特殊钢棒材的生产工艺技术探讨

特殊钢棒材生产工艺技术探讨河北钢铁集团石家庄钢铁有限责任公司2014.10主要内容1、石钢简介2、特殊钢棒材主要应用领域及产品特点、发展趋势3、石钢优转特过程遇到的工艺技术瓶颈问题4、关键工艺技术5、效果及体会一、石钢简介□石钢1957年建厂，职工4300人，资产总额72亿元。石钢从1995年开始产品结构调整，由普钢转为特钢企业，主导产品包括：碳素结构钢、合金结构钢、齿轮钢、轴承钢、弹簧钢、易切削非调质钢等，共13个系列700个牌号，产能260万吨（棒材φ12-180），是国内昀主要的特殊钢专业棒材生产企业之一，河北省唯一的特钢企业。□工艺流程：长流程——烧结、炼铁、60吨转炉炼钢、棒材连轧短流程——60吨电炉炼钢、棒材连轧返回二、特殊钢棒材主要应用领域及产品特点、发展趋势特殊钢主要应用领域□民用：包括汽车、机械、铁路、能源、矿山、船舶、环保等行业。□军工：航空、航天、舰船、兵器、核工业等行业特殊钢产品特点满足不同服役条件下钢材的特殊性能要求，和普通钢相比特殊钢往往要求钢材具有更高的洁净度、组织成分的均匀性以及优良的表面质量和尺寸精度。高洁净度高均质化高精度与表面质量降低钢中杂质元素总量严格控制钢中夹杂物•降低夹杂物总量;•减小夹杂物尺寸;•改变夹杂物形态、分布严格控制连铸偏析精确控制轧材组织;细化晶粒严格控制钢中大型夹杂物,减少铸坯表面裂纹,提高尺寸精度特殊钢棒材的质量发展趋势返回□高品质特钢“零缺陷”质量要求与普钢粗放式的质量管控体系不相适应□原有的原辅材料要求与特钢生产不相适应（理化指标、残余元素、放射性等）□转炉快节奏生产与特钢高纯净度、窄成份（窄淬透性）要求不相适应□特殊钢高均质化要求与连铸坯偏析、轧制工艺不匹配□合金含量增加，规格增大，内裂（白点）问题突出□真空处理、坯材缓冷、合金烘烤能力不足问题□特殊钢材高的轧制精度对轧机精度、尺寸控制要求提高□特殊钢表面质量要求高，坯、材表面质量控制问题突出□特钢后步处理要求高：倒角、探伤、修磨、银亮、退火等□特钢质量意识、质量管理要求提高三、石钢优转特过程遇到的工艺技术瓶颈问题返回四、关键工艺技术1、转炉冶炼工序铁水废钢钢水合金料烤窑合金料出钢氩气搅拌顶底复吹转炉精确挡渣转炉冶炼工序示意图关键工艺技术问题□原辅料理化指标、放射性检测问题□原辅料中含有的B、Ni等元素对淬透性影响问题□铁前吃低价料降成本，带来铁水中P、Ti等元素含量高，冶炼难度增加问题□合金含量增加，合金烘烤问题突出□纯净度要求提高，出钢下渣污染钢水问题严把入炉原料关：□需严格控制铁水中的残余元素Cr、Ni、Cu、Sn、As等含量，保证钢材使用性能和质量的稳定性，轴承钢还需控铁水Ti含量。□高品质特殊钢铁水的P、S必须严格控制在一定范围□入厂废钢及其它原辅料理化指标及放射性检测□合金烘烤:入炉合金料须经进行烘烤，控制钢中H及O含量□监控合金等原辅料中对钢材性能有影响的元素含量四、关键工艺技术□炉子大小：大炉子比小炉子生产过程的稳定性好，对特殊钢的窄成份控制、窄淬透性控制、纯净钢的生产更稳定；但特钢品种多、批量小，小炉子对市场的适应性更强，企业应根据自身情况和市场状况进行选择□转炉冶炼工艺顶底复吹转炉采用底吹气搅拌，配合顶吹氧枪搅拌，提高冶炼过程反应动力学条件，吹炼终点C、P、S等元素的均匀性要优于顶吹转炉□挡渣出钢：挡渣锥、挡渣球、滑板挡渣等出钢几种方式中，滑板挡渣的效果相对要好□炉后扒渣设施：扒掉钢包顶渣，重新造渣，对低Ti、低氧、低P等高洁净钢的生产更有优势2、LF炉精炼工序钢水氮气搅拌氩气搅拌窄成分控制特殊精炼渣料合金料称量微正压炉盖LF精炼示意图优转特LF精炼关键技术问题□高均质化要求对窄成份、窄淬透性控制要求提高□钢中夹杂物的有效去除问题□