高质量钢的品种与质量控制

1高质量钢的品种与质量控制北京科技大学冶金学院陈伟庆1、高质量钢的品种按产品形状分类：（1）长形材（线棒钢）；（2）板材高质量棒线材－预应力线材（钢丝、钢棒、钢绞线），SWRH72B、77B，82B－轮胎钢丝和钢帘线（胎圈钢丝、轮胎子午线），72A82A－冷镦钢（螺栓、螺母、高强度紧固件），ML10－35，SWRCH35K－焊条,软线（焊条、网线），H08，ASTM1006(1008)，SWRM6(M8)－弹簧钢（汽车板簧、悬挂簧、发动机阀门簧），60Si2Mn(SUP7)，55SiCr(SUP12)，50CrV－轴承钢（滚珠、滚柱、轴承套圈），GCr15(SUJ2)－齿轮钢(机器、汽车齿轮)，20CrMnTi－易切削钢（汽车零件，仪表零件、标准件），1215、12L14，Y12－非调质钢（汽车连杆、轴类）35MnVN－汽车面板（IF钢，镀锌板）－油气管线钢（输油和天然气的管道（X70，X80）高质量板材―－冷轧硅钢片（电机、变压器铁芯）－深冲罐（镀锡食品容器）－冷轧不锈钢薄板（装饰面板）22、钢的质量要求2.1钢的质量钢制品的质量取决于－钢的冶炼（钢的化学成分，洁净度，铸坯质量）－钢的加工（热轧、冷轧、拉拔、冷镦、热处理、机械加工）钢的性能要求－强度、塑性、韧性、热加工性能、冷加工性能、可焊性、抗疲劳性、易切削性、耐热性、耐蚀性、热强性、可涂复性、磁性不同品种、不同用途钢的质量要求和性能要求不同钢的质量主要取决于－（1）钢的洁净度；（2）连铸坯的质量2.2洁净钢的概念－钢中杂质元素含量低（S、P、O、N、H）洁净钢－（Cu、Sn、Pb、As、Bi、Sb残余元素低称为纯净钢）－钢中非金属夹杂物数量少、尺寸小，形态要控制洁净钢是一个相对概念，随钢的品种和用途而异；洁净钢的标准是生产者与用户之间的一种协议；提高钢的洁净度，意味着增加成本，并需具备相应的装备水平和冶炼技术；洁净钢产品价格高，附加值高。32.3高质量钢的洁净度要求2.3.1杂质对钢材性能和连铸坯质量的影响（1）SFeS在晶界析出导致热脆，控制Mn/S比可形成MnSMnS沿轧制方向延长，降低钢材横向机械性能（塑性、冲击值、冷弯性能、厚度方向强度）。但少量MnS对硬线、轴承钢等质量影响不大MnS处易集聚H2，造成氢诱导裂纹（输油气管线钢）焊接时，S在晶界偏析，易造成热裂；扁平状MnS可造成厚板T形焊接的冷裂铝脱氧钢中S高时,可形成沿晶界分布的Ⅱ类MnS，初轧时易出现开裂连铸时，(Fe,Mn)O-S在晶界析出，降低了铸坯高温塑性，增加了连铸坯的内裂倾向无取向硅钢热轧后如析出细小的MnS有利于形成磁各向异性的高斯织构，对无取向硅钢磁性不利（2）P冷脆P在奥氏体晶界偏析引起调质钢的高温回火脆性厚板焊接时，P、S在晶界偏析，可引起焊接热裂P在连铸高碳钢时产生宏观偏析,可导致形成马氏体,恶化盘条拉拔性能P在晶界偏析富集,可造成奥氏体不锈钢的非敏化态晶间腐蚀4（3）O生成氧化物夹杂降低钢的塑性、疲劳寿命，夹杂物通常为裂纹起源降低韧性（冲击值）恶化表面质量（特别是冷轧薄板）恶化冷加工性能（冷镦、拉拔、冷弯、深冲）降低硅钢磁性降低钢材横向性能（塑性硅酸盐和点链状Al2O3）造成连铸坯皮下气泡，恶化铸坯表面质量（4）N时效硬化恶化钢的冷加工性能（深冲、拉拔）造成焊接热影响区脆化；AlN析出时降低钢的热塑性在无取向硅钢中，形成的细小AlN阻碍晶粒长大，增加铁损，恶化磁性能(5)H产生白点和氢脆造成钢板的探伤缺陷（6）Cu、SnCu在钢－氧化铁层界面富集,造成热轧裂纹，Cu+Sn影响更大5Cu+Sn显著降低钢的高温塑性(950℃),造成连铸坯表面纵裂Cu、Sn降低IF钢的冷加工性能（r值，塑性应变比）Sn（0.01%）可在晶界析出，造成钢的热脆Sn可造成调质钢的高温回火脆性2.3.2高质量钢对洁净度的要求棒线材性能要求洁净度要求－预应