01-洁净特殊钢生产工艺技术

NortheasternUniversity洁净特殊钢生产工艺技术姜周华东北大学2008年10月，莱钢2008莱钢学术年会目录现代特殊钢生产的进步及发展趋势特殊钢的质量和生产特点特殊钢洁净度控制——轴承钢为例特殊钢连铸关键技术电渣生产特殊钢新技术非合金钢低合金钢合金钢普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢优质合金钢特殊质量合金钢粗钢不锈钢特殊钢特殊钢与合金钢1现代特殊钢生产的进步及发展趋势(1)专业化分工越来越细（八种类型）生产航天工具用合金钢（包括军工等特殊质量要求高的品种）的钢厂不锈钢板﹑带厂（太钢﹑宝钢不锈、张家港浦项、酒钢等）不锈钢型材﹑管线厂（长城﹑宝钢特钢﹑大钢等）轴承钢﹑弹簧钢和合金结构钢厂（东特﹑本钢﹑兴澄﹑大冶等）合金工具钢﹑高速工具钢和高强度钢厂精密合金厂合金钢线材及钢丝厂钢铁联合企业中兼产大型合金钢材的分公司(2)特钢增长方式—提升产业集中度在政府导向和市场配置下，目前已形成三大特钢企业集团：东北地区：东北特钢集团华东地区：宝钢集团宝钢特殊钢华东-中南地区：中信泰富兴澄-新冶钢-石钢集团1现代特殊钢生产的进步及发展趋势东北特殊钢集团汽车工业用钢棒材—抚顺轴承钢棒线材—北满，大连工模具钢—抚顺和北满不锈钢棒线材—大连特种合金—抚顺和大连特殊钢精加工产品(剥皮磨光冷拉棒材钢丝)—大连●北满●抚顺■大连宝钢特钢★五钢公司★浦钢公司特钢分厂★上海钢研所的特钢长材、扁平材★二钢公司的金属制品★进行重组整合不锈钢长型材合金钢棒材高合金钢型材合金板带金属制品精密冷带特殊钢管银亮材宝钢特钢不锈钢长型材生产线高合金钢型材生产线合金钢棒材生产线环环市场境境业行银亮材金属制品合金板带生产线特殊钢管精密冷带宝钢特钢中信泰富兴澄特钢新冶钢集团石钢++▽▽▽高合金钢品种高级汽车用钢轴承钢军工配套材料中低合金钢品种轴承钢齿轮钢合金弹簧钢合金钢管坯优质碳素钢汽车用钢1现代特殊钢生产的进步及发展趋势(3)质量性能高级化﹑稳定化；品种多样化、制品化钢种：1000多个类型：板﹑带﹑管﹑线﹑棒﹑型钢质量：标准越来越严格，国外许多著名厂家均有更严格的内部标准制品化：满足用户需求，提高产品附加值1现代特殊钢生产的进步及发展趋势(4)冶炼设备大型化﹑高功率化和自动化目前大多数新建电炉在50—150t之间，且均为UHP电炉，采用二级或三级计算控制冶炼工艺发生较大变化，电炉只作为熔化器（精炼任务移至炉外）现有小电炉5-30t通常用于合金钢，批量较高品种，而且往往后步工序采用特种熔炼设备（ESR、VIM、VAR等）(5)转炉生产合金钢的比例增大转炉法特点：生产率高，钢中气体、杂质（特别是残余元素）含量低，有利于连铸机配合，生产成本低日本﹑美国、欧洲等许多国家转炉法生产的合金钢占转炉钢总产量的10％以上主要品种：电工硅钢﹑工业纯铁﹑合金钢、不锈钢等转炉生产特殊钢已成为发展趋势国外尤其是日本采用转炉流程生产特殊钢：DeS-BOF-LF-VD/RH-CC石钢、鞍钢、包钢、武钢：BOF-LF-VD-CC攀钢、本钢、兴澄、邢钢：BOF-LF-RH-CC高炉转炉轧制焦化烧结LFRH连铸产品转炉－精炼—大方坯特殊钢生产线1现代特殊钢生产的进步及发展趋势(6)炉外精炼技术基本普及与UHP电炉、转炉配合实现全连铸生产，尤其是实现多炉连浇合金钢的质量显著改善，生产成本降低；例如轴承钢氧化物夹杂含量、合结钢的发纹﹑白点﹑层状断口减少(7)合金钢连铸比不断提高连铸有利于提高合金钢质量﹑提高生产率﹑降低成本由于钢水精炼，连铸机装备水平提高，使得极大部分合金钢均可实现全连铸大断面的大方坯合金钢连铸机已成为发展趋势国内外部分大方坯炼钢连铸生产线厂家流程形式断面尺寸/mm生产钢种1山阳姬路90tEAF-LF-RH-CC立式3流370×470轴承钢、不锈钢2大同知多70tEAF-LF-RH-CC弧形2