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转炉生产 50CrVA 弹簧钢的工艺及质量控制

陈 明，张曙光，肖洪文，殷 兵

( 方大特钢科技股份有限公司，江西 南昌 330012)

摘 要: 介绍方大特钢炼钢厂80t 转炉生产 50CrVA 弹簧钢的工艺控制特点，通过对生产铸坯和钢材工艺质量状况进行分析，针对生产实践中的质量问题提出了改进措施。

关 键 词: 转炉; 弹簧钢; 非金属夹杂

1 前言

随着钢水炉外精炼技术的日臻完善，转炉高效化、规模化生产高质量品种钢已成为现实。方大特钢科技股份有限公司炼钢厂完成了由电炉流程到转炉流程生产弹簧钢的转换。目前可生产国内外以及拥有自主知识产权的合金弹簧钢 20 多个牌号，包括Si － Mn 系、Si － Mn － B 系、Cr － Mn 系、Cr － V 系、Cr－ Mn － B 系、Cr － Mn － V － Nb 系等。

Cr － V 系合金弹簧钢是公司弹簧钢的主要产品。该钢具有脱碳倾向小、淬透性较强的特点，广泛用于汽车板簧制造。由于 Cr 比 Fe 更易氧化、V 对O 的亲和力较大，因此在炼钢工艺过程中应严格加以控制。

2 工艺流程

工艺流程见图 1。

3 工艺控制与分析

3． 1 转炉工艺控制与分析

生产合金弹簧钢主要以 3#80 t LBE 转炉为主，着重考虑较高的铁水消耗 890 ～900 kg/t，以转炉准时化出钢、确保入 LF 精炼炉的成分、温度为主线，实现转炉与精炼炉的匹配。

1) 铁水供应。转炉冶炼合金弹簧钢的关键之一是控制 P，S 含量及其他有害元素。由于我厂铁水预处理还未正式投入使用，目前冶炼低 S 钢的办法之一是高炉尽可能提供低 S 铁水，控制铁水 w( S) 不超过 0. 030%或在 LF 炉内精炼脱 S。

2) 采用一次高拉碳法。终点 w( C) 一般控制在0. 15% 以上，高拉碳率达 90% 以上，图 2 为 50 炉50CrVA 终点 C 的质量分数分布图; 降低出钢温度，温度在 1 620 ～ 1 640 ℃ 的终点命中率达 85%。转炉的冶炼时间控制在 35 ～37 min。实行一次高拉碳技术，可避免钢水过氧化，不仅提高成分命中率，而且降低钢铁料消耗和合金等辅料的消耗。

3) 脱磷与回磷。一次高拉碳出钢操作关键是控制脱 P，应在较低的温度下采用“双渣法”脱 P，实际终点 w( P) 控制在 0. 010% ～0. 015%。回磷是由于转炉终点渣进入钢包，经 LF 精炼后产生的。应严格精渣操作，减少回磷及炉渣对钢液的污染。

4) 制定进 LF 精炼炉前的成分与温度制度。要求脱氧、合金化后的成分与温度命中率达 90% 以上，50CrVA 弹簧钢成分见表 1。

5) 增碳与脱氧合金化。出钢后的增碳，以及脱氧合金化的顺序，决定钢的成分命中率和钢中氧含量。Cr 比 Fe 易氧化，遵循“脱氧—合金化—脱氧”的原则，用强脱氧剂先去除钢中部分氧，减少 Cr 的氧化损失。

6) 确保钢包包衬热态运转。LF 精炼炉钢包的运转数量不得超过 4 个; 经煤气烘烤的钢包包内发红、包壳温暖方可投入使用。

3． 2 LF 精炼炉工艺控制与分析

为确保 LF 精炼炉工序的稳定及与转炉工序的匹配，进、出 LF 精炼炉的工作至关重要。

1) 把脱氧、合金化后的钢包底吹氩作为一个工序。依据该钢特点，出钢过程中的合金化应遵循“脱氧—合金化—脱氧”的原则。要求钢包底吹氩时间5 ～ 10 min，有效地均匀进 LF 精炼站的成分与温度，使包内钢渣变灰白为佳，以缩短精炼处理时间。

2) 精炼过程温度、成分的微调。要使 LF 精炼炉实现温度、成分的微调，加快精炼炉的生产节奏，做到与转炉冶炼周期同步且保证连铸的正常生产，必须充分发挥转炉出钢过程中的增碳、脱氧合金化和增碳、脱氧合金化后的钢包底吹氩作用，提高成分、温度命中率。

