铝系高硫汽车传动轴钢开发应用.docx
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铝系高硫汽车传动轴钢开发应用
摘要:
石钢公司是立足于中、小转炉生产的特钢企业,开发生产高品质、高附加值、低成本的特种钢是我们的优势。
早在2008年10月,石钢公司开始试生产汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141(标准成份要求:
Als≥0.015%,S=0.080~0.130%)。
由于反应机理存在较大冲突,造成了钢水中高熔点的Al2O3、MgO·Al2O3和CaS复合的大型夹杂物带来的宏观纯净度问题存在,极易导致连铸水口堵塞、结瘤,降低了钢水可浇性,阻碍连铸工艺的顺行,最终导致成本较高(铸坯收得率70%-80%,连拉炉数2-3炉),内在质量较差,目前是制约石钢公司产品升级、品种结构调整的瓶颈。
为了保证SAE1141铸坯质量,提高铸坯纯净度和收得率,经过现场跟踪、数据积累和制定方案,成功开发出控制高硫、高铝钢SAE1141钢水中Al2O3夹杂和CaS夹杂物的关键技术。
通过对提升SAE1141钢水纯净度关键技术的应用,铸坯收得率由70%-80%提到90%以上,连拉炉数由2-3炉提高到8炉,为公司创造效益近709.85万元。
为石钢公司生产经营创造了较大的经济和社会效益。
关键词易切削;SAE1141;可浇性
第1章绪论
1.1SAE1141钢生产现状
1.1.1石钢公司涨断连杆钢生产面临的问题
SAE1141钢中铝含量较高、氧活度低,脱氧过程主要生成Al2O3类夹杂,强化脱氧产物Al2O3的吸收应采用高CaO/Al2O3的精炼渣,为了抑制[Al]与(SiO2)反应生成Al2O3应采用高碱度精炼渣;但另一方面SAE1141钢中硫含量较高,相反为防止[S]与(CaO)反应生成CaS应采用低碱度渣或低硫容量精炼渣,存在热力学矛盾,由于在理论上和实际工艺中均存在较大的解决难度,使连铸的连续生产难于稳定进行。
低氧保硫保铝易切非调质钢SAE1141的生产在国内外许多钢厂还是一项技术难题,国外多数采用模铸工艺,国内某知名特钢企业此钢种的连续浇注时间也控制在3小时之内。
这一难题国内外均未得到妥善解决。
1.1.2生产目标与策略
针对以上难点,通过优化生产组织、调整脱氧、造渣工艺以及耐材选用等技术措施,汽车用易切削钢SAE1141钢水纯净度得到明显改善,钢水连浇能力、铸坯收得率、铸坯质量控制等方面达到了国内领先水平。
打通高铝高硫钢的精炼、连铸工艺,形成批量生产,极大地提高了企业经济效益和竞争力,也对国内相关行业具有典型的示范作用。
1.3本章小结
本章主要分析了汽车用易切削钢SAE1141钢在钢铁企业中生产的当前现状,该钢种的生产特性,指出了当前生产所面临的种种问题,最后对本课题的目标以及本文主要内容进行了介绍。
第2章SAE1141钢水纯净度关键技术研究与应用
2.1技术要求
2.1.1化学成分要求
C:
0.37~0.45%、Si:
0.15~0.35%、Mn:
1.35~1.65%、Cr:
0.00~0.20%、Mo:
0.00~0.06%、Ni:
0.00~0.25%、Alsol:
0.015~0.050%、P:
0.000~0.040%、S:
0.080~0.130%,余量为Fe和不可避免的杂质。
各化学成分在钢中的作用机理为:
C:
提高钢材硬度和强度的主要元素,C含量过低,材料在热处理后强度过低,无法满足风电用钢所需强度要求;C含量过高容易降低材料塑、韧性。
Si:
显著强化铁素体,是保证强度的必须元素,过低强度不够;过高引起铁素体基体变脆,韧性下降。
