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        控鋁含硼10B21高強度冷鐓鋼盤條潔凈度控制生產實踐

        放大字體  縮小字體 發布日期:2022-04-20  作者:魏玉簫 周信德 朱帥旗 任勇 楊志剛  瀏覽次數:440
         
        核心提示:摘要:含硼10B21高強度冷鍛鋼盤條,通過采用鋁深脫氧、鈦固氮保證鋼中有效硼的含量,同時加Cr提高該鋼種的淬透性;生產中過程采用提高轉爐終點碳含量、留渣操作、復合脫氧、LF精煉白渣和高堿度控制、輕鈣處理和連鑄全程無氧化保護澆注等措施,降低O、N氣體含量和S、P含量,減少鋼中夾雜物含量提高鋼水潔凈度,實現含鋁鋼生產順行并成功生產出性能合格10B21盤條。 關鍵詞:有效硼;潔凈度;成分優化;冷鐓性能
         控鋁含硼10B21高強度冷鐓鋼盤條潔凈度控制生產實踐

        魏玉簫  周信德  朱帥旗  任勇  楊志剛

        (金鼎鋼鐵集團  河北武安)

        摘要:含硼10B21高強度冷鍛鋼盤條,通過采用鋁深脫氧、鈦固氮保證鋼中有效硼的含量,同時加Cr提高該鋼種的淬透性;生產中過程采用提高轉爐終點碳含量、留渣操作、復合脫氧、LF精煉白渣和高堿度控制、輕鈣處理和連鑄全程無氧化保護澆注等措施,降低O、N氣體含量和S、P含量,減少鋼中夾雜物含量提高鋼水潔凈度,實現含鋁鋼生產順行并成功生產出性能合格10B21盤條。

        關鍵詞:有效硼;潔凈度;成分優化;冷鐓性能


        1引言

        隨著現代汽車、機械、建筑、輕工和航空航天等生產部門的發展及我國提出“碳高峰、碳中和”綠色鋼鐵生產要求,緊固件(如螺栓、螺釘、螺母等)用鋼量不斷增大,產品向高強度、高精度、異形化和節能的方向發展。標準緊固件主要四種成型工藝以冷鐓工藝應用最為普遍。我公司研制的10B21含硼鋼冷鐓鋼是在美標SAE J403-2001中的牌號基礎上開發的免退火盤條,是目前市場用8.8級高強度冷鐓緊固件用盤條,通常用戶在拉拔前要進行球化退火或軟化退火以降低強度提高塑性,改善其加工性能。我公司主要通對該鋼種化學成分優化設計和低S、P控制、降低鋼中O、N氣體含量、控制夾雜物的含量、形態、分布等方面提高鋼水潔凈度,實現含硼鋼10B21盤條高強度和塑韌性匹配,解決了高強度冷鐓鋼冷成型塑性問題(冷鐓裂紋)。

        2化學成分設計

        2.1 Si元素在鋼中的作用

        Si為鐵素體強化元素,減少其含量,冷鐓時的變形抗力降低;同時,Si也是脫氧元素,保證一定硅含量也是必須的。因此將其含量控制≤0.10%;

        2.2 B元素的影響

        B在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性,其機理主要是它吸附在奧氏體晶界上,降低了晶界能,抑制鐵素體晶核的形成,降低了先共析鐵素體和上貝氏體晶核的形成率。延長了奧氏體分解轉變的孕育期。B的這種作用僅對低碳和中碳含量的鋼有效,對高碳含量及過共析鋼則作用不大或基本沒有作用。硼提高鋼的淬透性主要是固溶在鋼中部分(也稱有效硼或酸溶硼)起有益作用。但硼是極活潑的元素,與氧、氮都有很強的親和力,能形成穩定的氧化硼或氮化硼夾雜物而喪失其有益作用。根據我公司開發含硼鋼的經驗,要保有效硼的含量(≥0.0005%),關鍵是強化脫氧深度、降低鋼中氮含量和采用鈦固氮雙保險。過低的有效硼(<0.0005%)起不到淬透性的目的,同時,許多研究結果表明[1],當鋼中酸溶硼為0.0010%,鋼材的淬透性達到最大值,繼續增加酸溶硼含量,淬透性有所降低??紤]10B21含硼鋼有良好穩定性能,將B含量控制在0.0010%~0.0030%,目標0.0015%。


        2.3 AlS的作用

        鋁為強脫氧元素,較Si、Mn元素相比有更深的脫氧能力。使鋼中氧含量降低更低(≤10ppm),有效減少鋼中硼的氧化率,提高有效硼的含量。雖然Ce、Ca等元素脫氧深度較Al強,但其較鋁昂貴,為降低此鋼生產成本采用鋁脫氧。但采用鋁脫氧工藝生產含鋁鋼最大的難點就是脫氧產物Al2O3夾雜導致水口易絮流導致鋼水流動性差連鑄澆注中斷事故發生;同時考慮到含硼鋼一般不用Al作為細化晶粒元素,這是由于含硼鋼為穩定有效硼改善淬透性的作用,抑制有害的BN的生成,常采用加鈦固氮工藝,同時抑制防止晶粒長大第二相AlN的生成。綜合考慮,Als含量控制在0.015%~0.025%。

        2.4 Ti元素的作用


        (1)在硼鋼中固氮作用。鈦與氮有極強的親和力,反應極易生成TiN,減少氮與硼的反應。

        (2)固硫的作用。Ti與S結合形成TiS、Ti4C2S2。文獻[2]在研究Ti-IF深沖原子鋼結果表明,在鑄坯凝固和在加熱過程(T>1200℃)中,Ti與S先形成TiS析出物;隨著溫度的降低,TiS在900~1200℃向Ti4C2S2轉變。其形狀均有球形、六角形和棒形。這兩種細小析出物的尺寸約在幾十納米到1微米,且未發現條狀MnS存在,減少硫的偏析和熱脆危害。