3) 确保精炼时间、白渣时间。精炼时间控制在35 ～ 40 min，白渣时间大于 20 min。保证成分、温度的均匀及夹杂物充分上浮。

4) V 铁的加入。由于 V 对 O 的亲和力较大，V铁应在白渣下( w( FeO) ≤0. 50%) 加入; 应注意 V铁加入后的吹氩控制及 V 的氮化物高熔点夹杂物。

5) 把出 LF 精炼炉的喂丝、软吹作为一个关键工序。根据钢种的不同，采取不同的喂线工艺。LF炉精炼 50CrVA，采用 Al 脱氧工艺 ( w ( Als) ≥0. 010% ) 及高碱度造渣工艺，精炼完成后用钙线对Al2O3系夹杂物进行变性处理。出站喂丝后再软吹，软吹以不吹开渣面为原则，软吹时间控制在 10～ 15 min，吊包氧的体积分数为( 15 ～ 20) × 10－6。

3． 3 连铸工艺控制与分析

实现低过热度下拉坯不絮流、拉速稳定，切实做到全程保护浇注，钢水不受到二次污染是生产高质量铸坯的基本要求。

1) 全程保护浇注。采取大包软吹完后加覆盖剂、中包首包钢水开浇前灌氩气保护、大包保护套管加密封垫并配合氩气保护、中包投加覆盖剂、中包浸入式水口加密封垫、结晶器保护渣浇注等措施，减少二次氧化，提高钢水的纯净度。

2) 中包首包覆盖剂保护，使用低碳覆盖剂，防止钢液增碳。

3) 中间包保持高液面操作。保持中包钢水液面不低于 700 mm，增加钢水夹杂物上浮时间，防止卷渣。

4) 低过热度作业，恒定拉速。实行钢水的低过热度浇注，保证炉与炉之间的温度稳定，有利于晶核快速形成，扩大中心等轴晶区域，减少中心疏松、偏析和裂纹。过热度控制在15 ～30 ℃之间。合理稳定的拉速，可以保证连铸坯无缩孔和中心疏松级别低，180mm × 180 mm 的拉速在 0. 9 ～ 1. 3 m / min 之间。

5) 正常使用结晶器电磁搅拌，选择最佳参数。电流控制 350 A，频率 3 Hz，提高铸坯等轴晶比率。

6) 采取弱冷工艺，比水量 0. 35 ～ 0. 60 L / kg。通过调整控制结晶器、二次冷却水量及微调拉速，使拉矫区铸坯温度控制在 900 ～1 000 ℃，避免铸坯在高温脆性区出现矫直裂纹。

7) 铸坯入坑或堆垛缓冷 24 小时以上。

4 质量分析

4． 1 铸坯质量

4． 1． 1 铸坯表面质量

经现场检测，牌号 50CrVA 铸坯表面质量较好，绝大部分没有翻皮、裂纹、夹杂、结疤、气孔、划痕、压痕、刮痕、凹槽、凸块、冷溅等缺陷，铸坯外形尺寸达到要求，不经修磨可直接轧制，少量的铸坯存在缺陷需修磨后才能进行轧制。

4． 1． 2 铸坯内在质量

牌号 50CrVA 铸坯的低倍检验结果见表 2。从表 2 可知: 缩孔、中心疏松、裂纹的级别均符合厂控优质钢标准。

4． 2 钢材质量

4． 2． 1 机械性能

牌号 50CrVA 的机械性能见表 3。从表 3 可知:这些牌号的机械性能符合标准。

4． 2． 2 低倍组织

牌号 50CrVA 中心疏松控制在 0. 5 ～ 1. 5 级，无其他低倍组织缺陷，晶粒度 7 级以上。

4． 2． 3 非金属夹杂物

牌号 50CrVA 钢中非金属夹杂物的主要类别为A( 硫化物) ，B( 氧化铝) ，C( 硅酸盐) ，D( 球状氧化物) ，其级别见表 4。

4． 2． 4 气体含量

牌号 50CrVA 钢中 O 和 N 的体积分数分别控制在 20 ×10－6和 60 ×10－6左右。

5 问题、措施及效果

5． 1 成分、温度与组织

1) 问题

在对铸坯低倍检测时发现，牌号 50CrVA 合金弹簧钢其等轴晶比率波动较大为 21% ～53% ( 见表2) 。经对中包过热度、结晶器电磁搅拌及连铸拉速等情况分析: 中包过热度与连铸拉速对铸坯的等轴晶比率构成主要影响。