Mn:
为珠光体形成元素,可降低相变温度,对强度和韧性均有良好作用;但Mn含量过高则容易生成贝氏体,降低材料组织及硬度均匀性。
Cr:
降低珠光体转变温度的合金元素,本发明中Cr、Mn同时加入,可有效降低珠光体片层间距,提高钢材强度和韧性;但Cr含量过高则容易生成贝氏体,降低钢材组织及硬度均匀性。
Al:
与N结合细化晶粒,利于提高强韧性;但Al含量过高容易引起连铸时流动性变差,连铸坯容易产生裂纹,增大钢的冶炼难度。
S:
元素控制过高会降低钢的洁净度,恶化钢的性能。
P:
增加钢的脆性,降低冲击性能。
2.2钢中Al2O3夹杂去除技术研究
Al2O3夹杂物是钢中较为常见的夹杂物,它的存在阻断了钢材在物理上的连续性,对钢的强度、塑性、断裂韧性、热脆以及耐蚀等性能产生很大影响,成为影响钢材质量的重要因素。
针对Al2O3夹杂去除难题,通过深入现场调查、数据分析,借鉴国内外易切削钢冶炼的先进经验并依据我们自身的实际情况,提出了控制转炉出钢下渣,采用新材料优化转炉出钢脱氧方式,精炼渣系优化,返炼工艺,VD炉微量钙化处理,连铸机水口耐材优化等一系列技术措施。
2.2.1控制要点、难点
转炉冶炼到终点,渣子高氧化铁(FeO=15~20%)、(SiO2=10~18%)、(MnO=3~4%)的渣子。
出钢过程卷渣或出钢后期下渣,渣子流入到钢包增加钢中氧活度,高FeO、(SiO2)、(MnO)与钢水中铝发生化学反应,使铸坯中夹杂物增加,下渣越多,铸坯夹杂物就越严重,降低了炉外精炼的冶金效果。
转炉出钢下渣渣中主要成分是(FeO)、(SiO2)、(MnO)依据反应式:
3(FeO)+2[Al]=[Al2O3]+3[Fe]
3(SiO2)+4[Al]=2[Al2O3]+3[Si]
3(MnO)+2[Al]=[Al2O3]+3[Mn]
得出转炉出钢合理控制下渣量可以降低钢中Al2O3生成量,提高钢水纯净度。
因此对转炉下渣量的控制要求更加严格。
炼钢技术人员制定炉前控制下渣技术措施:
▲出钢卷渣控制;
转炉出钢前期渣量是不可忽视的,可占转炉出钢下渣量的30%,石钢转炉出钢前期渣挡渣,采用出钢前在出钢口堵出钢口料,在前期渣经过出钢口时临时完全封闭出钢口,杜绝炉前期下渣,同时在出钢过程控制炉体倾动角度来控制出钢过程卷渣。
▲特制比重挡渣锥准确挡渣;
▲采取留钢操作控制下渣量。
改进后效果明显,如下图(图1):
图1
其次,采用新型脱氧剂优化转炉出钢脱氧方式
工艺改进前转炉出钢使用铝脱氧:
2[Al]+3[O]=Al2O3(s)
产生的Al2O3夹杂通过高碱度精炼渣去除,但对于钢种SAE1141来说,不利于其控制CaS夹杂物,依据:
钙反应:
[Ca]+[O]=(CaO)
钡反应:
[Ba]+[O]=(BaO)
选用新型脱氧剂脱氧替代钢芯铝脱氧,减少Al2O3夹杂生成,通过此项技术改进后,LF前期平均氧含量由0.0018%降至0.00136%,如下图所示(图2)。
图2
2.2.2精炼渣系优化工艺研究
为保证钢水纯净度应严格控制精炼渣组成,抑制高熔点夹杂生成。
理论上应将精炼终渣控制为Al2O3和CaS两抑制区相交区域,但通过热力学计算可知,在硫和铝较高时,相交区域很小,如下图(图3)所示。
图3
结合石钢生产实际情况,以及低氧CaS易切削钢渣系要求,依据出钢渣剂加入与精炼造渣工艺最终确定了精炼终渣控制目标,如下表(表1)所示。
成分
CaO
SiO2
Al2O3
熔点范围
含量
44~49
14~19
27~30
<1450℃
表1
针对上表所述精炼终渣成分,对转炉出钢渣剂与精炼造渣工艺进行了改进,实现精炼前期高碱度,降低钢水中游离氧含量,减少Al2O3夹杂,精炼后期低碱度,降低CaS夹杂物的生成。
