高品质汽车用钢生产工艺模型研究与探讨

0前言目前，汽车产业的迅速发展对汽车用钢铁材料提出了更高的要求。以“无缺陷、近终化”为发展方向的高性能汽车用钢越来越受到广大用户的青睐，也是国家鼓励开发生产的高效经济、节能减排型品种之一。1无缺陷、近终化钢材的工艺控制要点针对高品质汽车用钢的使用特点、加工工艺和性能要求，研究适宜的成分控制范围及冶炼、精炼、连铸和轧制工艺，制定合理的工艺参数和过程控制措施，确保钢材洁净度、组织均匀性、性能等指标满足用户要求。1.1炉料的精细化管理首先，应为电炉提供充足的优质铁水，铁水热装比例可达50%-80%，高比例铁水既可保证配碳和配重，又极大地减轻废钢供应压力，在满足配料次数的要求下，可适当增加轻型废钢等廉价钢铁料用量，以提高废钢熔化速度，降低配料成本。其次，高品质汽车用钢要求严格控制杂质元素含量，降低非金属夹杂物数量。钢中Zn、Pb、Sb等残余元素具有较高的蒸汽压，在炼钢温度下较易蒸发而去除，而Cu、Sn等元素由于其氧化位能比铁元素低，用正常的方法很难去除且易于富集，因此应做好废钢分捡、加工（包括粉碎性加工、剪切、打捆）、贮存与配料技术。1.2冶炼装备的大型化、现代化我国从20世纪90年代开始，冶炼装备便向大型化、现代化方向发展，为满足高品质汽车用钢的生产要求，电炉容量应大于70t，转炉容量应大于80t，其经济技术指标和操作水平应接近或达到国际先进水平，为我国今后发展和优化无缺陷、近终化钢材生产工艺和保持可持续发展创造条件。冶炼装备向大型化发展主要有以下两条技术路线：一是高炉-铁水预处理-转炉-精炼-连铸，二是海绵铁或预热废钢+铁水-超高功率电炉-精炼-连铸，这两种流程在前期由于炉料的不同而有很大区别，而在精炼阶段都是要脱氧、脱硫、脱气、去夹杂物及夹杂物变性处理。随着钢铁产品向高洁净度、高精度、高性能、高技术含量发展，氧化前期的重点是做好去磷操作、防止过氧化和减少消耗。炼钢炉采用挡渣器出钢，减少钢中非金属夹杂物；电炉采用泡沫渣技术，使炉渣呈很厚的泡沫状，提高电弧对熔池的加热效率，降低电极电流，减少电极端部损失，提高钢液升温速度；电炉采用铁水热兑技术，缩短供电时间和冶炼周期，降低冶炼电耗和氧气消耗，解决部分废钢短缺问题；转炉采用副枪控制技术，实现转炉自动化炼钢模式，减少钢水过氧化炉次，有效控制转炉返干和喷溅现象，降低钢铁料消耗。1.3快速协同的二次冶金技术随着现代炼钢技术的发展，传统电炉和转炉的功能已发生很大改变，其主要任务是快速熔化废钢、氧化脱碳、脱磷、升温、粗合金化和预脱氧，而还原精炼、脱氧、脱硫、成分微调等任务在LF钢包炉中进行。LF精炼炉以其独特的功能特点和工艺灵活性，成为生产无缺陷、近终化钢材的最佳配置。同时，LF精炼炉配合VD炉（或RH）真空处理工艺，可将钢中氢含量降低到2ppm以下，为连铸提供高质量钢水。1.3.1成分微调钢的焊接性、成型性和断裂韧性要求钢中有较少的非金属夹杂物，控制低氧含量和低硫含量是生产高品质汽车用钢的必要条件。Al、Ca、RE均已得到广泛应用，对硫化物形态控制十分有效。但真正意义的碳氮化物形成元素，则是Nb、V、Ti。Nb的合金化可以采用Nb铁、Nb渣或在长枪中喷射Nb精矿的方式。在钢包精炼期加入Nb铁时，通常在Si、Al、Mn铁之后加入。钢包吹氩有利于Nb在钢水中的均匀分布；V对氧的亲和力比Nb强，所以要充分预脱氧，并且要确保在Si、Al加入之后添加；Ti在钢中与O、N的亲和力远比Nb、V强，微合金化趋向于低Ti（0.02%-0.03%）或微Ti（＜0.015%）。1.3.2洁净化实现钢水的洁净化应采用真空脱气技术，减少钢中H、0、N的含量。