2) 措施

要获得稳定的等轴晶组织、扩大中心等轴晶区应采取以下措施:

①实行低过热度作业，实现炉与炉之间的温度稳定、拉速稳定。

②适当放慢拉速有利于细化中心等轴晶并扩大其比例。

3) 效果

通过实施以上措施，等轴晶比例波动范围缩小为 35% ～55%。

5． 2 TiN 夹杂物

1) 问题

在对 50CrVA 早期断裂的钢板弹簧断口进行夹杂物分析时发现了 TiN 夹杂物，如图 3。经分析: 钢中 w( Ti) 为 64 × 10－6，φ( N) 为 70 × 10－6。一般认为: 钢中 Ti 很低时，O 起主要作用; 相反，φ( O) 较低，而钢中 Ti 较高，其 TiN 在固液两相区析出，尺寸较大，这时就变成了 Ti 起主要作用，对钢质量有不利的影响［1］，疲劳寿命开始大幅度下降。氮使钢产生时效脆性，并生成氮化物。它使钢的强度和硬度提高，韧性降低，缺口敏感性增加，产生脆性的特征近似于磷，但比磷大，特别是氮使低温韧性降低很多［2］。w( Ti) 、φ( N) 高的具体原因如下:

①Ti 主要来源铁合金。经分析 FeSiMn、FeCr 等各类合金的含钛量范围在 0. 01% ～0. 03%之间。②N 在转炉出钢、LF 精炼、中间包浇钢等过程均有不同程度的增加。冶炼 50CrVA 钢时，钢中氮在转炉出钢、LF 精炼、软吹、中间包等过程中的变化情况见表 5。

从表 5 可知，50CrVA 钢中氮在每个过程都是增加的。转炉出钢过程至 LF 精炼 12 min 钢中氮体积分数增加了 19 ×10－6; LF 软吹结束至中间包钢中氮体积分数增加了 15 ×10－6。转炉出钢过程至 LF 精炼 12 min 及中间包增氮最多。

2) 措施

①残留元素钛主要来源铁合金，就应找出哪类含钛铁合金对钢影响最大。全部选用含钛低的铁合金是不经济的。但在目前的工艺技术条件下，要将钢中 w( Ti) 降到较低水平，还无法实现，仍应尽量控制含钛多的铁合金用量。表 6 所示，Cr － Mn 系、Cr－ V 系、Cr － Mn － B 系等合金弹簧钢，只要对铁合金中的钛及转炉渣略加控制，使 w［Ti］控制在 50 ×10－6以下是完全可以做到的。φ( O) 不大于 15 ×10－6，φ( N) 不大于 60 × 10－6，w( Ti) 不大于 50 ×10－6是高纯度、高强度弹簧钢［3］的要求。

②优化底吹工艺、防止吹炼末期炉内压力小于炉外压力、吹炼末期造泡沫渣、提高铁水比等; 加强铁合金烘烤; 提高 50CrVA 转炉终点碳，减少增碳量，对纯度要求高的钢采用低氮增碳剂; 减少或杜绝终渣下渣; 钢渣混冲，钢包提前化渣; 钢包余渣利用;大包钢水称重及留钢水浇铸，增加下渣监测系统; 实现大包自开率 100%; 提前向套管内、中包内充入氩气; 增加中包浸入式水口氩气保护系统。

3) 效果

通过实施以上措施，w( Ti) 控制在 50 × 10－6以下，φ( N) 控制在 60 ×10－6以下。

6 结论

1) 80 ～ 100 t 转炉可大规模批量生产优质合金弹簧钢，其生产的合金弹簧钢质量等于或优于电炉钢，成本比电炉纯废钢生产低 300 元/吨以上。

2) 生产洁净合金弹簧钢，在工艺技术上需进一步优化和提高。

3) 低氮吹炼控制技术、出钢过程增氮控制技术还有待进一步优化。

［ 参 考 文 献 ］

［1］   周德光，傅杰等． 钢中氮的控制及对质量的影响［J］．炼钢，2005，21( 1) : 43 －46．

［2］   余宗森，李士琦． 钢的成分、残留元素及其性能的定量关系［M］． 北京: 冶金工业出版社，2001．

［3］   项 程 云． 合 金 结 构 钢［M］． 北 京: 冶 金 工 业 出 版社，1999．