如下表(表2)所示,工艺改进前后精炼渣对比。
FeO
SiO2
CaO
Al2O3
旧工艺
精炼终渣
≤1.0
20~22
49~52
18~21
改进后工艺
≤0.6
14~17
46~49
27~30
表2
2.2.3采用返炼生产工艺
精炼过程中,钢水温度与氧含量成正比。
按照正常生产工艺安排生产时,钢种SAE1141开机第一包精炼终点温度通常控制在1690℃左右,比正常炉次1650℃要高出40℃,开机第一包与其他炉次LF终点全氧含量对比如图(图4)所示:
图4
针对钢种SAE1141开机快换第一包氧含量高的问题,经过详细数据统计与生产过程分析,提出连铸第一包返炼生产工艺:
LD-LF-VD-LF
2.2.4VD炉微量钙化处理技术
钢液钙化处理是广泛使用的一种炉外精炼手段,钙处理的主要目的之一是为生成液态铝酸钙,以避免连铸时发生水口堵塞,但由于SAE1141钢种的高硫特性,若钙线喂入过多,钙与硫又极易生产CaS固态化合物污染钢水纯净度,反应式如下所示。
2[Al]+3[S]+3[CaO]=3(CaS)+(Al2O3)
为了解决这一难题,通过热力学计算分析了在Fe-Al-Ca-O-S系中的各种平衡曲线,结合现场实际生产,得出了产生液态铝酸钙以及避免产生固态铝酸钙、CaS理论上应满足的条件。
此项技术应用,提高了SAE1141钢水纯净度,有效的避免了连铸过程中水口结瘤堵塞情况,保证了生产铸坯质量。
2.2.5连铸机耐材优化
SAE1141在冶炼连铸过程中,由于钢水中存在较高的铝、硫及微量CaS和CaO-Al2O3等夹杂物,在浇铸过程易在水口处反应沉积,造成钢包下水口、中间包水口结瘤而使水口堵塞,影响连铸生产的正常进行。
为了避免水口堵塞,通过对中间包水口粘结物成分进行了系统分析与研究,通过改善水口耐材品质,采用无硅的内衬材质,提高材质的致密性和抗氧化性,降低铝系夹杂及符合夹杂物聚集,大大改善了连铸过程中水口堵塞问题(改善前后各项理化指标对比)。
如表3所示:
项目
基准品
改善品
化学成分(%)
FC.+SiC
25
28
Al2O3
—
60
ZrO2
48
3
SiO2
5
—
CaO
19
—
B4C
0.5
1
物理性能
体积密度(g/cm3)
2.72
2.56
显气孔率(%)
17
15.5
抗折强度(MPa)
5.0
6.5
表3
2.3钢中CaS夹杂去除工艺研究
由于SAE1141钢种的高硫特性,CaS夹杂物势必会对钢水纯净度产生较大影响,硫元素沸点低且及其易氧化,造成硫的回收率低且钢中硫含量波动较大,并且喂线时硫极易与钢包顶渣发生反应生成大量CaS夹杂,容易导致连铸时水口结瘤和堵塞。
为了减少高硫对钢水纯净度造成的影响,通过梳理了冶炼过程中的一道道工序以及借鉴了其他高硫钢冶炼工艺,最终采用精炼氧化物冶金技术,VD炉合金化控制技术,保硫钢保护渣技术,低碱度钢包、中包覆盖剂的优化与应用以及连铸控制大包下渣技术实现了对SAE1141钢中CaS夹杂物的控制。
2.3.1精炼炉脱氧技术优化与应用
工艺改进前,精炼工序主要通过加入石英砂或碳化硅造渣(碳化硅主要作用是还原转炉渣和改善精炼渣发泡性能),并根据实际情况加入一定的石灰和铝线调整渣成分和钢成分来控制钢水纯净度。
通过对实际生产过程中的精炼前、中、后期渣样成分进行分析,针对SAE1141钢种特性,对该钢种精炼炉脱氧方式进行了优化。
精炼前期使用碳化硅、碳粉进行强化扩散脱氧变渣操作,促进前期游离氧脱除,控制Al2O3夹杂,精炼后期加入改制剂降低精炼渣碱度,精炼后期低碱度渣造成氧活度增加,采用氧化物冶金技术来控制夹杂物形态。
2.3.2VD炉合金化控制技术