通过吹氩搅拌或电磁搅拌，可加快脱气过程的速度，钢液经VD真空脱气处理后，可以稳定地把钢液中的[H]下降到2ppm以下，可以满足高品质汽车用钢的使用要求；RH真空循环脱气的冶金功能，能使钢水中的氢降至1ppm以下，与LP配合钢水T[O]可降到10×10-6以下，碳含量降到15×10-6以下，硫含量最好可以降到5×10-6以下，同时可以完成成分控制、升温的功能。1.3.3电渣重熔电渣重熔钢一般没有缩孔、疏松、夹杂物聚集宏观偏析等缺陷，具有很高的组织致密性，成分均匀性和表面光洁。钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。钢锭的利用率也比普通钢锭提高15%，接近80%。可用于冶炼滚珠轴承钢、不锈钢、耐热钢、高强度结构钢、高速切削钢、热强钢等特殊钢种。1.4高效恒速的全连铸技术从目前国内钢铁市场需求和工艺结构布局看，为满足大规格钢材、圆管坯和异型钢材的生产要求，铸坯应向大断面和近终型连铸方向发展。现代连铸技术日臻成熟，中间包冶金、液压振动台、结晶器锥度优化、结晶器液面自控、预熔颗粒保护渣、二冷动态配水、电磁搅拌、大包下渣检测、浸入水口、保护浇注、多点矫直、轻压下、多炉连浇、高效连铸等技术的不断进步完善，使连铸的生产效率、铸坯质量不断提高，同时，无缺陷连铸坯生产技术为连铸坯热送、直接轧制创造了条件。1.5轧钢工艺控制为适应汽车、机械制造行业对无缺陷钢材的需求，现代轧制技术应向着高速、高精度、连续化方向发展。轧钢线实现连铸坯热装、热送、无头轧制、高精度定径/减径机组、低温轧制和控冷控轧和在线探伤精整线等，以提高钢材质量的稳定性和可靠性，满足高档汽车和机械制造用钢的需求。采用数字式加热炉，在保证加热能力的基础上，减小开轧温度偏差，减小同根钢坯沿长度方向的温差和钢坯断面温差，配置汽化冷却系统和燃烧自动化控制系统，实现热能和坯料低消耗。对于高品质汽车用钢，控制其加热温度就可以控制奥氏体晶粒的大小及微合金元素在奥氏体中的溶解度，这是控制钢材性能的重要手段。采用带有备用机架、可整体换辊的COCKS三辊减定径轧机，使钢材变形更均匀，能获得更精确的尺寸公差及良好的表面，采用备用机架换辊，可提高有效作业时间，提高成材率，降低后部工序成本2近终化汽车制造行业使用非调质钢取代需要调质热处理的碳素钢及合金钢，具有节约能源和合金资源的显著效果。目前，日本和欧洲已广泛采用非调质钢，我国也已相继开发出了一系列微合金非调质钢并形成了产品标准，其主要控制手段是在炼钢工序实现微合金化，轧钢工序实现控轧控冷。2.1微合金化微合金化技术是指在钢中加入极少量微合金化元素，利用这些微合金化元素的强化作用，辅之以高纯洁度冶炼工艺、无缺陷连铸坯生产技术、控冷控轧手段，在原有主加合金元素的基础上再添加微量的铌、钒、钛等碳氮物形成元素，使其对钢的力学性能有影响或对耐蚀性、耐热性起有利作用。铌、钒、钛的添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，在非调质钢中一般加入量在0.02%-0.06%。2.2控轧控冷控轧控冷包括控制轧制和控制冷却。要想获得合理的轧制和冷却工艺，要先做出动态CCT曲线，确定钢在高温控轧控冷过程中连续转变的规律。控轧控冷工艺主要包括将钢坯加热、保温、粗轧、精轧、快速冷却的过程。采用控轧控冷技术后，钢材的抗拉强度与普通轧材比较，软化程度达到了20%左右，从而可以省略或简化二次加工用户的热处理工艺。3结论通过实施炉料的精细化管理、冶炼装备的大型化和现代化、应用快速-协同的二次冶金技术和高效-恒速的全连铸技术及稳定的轧钢工艺控制技术，再辅以微合金化和控轧控冷技术，即可以顺利实现高品质汽车用钢的生产。