覆盖剂及碳化稻壳进行双层保护，保证钢渣不露面，软吹Ar时间控制20～70min，整个软吹过程加强氩气流量控制，保证钢水的微动，且不能出现亮面并根据钢水面情况，及时增添碳化稻壳；
(7)浇铸前加强对保护渣、中间包的烘烤；大包长水口增加密封垫圈；中包开浇前实施中包吹氩；连铸拉速度稳定在0.8～0.9m/min，过热度控制20～30℃，采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌，严禁拉速及过热度出现较大幅度波动。
作为优选，步骤(1)所述的留钢、留渣才做工艺中，出钢时控制留钢量为5～8％。
进一步地，步骤(2)所述的活性石灰和复合精炼渣要求如下：
活性石灰:CaO≥89％，活性度≥350，S≤0.030％，灼减≤4％；
复合精炼渣要求：55％≤CaO≤60％，15％≤SiO2≤20％，Al2O3≤8％。
作为优选，步骤(2)所述的活性石灰和复合精炼渣使用量各500kg/炉，以实现快速成渣，活性石灰使用量过多，会造成碱度过高，化渣困难，复合精炼渣使用量过多，会造成碱度偏低，造成前期造渣脱O、脱S困难。
进一步地，所述的出钢过程中视钢水终点C情况加入电石80～120kg/炉。
作为优选，步骤(4)所述的高碱度白渣碱度为3.0～4.0；所述碳粉和电石使用量不超过100kg/炉；步骤(4)所述石灰与复合精炼渣质量比为1:1。
进一步地，所述含硅脱氧材料为硅铁粉或碳化硅，并视炉渣情况加入石英进行稀渣，确保精炼后期炉渣碱度控制在1.5～2.5，从而提高炉渣吸附夹杂能力。
作为优选，步骤(4)所述的精炼前期采用大氩气流量，以实现炉渣的快速融化及合金均匀化；所述的精炼中后期采用小氩气流量，确保刚水中的夹杂物能够快速上浮及温度均匀化，并可以防止氩气流量过大而导致钢水过分裸露吸气。
作为优选，所述的连铸采用大包、中间包余钢操作，采用大包下渣检测装置，保证大包残余钢水量1.5吨/炉，浇注结束时中包残余钢水1吨，浇注过程防止中包低液位浇注；做好保护浇注工作：要求中间包烘烤时间大于3小时；并对保护渣进行烘烤，保证保护渣使用前温度控制在80℃以上。
本发明的优点：电炉以铁水加优质废钢为金属料进行冶炼，即吸取了“转炉冶炼良好的去气去夹杂效果”的优点，同时由于采用偏心底电炉进行留钢出钢，从而又克服了其它钢厂用转炉冶炼，出钢过程容易下渣的缺点；此外LF精炼过程采用双渣操作:前期造高碱度渣，加大脱O、脱S力度，同时能有效的将成品S含量控制在0.010％以下，减少了钢水中非金属夹杂物的来源，中后期通过采用含硅脱氧材料及加入石英砂来造低碱度渣，从而提高了中后期炉渣的流动性,为钢水中夹杂物上浮提供了良好的动力学条件,且整个精炼过程不使用含铝材料,减少了钢水中三氧化二铝等难熔难上浮夹杂的来源。因此采用此工艺不仅可以省去铁水预处理工艺，降低了生产成本、提高了生产效率同时也减少了钢水中的非金属夹杂物含量。
具体实施方式
实施例1
以Cr-Mn系列弹簧钢51CrV4生产为例说明：
炼钢工艺流程：铁水(60～70％)+优质废钢(30～40％)－100吨偏心底电炉(EBT)－100吨LF精炼炉－VD炉－连铸机(5机5流)。
电炉冶炼工艺
1、新炉衬、新钢包前3炉不得冶炼此钢种，出钢前加强对钢包的烘烤，保证钢包内衬的红热状态。
2、电炉冶炼钢铁料采用60～70％的低硫铁水与30～40％的公司自产优质废钢。
3、电炉终点碳含量控制在0.15％以上，电炉出钢温度控制在1640～1660℃，EBT电炉实行留钢出钢，严禁出钢过程下渣。
4、电炉出钢加入活性石灰500千克/炉，复合精炼渣500千克/炉进行造渣；出钢时视钢水终点C情况加入80～120千克/炉电石进行预脱氧。其中活性石灰:CaO≥89％，活性度≥350，S≤0.030％，灼减≤4％；复合精炼渣要求：55％≤CaO≤60％，15％≤SiO2≤20％，Al2O3≤8％。
5、上LF精炼前在氩站喂入Al线150-200米/炉加强钢水脱氧。
LF精炼炉工艺
1、精炼前期以碳粉、电石(电石使用量不超过100千克/炉)进行钢水的快速脱O与脱S。
2、前期造高碱度白渣，视钢水S含量情况，按照1:1的比例加入适量的石灰与复合精炼渣，控制成品S≤0.010％，控制前期炉渣碱度3.0～4.0。
3、精炼中后期以硅铁粉，碳化硅等含硅脱氧材料(每吨钢使用量1～2千克)来进行炉渣的维护，并视炉渣情况加入适量的石英砂来进行稀渣，控制精炼后期炉渣碱度1.5～2.5。
4、氩气控制：前期增C、加合金后使用大氩量150～250L/min，成分调整到位后正常送电使用中小氩气流量50～100L/min。
VD、软吹工艺
1、VD真空处理前要求采用合适的氩气流量：极限真空前氩气流量控制15～25L/min；极限真空度后氩气流量控制30～45L/min。要求真空度≤67Pa下的真空保持时间控制大于15分钟，VD破空后禁止再进行成分的调整；
2、VD破空迅速加入颗粒状碱性覆盖剂及碳化稻壳进行双层保护，加入量以钢渣不露面为准，且保证加入的均匀。
3、软吹Ar时间控制20～70min，整个软吹过程加强氩气流量控制，并及时增添碳化稻壳，即要保证钢渣的微动又要防止钢水露面。
连铸工艺
1、连铸做好大包、中包余钢操作，大包残余钢水量1.5吨/炉左右；保证浇注结束时中包余钢量1吨左右。