流370×480调质、轴承、合结、不锈3大同涩川70tEAF-LF-RH-CC立式4流370×4804爱知80tEAF-VSC-LF-RH-CC弧形2流185×320、370×480工具钢、轴承钢、不锈钢5神户铁水预处理-60tBOF-精炼-CC弧形2流300×430轴承、合金结构、弹簧6川崎铁水预处理-BOF-钢包精炼-真空脱气-CC4流400×5607住友小仓KR-70tBOF-VAD/RH-CC410×560/300×400轴承、合结、弹簧、易切8住友和歌山70t、160tBOF410×560轴承钢9新日铁室兰TBM-270tBOF-RH-CC350×560轴承、合结、弹簧、易切10日本钢管福山立式轴承钢11新日铁光150×150,ф150,170,210,240,270轴承钢、不锈钢12高周波EAF-ASWA-SKF轴承钢13JFE西日本制铁所铁水预处理-BOF-RH-CC400×560/300×400轴承钢14NKK京滨制铁所铁水预处理-BOF-真空除渣－钢包精炼-RH-CC轴承钢日本部分大方坯炼钢连铸生产线1现代特殊钢生产的进步及发展趋势(8)后步工序（轧制﹑锻造﹑热处理）的技术不断完善1）控制轧制和控制冷却技术已普遍用于高强度，高韧性钢板的生产2）直接淬火和控轧技术相结合正在成为调质型高强度钢的主要生产方法3）冷锻技术提高金属收得率高性能高强度、高韧性、长寿命低成本低合金含量和低工艺成本高精度高形状尺寸精度和表面质量绿色化易于回收和利用、可持续发展2特殊钢的质量和生产特点2.1特殊钢的质量特点由于特殊钢大多用于比较重要的场合，因此对性能要求严格特殊钢质量涉及冶炼﹑铸造﹑加工﹑热处理等各个工序从冶金学观点看，就是如何保证成分和组织结构不同钢种，有不同的质量要求，也会出现不同的质量问题2特殊钢的质量特点和生产特点2特殊钢的质量特点和生产特点2.2特殊钢的生产特点品种、规格多生产方法多电弧炉、转炉、平炉、感应炉、真空感应炉、电渣炉真空自耗炉、电子束炉等。目前以电弧炉为主，转炉成为电炉的主要竞争对手。特殊用途采用特殊熔炼设备普遍采用二次精炼工艺连铸技术例：轴承钢UHP电炉+炉外精炼+大方坯连铸复吹转炉+炉外精炼+大方坯连铸生产流程复杂。冶炼浇铸之后的加热﹑轧锻﹑热处理等后步工序多，需要专用的设备和生产线。3.特殊钢洁净度控制——以轴承钢为例日本轴承钢的生产状况国内轴承钢生产企业工艺流程特殊钢转炉冶炼技术特殊钢转炉/电弧炉出钢关键技术低氧钢和夹杂物控制的精炼技术3.1日本轴承钢的生产状况厂家T.O/ppmTi/ppmAl/%S/%P/%山阳5.4/5.814~150.011-0.0220.002-0.013神户9150.016-0.0240.00260.006爱知7150.030.0020.001和歌山612高周波5200.0150.0070.008NKK京滨制铁所7.515大同知多5轴承钢作为特殊钢中的高洁净钢种，其产品质量水平可以代表各厂的实际生产工艺和技术水平。轴承钢的生产共同特点(1)（1）设备大型化由于大容量的电炉或转炉提供初炼钢水，减少了钢水与耐火材料之间的接触，大大提高了生产率，降低了生产成本。（2）除渣为了冶炼出氧含量很低的轴承钢，必须把带有氧化反应的熔化过程与精炼过程分开进行。国外普遍采用无渣出钢、真空吸渣和换钢包除渣等技术，将氧化渣彻底扒除。（3）铝脱氧如果只采用真空脱碳、脱氧，钢中的氧含量高达20ppm以上。因此为了提高钢的洁净度，必须在精炼前预先用铝沉淀脱氧。轴承钢的生产共同特点(2)（4）长时间搅拌真空和非真空条件下长时间搅拌，促进夹杂物充分上浮；为了保证长时间搅拌，精炼炉必须具备加热功能，以补偿其温降。如果生产氧含量小于10ppm的轴承钢，至少搅拌30min以上。（5）高碱度渣精炼一般将精炼渣碱度控制在4～6之间。