VD炉功能为通过对钢水进行真空冶炼,对钢水进行了去气、脱氧、脱硫、去除夹杂以及促进温度和成分均匀化处理,提高钢水纯净度,保证铸坯质量。
为了更有效的在VD工序控制钢水中的夹杂物,对正常炉次的VD炉冶炼合金化方式进行了优化,依据铝、钙、硫与钢水的反应机理制定丝线喂入顺序,减少喂线过程对钢水造成的污染。
2.3.3保硫钢保护渣的技术应用
保护渣在结晶器中起着防止钢水二次氧化,绝热保温,吸收夹杂,均匀传热,润滑铸坯等作用,是保护连铸过程钢水纯净度的关键性材料,对此我们不断改进SAE141钢种所使用保护渣的理化指标,通过多次试验,最终通过提高保护渣碱度与粘度等措施保证了该钢种连铸过程中的钢水纯净度。
2.3.4钢包、中包覆盖剂进一步优化
由于SAE1141钢种的特性(保硫、保铝),选用钢包、中包覆盖剂不当,易二次产生CaS、Al2O3高熔点及杂,污染钢水纯净度。
为了避免此问题发生,我们对SAE1141钢种使用的钢包、中包覆盖剂进行进一步优化,有效的避免钢水在钢包、中包中的二次氧化,减少了CaS夹杂的生成。
2.3.5控制大包下渣技术优化
在连铸过程中,当钢包中含氧化铁,氧化锰和氧化硅的炉渣流人中间包以后,会造成钢水中铝和钛等易氧化合金元素的烧损,并产生氧化铝夹杂物,影响钢水的纯净度。
为了避免钢包中的炉渣进入中间包,我们针对SAE1141对钢水纯净度的高要求,采用了自动下渣控制技术与留钢操作双管齐下控制大包下渣。
通过此项技术改进,保证了连铸过程中的钢水纯净度,提高了铸坯收得率。
通过以上各项技术优化,显著提高了SAE1141的钢水纯净度,稳定了现场生产过程,减少了该钢生产过程中的由于流动性差造成的停机、甩坯生产事故,提高了铸坯质量,极大改善了钢材的使用性能,降低了该钢吨钢成本。
2.4检验要求
2.4.1.脱碳层
按GB/T224检验钢材脱碳层,不完全脱碳层深度≤1%的公称直径,不允许有完全脱碳层。
2.4.2显微组织
钢材应检验魏氏体组织和带状组织,不得有魏氏体出现,带状组织≤3.0级。
2.4.3无损检测具体事宜以订单合同为准。
2.4.4表面质量
圆钢表面不得有任何横向裂纹以及不得有目视的结疤、折叠、夹杂物等。
2.5本章小结
本章分别对汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141的生产难题和控制要点进行了研究。
从钢内化学元素含量以及各类组织分别对项目研究进行了深入的探索。
第3章SAE1141钢水纯净度控制研究
3.1生产流程开发
3.1.1流程确定
近年来,石钢本着高性能、长寿命、低成本、易加工。
这一技术、成本的发展方向大力进行新品开发和技术攻关,已经成功开发出适合不同不同工作环境系列差异化技术要求钢种。
汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141钢的生产流程:
石钢公司转炉/电炉冶炼→石钢公司电炉或转炉车间LF炉精炼→石钢公司VD真空处理→石钢公司0#、2#、3#或电炉大方坯连铸机连铸→石钢公司连铸坯缓冷→石钢公司轧钢厂轧制→钢材缓冷→钢材精整→入库。
目前生产低氧保硫易切非调质钢采用:
BOF→LF→VD→CC基本工艺流程。
出钢过程先增碳,后用合金料弱脱氧,最后添加钢芯铝终脱氧,并同时加入预熔料和石灰造渣吸收脱氧产物,炉后喂入Al线调整[Al]。
LF阶段加入碳化硅和石英砂及萤石造渣(碳化硅主要作用是还原转炉渣和改善精炼渣发泡性能),并根据实际情况加入一定的石灰和铝线调整渣成分和钢成分。
在精炼过程中钢渣接触充分,在合金脱氧制度固定后,钢中的夹杂物主要由精炼渣控制,所以冶炼时应造低熔点且能避免钢-渣生成高熔点相的精炼渣,以利于连铸的顺行和钢材性能的提高。