力线材良好的拉拔性能低P、S、O、N，夹杂物20μ,C偏析小－钢帘线拉细丝时不断裂低P、S、O、N、Al、Ti,夹杂物5μ－冷镦钢良好的冷变形能力和塑性表面质量好，夹杂物少低P、S、O、N，－弹簧钢长的抗疲劳寿命低P、S、O、N，夹杂物20μ、可变形－软线大的冷变形量低C、Si,夹杂物少－轴承钢长的抗滚动疲劳寿命超低O（5ppm），变形夹杂物尽可能少－齿轮钢提高接触疲劳抗力,淬透带宽低P、S、O，不变形夹杂物少注：低（P0.01%、S0.005%、O20ppm）6板材性能要求洁净度要求－汽车面板优良的深冲性能表面质量好，超低C、N，低O－油气管线钢抗酸性介质腐蚀,抗氢致裂纹超低S,低P、O、H，夹杂物球化－冷轧硅钢片低的铁耗表面质量好，低C、S、N、O,－深冲罐防止卷边裂纹低C、O，夹杂物20μ－冷轧不锈钢薄板耐腐蚀表面质量好,低C、N、O、P,夹杂物少（晶间腐蚀，点腐蚀）注：超低（S0.001%，P0.005%，N20ppm，C20ppm）2.4高质量钢对连铸坯质量的要求良好的表面质量（无纵裂、横裂、粘渣、结疤、凹坑）良好的内部质量（无皮下气泡、裂纹，缩孔、疏松、中心偏析少）3、洁净钢的冶炼技术3.1洁净钢的冶炼工艺路线（1）现代转炉炼钢工艺路线铁水预处理转炉冶炼炉外精炼（LF、RH、VD）连铸特点：7转炉容量大型化原料纯净（铁水含残余元素很少）铁水经过100％的预处理（脱S等）钢水全部经过炉外精炼大部分转炉钢厂配板坯连铸(高质量冷轧薄板主要由转炉生产)表1.美国的转炉容量转炉容量317t280-200t190-160t86t氧气顶吹纯氧底吹钢厂数(个)11541183表2.美国转炉钢厂炉外精炼及连铸设备精炼和连铸LFCASRHVD板坯大方坯圆坯钢厂数(个)143572031（2）现代电炉炼钢工艺路线超高功率电弧炉炉外精炼（LF、RH、VD，VOD，SKF）连铸特点：电炉容量大型化废钢含残余元素多，对钢质量不利（电炉钢尚不能生产高质量冷轧薄板)，生产高质量钢需配加纯净原料（海绵铁、铁水、生铁）钢水全部经过炉外精炼大部分电炉钢厂配方坯连铸(主要生产长形材棒线钢)，电炉配薄板坯连铸直接轧制生产热轧薄板，或普通冷轧板（3）高质量棒线材的生产技术高质量的棒线材主要用于生产齿轮、轴承、弹簧、阀门、8易切削材、冷镦用材、钢帘线、预应力钢丝和绞线、高强钢缆等。这些产品原分类为特殊钢、合金钢、低合金钢、优质碳素钢等随洁净钢冶炼技术的发展，他们的冶炼工艺相近，可以在同一个钢厂用相同的装备进行大量生产，因此可以通称为高质量棒线材。高质量棒线材的生产技术特点初炼既可以用转炉又可以用电炉初炼钢水全部经过炉外精炼，以保证钢的洁净度日本各钢厂几乎全部采用大方坯（300×400）连铸，经开坯二火成材，以大的压缩比保证内部质量。欧美有些钢厂采用小方坯连铸，一火成材，降低成本和能耗，但质量尚不如日本。为保证连铸坯内部质量（减少中心偏析、缩孔、疏松等），采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、轻压缩或轻压下技术连铸坯和初轧坯采用超声波内部探伤，电磁和磁粉表面探伤，在线精整和修磨，以确保坯料无缺陷。采用无扭全连续轧制技术，配合穿水控冷技术和在线风冷或热处理3.2转炉流程冶炼洁净钢的技术3.2.1铁水预处理93.2.1.1两种路线（1）日本铁水三脱预处理铁水脱Si铁水脱P铁水脱SSi0.4%0.1-0.15%P0.08%0.01-0.02%S0.05%0.005%优点：实现转炉少渣冶炼（渣量30kg/t）铁水脱P，有利于冶炼高碳钢、高锰钢、低P钢、特殊钢（如轴承钢）、不锈钢提高脱碳速度，可进行高速冶炼（日本NKK出钢-出钢时间25min）吹炼终点Mn高，可用锰矿直接合金化（出钢Mn可达1％）缺点:转炉中铁水发热元素少，废钢加入量少，增加成本（2）欧洲、美国的铁水