S、N等特殊元素控制问题□含硫钢低氧含量与高硫含量的冶金矛盾问题□与钢水接触的所有原辅料理化等指标与特钢相适应要求□脱氧：采用铝脱氧更为广泛□造渣：采用多种特殊渣料，针对不同钢种特性，造不同碱度渣系，基本上以高碱度渣系为主，同时注意保证冶炼过程炉渣性能的稳定性，促进钢水的窄成分控制及洁净度提高□吹氩搅拌技术：针对精炼升温过程、加合金调成分、软吹氩去夹杂等不同过程的冶金任务，需建立不同流量供氩制度，确保钢水搅拌均匀和夹杂物的有效去除2、LF炉精炼工序窄成分控制□要求准确计量：原辅料、合金料、钢水量□脱氧效果要好：高碱度渣系、白渣时间控制、在脱氧良好的情况下微调合金□保证足够的软吹氩时间：尽量在精炼前、中期调好成分，精炼末期不再加入合金，保证足够的软吹时间，促进化学成分和温度的均匀性□增S、增N工艺：喂丝技术的应用□取样的代表性：为窄成份控制提供保证□在线建立快速分析及数据共享系统钢水氩气搅拌全程监控控制溢渣过称合金料计算丝线喂入量真空脱气定氢仪定H喂线镇静处理3、真空脱气处理工序合金含量高、规格大的特殊钢须经真空脱H处理，防止棒材出现白点、内裂等缺陷，常采用RH、VD等脱气手段。须具有足够的真空处理能力和达到相应的处理效果Heraeus定氢仪真空脱气□在真空处理方式上VD炉真空脱气相比下投资成本低，但处理时间长、处理过程钢渣混合，夹杂物不能充分上浮，影响纯净度；RH投资高、但处理时间短、效率高，且真空精炼过程钢水与渣子不混合，比VD炉更利于提高钢水纯净度。□一般特殊钢采用VD炉就够用了，高纯净的钢建议采用RH炉□钙处理：对夹杂物进行变性处理、改善连铸可浇性，但在高纯净度钢生产过程中，精炼效果和钢水可浇性有保证前提下，部分高纯净钢不能进行钙处理（二次氧化）□喂线工艺:某些须加S、Al、N等元素的特殊钢，在真空处理后须调成份，为准确控制成份需经喂线处理，适用于低氧高S、高Al、含N等系列钢的生产。□软吹氩技术控制流量，保持足够长软吹氩时间，促进钢中夹杂物碰撞、上浮、吸附。4、连铸工序铸坯钢水结晶器中间包氩气隔绝空气长水口保护大包下渣检测氩气排空吸渣剂、覆盖剂保护结晶器液位自动控制浸入式水口电磁搅拌动态二冷配水自动助燃切割缓冷坑末端电磁搅拌连续测温连铸生产常遇到的工艺技术问题□连铸坯均质性控制问题□纯净度控制：钢包下渣、中间包下渣污染钢水问题□保护浇注效果不好□连铸坯表面质量控制难题□连铸坯解决内裂（白点）问题洁净度控制□在精炼效果良好前提下，一般钢种采用大包下渣检测设备即可满足夹杂物要求，对夹杂物零缺陷要求的高纯净度钢必须增加其它手段，如大包剩钢操作□非稳态坯、正常坯的分开管理（头坯、尾坯、正常坯的分类管理）□全程保护浇注技术（密封+吹氩）□水口选型：中间包整体水口保护效果好于分体式水口大包下渣检测示意图□结晶器液位自动控制系统，减少液面波动，液面波动大的坯子需隔离□中间包冶金技术：水模试验和数值模拟，优化中包流场，减少死区□建立不同钢种的保护渣体系□保持适当的钢水静置时间，促进钢中夹杂物上浮□采用高端耐火材料□适当的过热度控制（建议应用中间包加热技术）□连铸浇钢恒拉速操作（优于拉速随过热度变的拉速控制）□采用结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌，优化参数减轻偏析□大方坯轻压下技术□二冷气水雾化□采用结晶器液位自动控制系统，保证稳态浇注，减少液面波动带来的卷渣□轧钢：采用蓄热式加热炉，优化连铸坯加热使偏析元素充分扩散（加热温度、加热时间）均质性控制□中间包钢水加热技术：感应加热技术、等离子加热技术（新日铁），感应加热装置应用较为普遍，利于提高铸坯组织的均质性□轻压下技术：大方坯可有效改善凝固末端组织，小方坯应用不好将坯子压扁□内部