（6）连铸由于轴承钢的碳含量高，生产的铸坯容易产生偏析、缩孔和裂纹等缺陷，加之轴承钢对非金属夹杂物和碳化物的要求严格，所以轴承钢的连铸较为困难，采用M-EMS、F-EMS和轻压下技术是有效的解决途径。日本神户采用高炉铁水预处理——氧化顶吹转炉——排渣——钢包精炼（带电磁搅拌、真空脱气）——二流连铸进行轴承钢的生产，其钢中氧含量达到4ppm，钛含量达到7ppm。超纯净钢的疲劳寿命比普通材提高几倍。川崎制铁铁水预处理脱磷后，通过转炉顶底复合吹炼，把终点碳控制在0.9%，采用挡渣出钢技术尽量使渣不流入钢包中。在钢包内添加渣料，吹入氩气进行强搅拌，再在RH炉中进行大循环量的脱气，使非金属夹杂物充分上浮，提高钢的洁净度。然后实施密封连铸，铸出400×560mm断面的铸坯。日本山阳高功率电炉初炼(90-150吨)→EBT出钢→LF→RH→CC/IC（立式连铸坯断面尺寸为370mm470mm）→均热→初轧机开坯→钢坯清理→行星轧机、连轧精轧→无损在线检测→连续炉球化退火→检验入库。采用SNRP（SanyoNewRefiningProcess）工艺生产轴承钢中T.O≤5ppm，钢中氧化物夹杂达到11μm以下，其接触疲劳寿命比普通轴承钢的寿命大幅度的提高。SNRP超纯净轴承钢生产工艺特点（1）EBT出钢，防止炉内氧化渣进入钢包中。（2）LF精炼大于45分钟，采用高碱度（CaO/SiO2=4－5，最高7.2）、低氧化性（TFe为0.3-0.6%）精炼渣及铝脱氧，底部双透气砖的吹氩气搅拌（100－125W/t），强化脱氧、脱硫、去除夹杂效果。（3）RH在66.7Pa下处理20～30min，甚至大于40min，进一步脱氧、脱氢、脱氮及去除夹杂，完成成分微调。酸溶铝经LF、RH后在0.015%以上。（4）全封闭连铸，防止大气污染，如中间包吹氮或吹氩保护，使包内气氛中氧含量小于0.1%，并采用长水口保护浇注。（5）采用结晶器液面控制及电磁搅拌技术，改善铸坯组织和质量。使用该工艺，全氧5ppm。连铸材比模铸材平均可降低2.6ppm。连铸钢和模铸钢的B类夹杂物的级别分别是0.06和0.4级，前者为后者1/7，D类夹杂物分别为0.06和0.8级，前者为后者的1/13。钛含量多在20ppm以下。日本大同特殊钢大同知多工厂开发出MRAC-SSS（Multi-functionRefining&AdvancedCasting-SpecialSolution&Soaking）工艺生产超高纯净轴承钢。利用MRAC-SSS工艺生产的轴承钢达到如下水平：T.O≤5ppm，可以低到3.4ppm，Ti≤5ppm，[N]≤30ppm，并且可以得到极细小的氧化物夹杂和Ti的夹杂物。采用MARC工艺后，钢中未发现大于7.5μm的Al2O3氧化物夹杂，并且钢中几乎不存在CaO-Al2O3系夹杂物。钢中Ti的夹杂物含量也很少，并且很细小。采用新工艺生产的轴承钢的疲劳寿命比传统的精炼工艺生产的轴承钢寿命可提高25%以上。大同特殊钢工艺特点（1）使钢液实现低[O]化电炉出钢时去除100%氧化渣，LF炉用CaO-CaF2造渣，并用Al终脱氧，然后在RH炉中采用非常高的真空度，并进行长时间脱气处理，实现低[O]的目的。严格控制钢水再氧化，在整个浇铸阶段实现保护，在全封闭的中间包中进行连铸，通过低[O]化工艺和保护性浇铸达到T.O≤5ppm。（2）促进夹杂物上浮精炼时在RH炉中通过确保循环时间促进夹杂物的上浮分离;在连铸过程中通过中间包内配备合适的堰坝促进夹杂物上浮分离，再釆用立弯式连铸机、圆形结晶器内的电磁搅拌以及适当的铸造速度，即可以使夹杂物在结晶器内上浮分离。（3）减少Ti系夹杂物严格选用低Ti含量的废钢及炉料，电炉炼钢时在氧化期想法把Ti作为TiO2氧化物去除钢中的Ti，在LF炉中采用适当的炉渣组成进行脱Ti。降低钢中[N]含量很重要的，在LF炉彻底去除钢中的[S]和[O]有利于去除[N]，在RH炉中充分保证搅拌时间和脱氧时间有利于脱[N]反应，确保钢中[N]达到30ppm以下。由于钢中Ti和N的