预处理100％铁水脱S，[S]从0.05%脱到0.005－0.001%欧洲曾做过铁水脱Si、脱P的工业试验，但至今未采用，原因：铁水脱P需较高的投资和处理费用仅有少数钢种（5％）要求极低P含量复吹转炉吹炼也可达到低P含量（0.005%）希望在转炉中加入较多废钢3.2.1.2铁水脱Si10（1）铁水脱硅方法高炉出铁沟脱硅（新日铁君津厂）高炉出铁沟摆槽上方喷射脱硅剂脱硅（宝钢、日本神户制钢）鱼雷罐车中喷射脱硅（新日铁室兰厂）铁水包中加入脱硅剂和吹氧脱硅（日本NKK）（2）铁水脱硅剂烧结矿、轧钢铁皮、铁矿、锰矿、烧结粉尘3.2.1.3铁水脱P（1）铁水脱P方法鱼雷罐车中喷射脱P剂和吹氧脱P（新日铁君津、神户制钢）铁水包中喷射脱P剂和吹氧脱P（新日铁大分厂、NKK福山厂）在转炉中进行铁水脱P（新日铁名古屋厂）2009年新日铁不同方法进行铁水预脱磷的比例：（1）转炉双渣法（MURC：MultiRefiningConverter）55%；（2）转炉双联法（LD-ORP：LD-ConverterOptimizingRefiningProcess）30%;（3）无铁水预脱磷15%11（2）铁水脱P剂CaO+CaF2+烧结矿（或轧钢铁皮）（3）铁水同时脱P脱S先用CaO基脱P剂脱P后，再喷吹苏打近一步脱P脱S3.2.1.4铁水脱S（1）铁水脱S方法铁水包中喷吹脱S（欧美多采用）鱼雷罐车中喷吹脱S（日本多采用）铁水包中搅拌脱S（KR法，武钢、宝钢不锈钢分公司）（2）铁水脱S剂CaC2＋Mg（4.3:1），脱S剂耗量2.95kg/tCaO＋Mg（4.0:1），脱S剂耗量3.20kg/t单喷Mg（乌克兰技术），Mg耗量0.3kg/t3.2.2转炉提高洁净度的炼钢技术（1）转炉用钢铁料12日本用三脱铁水在转炉中进行少渣吹炼德国降低铁水Si(0.70.25%)、Mn(0.70.25%)、P(0.20.07%)，转炉渣不再返回烧结，目的是在不采用铁水脱P的条件下，在转炉中冶炼低P（0.005%）钢水（2）复吹工艺脱P得到明显改善在较低渣FeO时，终点C低（0.03%）,有利于炼低碳钢钢水脱N效果好（吹炼时脱[N]20－40ppm）（3）挡渣出钢出钢下渣对钢的洁净度影响很大挡渣球、挡渣锥、气动挡渣器（与电磁下渣检测相配合）（4）炉渣改质转炉出钢不能完全避免下渣（电炉偏心底出钢可以避免）13转炉出钢或向钢包顶渣中加炉渣改质剂，还原FeO并调整顶渣成分（5）防止增N三脱铁水无渣吹炼，高速脱C，防止从大气吸N（终点[N]10ppm）吹炼后期加铁矿石或轧钢铁皮使炉渣发泡，防止增N（6）脱氧出钢加Al可增N出钢预脱氧，真空下C脱氧，再加AlLF炉扩散脱氧，软搅拌排除夹杂物3.2.3炉外精炼炉外精炼对冶炼洁净钢有非常重要的作用，是必须具备的工序（1）LF精炼钢包顶渣中FeO在常规吹Ar搅拌过程中对钢液产生再氧化反应，生成新的夹杂物LF精炼造还原渣，可扩散脱氧，脱S，防止渣中FeO和MnO对钢液再氧化LF炉调整和精确控制钢水成分、温度，排除夹杂物并可进行夹杂物形态控制（2）真空处理冶炼超低C钢14脱氧，脱H、N，排除脱氧产物4、洁净钢的连铸技术4.1中间包冶金大容量中间包,一般为一炉钢水量的1/4，有利于夹杂物上浮，均匀温度大的钢液深度，800mm，有利于夹杂物上浮，防止旋涡卷渣挡墙、坝，改变钢水流动路径，增加平均停留时间，促使夹杂物上浮碱性中间包内衬（MgO质涂层，MgO-CaO质涂层），减少包衬被侵蚀后卷入钢液，并能吸附夹杂物中间包复盖剂，保温、避免与空气接触，吸附夹杂物（碱性复盖剂较好，但易结壳，可采用双层复盖剂）保护浇铸和无氧化浇铸，中间包加盖，钢包与中间包用长水口、中包与结晶器用浸入水口（同时用Ar密封）高的滑动水口自开率（95%）开浇、换包、浇完时防止卷渣（保持高液面，H型中间包，下渣检测）防止水口堵塞（喂Ca-Si线，防二次氧