裂纹控制：考虑合适的二次冷却方式、连铸坯缓冷等□表面质量控制方面：连铸坯考虑合适的二次冷却速度、合适的保护渣体系、合适的过热度、拉速控制等，连铸坯、钢材的修磨等5、轧制工艺技术□加热制度：采用蓄热式加热炉，轴承钢加热时间长与弹簧钢表面脱碳问题矛盾，轴承钢可考虑两个加热炉□尺寸精度控制问题（孔型设计、轧机及轧辊选择、活套控制、KOCKS轧机、减定径机组、设备管理等）□表面质量控制问题（折叠、耳子、棒材表面麻点、划伤等，滚动代替滑动、检查）□内裂（白点）：钢材缓冷，缓冷坑、缓冷房□CrMo钢等硬度要求钢种冷床快进控制问□特殊钢种温升速率控制问题□高表面质量要求钢材：采用钢坯火焰清理+KOKS轧机高精度轧制□控轧控冷技术：棒材适用于小规格□特殊钢对表面质量、内部质量要求严格，钢材倒角、探伤、修磨、银亮、涂油等工序多，注意生产能力的匹配和质量的管控。□交货状态：热轧材、退火材、正火材、调质材、银亮材等，需配备相关装备□特钢质量管理：防止“混钢”质量管理、异常情况管理、零缺陷产品生产工艺技术管理等6、后步处理及其它返回五、效果及体会□窄成分控制效果(16MnCr5)轿车齿轮用钢16MnCr5成品C、Mn、Cr窄成分控制效果：C控制范围达到±0.01%，Mn和Cr达到±0.02%，2012年比2009的成份分布范围更窄□窄淬透性控制效果图28日本本田对石钢SCM420H端淬评价石钢SCM420H（20CrMoH）齿轮钢的淬透带宽控制在29-32HRC的窄范围内，完全达到了日本本田轿车用钢要求水平。齿轮钢沿直径方向C含量0.150.160.170.180.190.20.210.220.231234（中心）567检测位置含量（wt%）石钢材石钢材日本材日本材石钢材沿直径方向的碳波动范围(0.02%)略低于日本材波动范围(0.03%)齿轮钢20CrMoH碳含量偏析比较□偏析控制效果石钢材日本材石钢20CrMoH材带状组织0~1.5级，平均为1.0级，而日本材带状0~1.0级，带状组织与日本材相当左图为日本本田汽车对石钢SCM420H金相组织和带状组织的评价，带状组织完全满足本田要求□带状组织控制效果1514131211109876403020100T[O]含量（ppm）频率均值10.02标准差2.101N1902007年S48钢T[O]的分布151413121110987652520151050T[O]含量（ppm）频率均值8.233标准差1.778N1032012年S48钢T[O]的分布洁净度控制效果2007年S48钢T[O]分布图2012年S48钢T[O]分布图石钢供丰田汽车（中国）某公司轿车钟型壳用钢S48钢中T[O]含量由2007年平均10×10-6降低到2012年的8×10-6。日本NSK对比分析日本材与石钢材洁净度石钢S48C、SCr420微观洁净度、宏观洁净度均满足日本NSK轿车用钢规范要求，实现向NSK轿车零部件生产厂（大众汽车）稳定供钢。宏观洁净度对比微观洁净度对比□尺寸精度控制效果◎热轧材尺寸公差控制到±0.2mm以内，不圆度控制在0.2mm以内，而国内其它特钢厂尺寸公差一般控制±0.35mm内（GB/T702的2组）◎银亮材直径公差≤IT10，不圆度≤直径公差的50%，表面粗糙度≤3.2μmФ13.2mm圆钢尺寸精度图53Ф13.2mm圆钢不圆度返回□普钢向特钢转型质量意识是前提、管理是根本、设备是保证，人才是关键（包括技术人才、岗位操作人员）□建立“零缺陷”的质量管控体系□要注意工序流程优化、匹配问题□一切以客户为中心开展各项工作，提升市场服务意识□技术营销、生产技术销售一体化是与用户联系的纽带□用户的所有要求都不过分，用户的要求是我们持续进步的动力源泉几点体会：谢谢！欢迎各位专家批评指正！