3.2具体流程说明
3.2.1转炉炼钢工艺
转炉炼钢标准操作,优化取样工具,取样制度标准化,各工序规范取样,降低分析偏差。
增加了炉前测温取样位置标准化操作。
终点预测模型又分终点脱磷模型和脱碳模型投入使用。
出钢过程合金化模式是转炉炼钢最通常的合金化方式,为保证加入的合金料能够完全熔化,在加料速度和加料时间上加以控制,加料时应小批量多批次的加入钢包。
根据钢种特性,转炉出钢采用多种形式的脱氧方式,同时为提高精炼效果,采取炉后出钢过程的渣系控制技术,满足精炼钢水特性需求。
为了满足出钢过程脱氧合金化及顶渣渣系控制需求,在出钢过程全程采用钢包底吹氩技术,来达到预期效果。
3.2.2二次精炼工艺
(1)底吹工艺
底吹透气性是精炼功能能否有效发挥的基本保证,保证底吹透气性100%受控。
底吹透气性受控使得钢水成份及温度的均匀性得到保证。
(2)低氧高铝系预熔精炼渣成分控制技术,具有较好的流动性;促进冶金反应的进行和钢中夹杂物的吸附。
高碱度,良好的还原性白渣精炼;具有良好的脱氧、脱硫能力。
同时增大了钢渣反应界面,促进冶金反应进行,也减少了钢液的吸气。
3.2.3连铸及保护浇铸工艺
(1)大包保护浇注技术
碟式大包回转台代替直臂回转台实现套大包套管开浇。
(3)带状组织控制
可以通过合理的热处理工艺减轻或者消除,而一次带状组织则很难通过常用热处理消除。
因含有Cr、Ni、Mn、Si等多种合金元素,电磁搅拌技术与拉速、冷却水匹配,控制铸坯成分偏析,将带状控制在≤3级。
(4)内部与表面质量
①严格控制炼钢操作过程,控制抢位使熔池沸腾良好,利于除氢。
确保入炉原辅材料干燥,使用少锈优质的废钢,保证浇注系统耐材干燥。
加强入炉原材料特别是合金料的烘烤,在转炉快节奏生产条件下将常规合金和含H较低的合金放入烘烤料仓进行烘烤,将Ni料采用加入钢包随包烘烤,有效降低了合金料带入钢中的H量。
②炼钢过程含Ni钢种全部进行真空脱氢处理,VD保证足够的真空时间,保证钢水脱H效果。
将67Pa以下真空时间由普通钢种6-12分钟提高到8-15分钟,减少氢在钢中的含量确保H≤0.0002%。
③同时在连铸工序采用“大包长水口+吹Ar”密封、中包整体水口浇钢的方式,有效解决了连铸过程的增H问题。
通过采用连铸坯入保温坑缓冷,确保缓冷入坑及出坑温度等合理冷却工艺。
在轧后采用合理的除氢冷却工艺,决不允许轧后直接空冷到室温。
Ni含量在1%以上时的退火交货钢材,下线要高温收集进缓冷坑;缓冷出坑后有退火要求的,要及时退火处理,尽量安排在下线一周内(最好三天内)进行退火。
当缓冷坑位不足时,要立即进退火炉退火。
3.3本章小结
本章主要介绍了汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141钢的生产流程设计过程,分为流程设计、过程控制设计两个部分。
结论
汽车用易切削钢SAE1141钢水纯净度的提高稳定了现场生产过程,减少了该钢生产过程中的由于流动性差造成的停机、甩坯生产事故,提高了铸坯质量,极大改善了钢材的使用性能,降低了该钢吨钢成本。
汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141钢的开发和生产具有极高的经济和社会效益,彰显了石钢的科技水平,目前石钢汽车用易切削高硫、高铝钢SAE1141钢产品已批量供给行业知名企业,成为其稳定供货商建立了战略合作关系或产品打入其供应链。
树立了良好的特钢品牌形象。
同时践行了节能降耗,清洁生产,生态友好型冶炼的发展模式及理念。
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