2、浇注前加强对保护渣、中间包的烘烤；大包长水口增加密封垫圈；中包开浇前实施中包吹氩等；采用液面自动控制系统，防止结晶器液面钢水出现波动。
3、连铸拉速度稳定在0.8～0.9m/min，过热度控制20～30℃，采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌。
对比例1
将实施例1电炉冶炼工艺的步骤4中活性石灰500千克/炉和复合精炼渣500千克/炉进行造渣替换为普通石灰，即只采用普通石灰进行造渣，其他条件同实施例1。
对比例2
将实施例1电炉冶炼工艺的步骤5删除，并在LF精炼炉炉渣黄白后喂入Al线150-200米/炉，其他条件同实施例1。
对比例3
将实施例1LF精炼炉工艺的步骤3删除，其他条件同实施例1，即LF精炼炉工艺中只造高碱度白渣。
本发明实施例1与对比例1、对比例2、对比例3成品S成分控制比较如下表1：
表1
| 类别 | 牌号 | 平均成品S含量 |
| 实施例1 | 51CrV4 | 0.005％ |
| 对比例1 | 51CrV4 | 0.011％ |
| 对比例2 | 51CrV4 | 0.010％ |
| 对比例3 | 51CrV4 | 0.008％ |
本发明实施例1与对比例1、对比例2、对比例3非金属夹杂物控制比较如下表2：
表2
Claims (9)
1.一种Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：包括原材料准备、偏心底电炉EBT、LF炉外精炼、VD真空处理、连铸工艺，步骤如下：
(1)电炉冶炼钢铁料采用60～70％的低硫铁水和30～40％优质废钢，电炉终点碳含量控制在0.15％以上，电炉出钢温度控制在1640～1660℃，EBT电炉实行留钢、留渣操作工艺，严禁出钢过程下渣；
(2)电炉出钢过程中用活性石灰和复合精炼渣，以加快化渣速度，出钢过程中加入电石进行预脱氧，从而尽快进行钢水的脱O与脱S；
(3)LF精炼前在氩站喂入Al线150-200m/炉加强钢水脱氧的同时，也使得Al脱氧的产物有足够的时间聚集上浮；
(4)精炼前期以碳粉、电石进行钢水的快速脱O与脱S，精炼前期造高碱度白渣，视钢水S含量情况，加入适量石灰与复合精炼渣，控制成品S≤0.010％；精炼中后期以含硅脱氧材料来加强炉渣脱氧的同时提高炉渣的流动性，并视炉渣情况加入石英来进行稀渣，确保精炼后期炉渣碱度控制在1.5～2.5，从而可以解决前期所造的高碱度渣，吸附夹杂难的问题；
(5)VD真空处理前控制氩气流量：极限真空前氩气流量控制15～25L/min；极限真空度后氩气流量控制30～45L/min；VD要求真空度≤67Pa下的真空保持时间大于15min；
(6)VD破空迅速加入颗粒状碱性覆盖剂及碳化稻壳进行双层保护，保证钢渣不露面，软吹Ar时间控制20～70min；
(7)浇铸前加强对保护渣、中间包的烘烤；大包长水口增加密封垫圈；中包开浇前实施中包吹氩；连铸拉速度稳定在0.8～0.9m/min，过热度控制20～30℃，采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌。
2.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(1)所述的留钢、留渣才做工艺中，出钢时控制留钢量为5～8％。
3.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(2)所述的活性石灰和复合精炼渣要求如下：
活性石灰:CaO≥89％，活性度≥350，S≤0.030％，灼减≤4％；
复合精炼渣要求：55％≤CaO≤60％，15％≤SiO2≤20％，Al2O3≤8％。
4.根据权利要求1或3所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(2)所述的活性石灰和复合精炼渣使用量各500kg/炉。
5.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：所述的出钢过程中视钢水终点C情况加入电石80～120kg/炉。
6.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)所述的高碱度白渣碱度为3.0～4.0；所述碳粉和电石使用量不超过100kg/炉；步骤(4)所述石灰与复合精炼渣质量比为1:1。
7.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)所述含硅脱氧材料为硅铁粉或碳化硅。
8.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)所述的精炼前期采用大氩气流量；所述的精炼中后期采用小氩气流量。
9.根据权利要求1所述的Cr-Mn系列弹簧钢冶炼工艺，其特征在于：所述的连铸采用大包、中间包余钢操作，采用大包下渣检测装置，保证大包残余钢水量1.5吨/炉，浇注结束时中包残余钢水1吨，浇注过程防止中包低液位浇注；做好保护浇注工作：要求中间包烘烤时间大于3小时；并对保护渣进行烘烤，保证保护渣使用前温度控制在80℃以上。
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