        (3)鈦細化硼鋼晶粒提高強度元素。Ti析出第二相粒子TiN、Ti(CN)和TiC等能夠阻止加熱及軋制過程中奧氏體晶粒的長大、同時抑制形變奧氏體晶?;貜秃驮俳Y晶,而奧氏體中的形變帶、未回復的亞結構邊界,可進一步促進鐵素體晶粒的細化。起到細化組織和晶粒的作用,從而提高鋼的強度和韌性。由于鋼中TiN在奧氏體化過程,只有在1200℃以上溫度才能固溶,且溶解度很低。Ti的氮化物在奧氏體中溶解度可用以下經驗公式表示:

        1og[Ti][N]= 3.82-15020/T 。而TiC 在1000℃以上就可在奧氏體固溶,軋制過程以細小TiC第二相析出強化提高熱軋鋼材的強度,但同時惡化硼鋼冷加工性。新日鐵開展合理利用TiC的研究,并通過Thermo-Calcruan軟件計算的平衡相含量(見圖1,圖2)得出:為使更多Ti生成TiC ,需減少鋼中氮含量;需提高熱軋加熱溫度使TiC充分溶解。 兼顧抑制晶粒粗化效果和冷加工性。Ti設計0.025%~0.040%  。   


                                                                                 

         

        圖片1 

         

         



        圖1 低氮含量鋼和加熱溫度對鈦元素析出相溶解行為的影響

        Fig. 1  Effect of low nitrogen content steel and heating temperatureon dissolution behavior of titanium precipitates

        圖片2




















         

        圖2 高氮含量鋼和加熱溫度對鈦元素析出相溶解行為的影響

        Fig. 2  Effect of high nitrogen content steel and heating temperature on dissolution behavior of titanium precipitates

         2.5低S P控制

        鋼中夾雜元素通常惡化鋼的冷鐓性,應盡可能降低其含量。降低鋼中S含量可提高鋼的變形能力,降低P含量可降低鋼的變形能力,同時可減少S、P在晶界的偏聚而減輕晶界脆化。同時降低S、P可降低C、Mn元素在鋼中偏析。降硫防止生成FeS硫化物產生熱脆。

        綜上考慮,我公司對控鋁含硼鋼10B21鋼成分進行優化設計,如表1所示。

        表1    控鋁含硼鋼10B21鋼化學成分

        Table 1 chemical composition of control aluminum boron steel 10B21

            牌號

        化學成分,wt%

        C

        Mn

        Si

        P

        S

        B

        Cr

        Als

        Ti

        10B21

        SAE J403-2001

        0.18~0.23

        0.60~0.90

        ≤0.10

        ≤0.030

        ≤0.050

        0.0005~0.0030

        ——

        ——

        ——

        內控  

        0.18~0.21

        0.80~0.90

        ≤0.07

        ≤0.020

        ≤0.010

        0.0010~0.0030

        0.15~0.25

        0.015~0.025

        0.025~0.040

        目標值

        0.19

        0.85

        ≤0.06

        ≤0.015

        ≤0.005

        0.0015

        0.20

        0.020

        0.030

        3  生產工藝


        3.1  工藝路線

        低硫鐵水—轉爐冶煉—脫氧合金化—鋼包頂渣處理—吹氬—LF精煉—5機5流方坯連鑄(斷面165mm×165mm)——高速線材軋制φ16mm熱軋盤條。

        3.2煉鋼潔凈鋼生產工藝

        3.2.1轉爐

        (1)氧的控制:采用低碳轉爐擲落式檢測探頭和煉鋼工綜合判斷轉爐終點,一倒終點命中率達到98%以上,實際終點C控制在0.08%~0.12%;同時采用鋼砂鋁和SiAlBaCa復合脫氧,在保證一定脫氧深度情況下,減少Al2O3夾雜物生成量。

        (2)硫的控制:采用低硫鐵水(S≤0.025%)入爐;出鋼過程脫氧合金化結束后向鋼包加3.0kg/t石灰和2.0kg/t精煉預熔渣,縮短LF精煉成白渣時間,為提高其工序脫硫率創造良好條件。

        (3)磷的控制:采用留渣操作提高轉爐渣前期溫度和堿度,早化渣,提高脫磷率;出鋼口壽命在前中期生產此鋼種,出現散流或出鋼時間小于3.5min及時維護或更換出鋼口;同時,采用擋渣球和擋渣塞雙擋渣工藝,減少下渣量防止鋼水回磷。進LF精煉鋼水[P]:0.011%~0.015%。

        (4)氮的控制:氧是表面活性元素,它們在表面富集,占住了一部分吸附氮的位置,阻礙氮氣從大氣吸入鋼水,爐后不深脫氧精煉喂線補鋁;確保LF精煉造渣埋弧效果、降低喂鈣線速度(從原2.0m/s降為1.5m/s)減少鋼水吸氮;其二用加鈦鐵固氮,減少氮化硼夾雜的生成;在結晶器采用真空取樣檢驗N含量:25~30ppm。

        3.2.2 LF精煉

        (1)白渣的操作:采用雙透氣磚專用精煉磚包,從出鋼到精煉前全程吹氬;進LF精煉,吹氬破殼,根據爐后定氧情況喂鋁線調鋁,并向鋼包頂渣加0.6kg/t電石和0.5kg/t鋁粒預脫氧;然后開進加熱工位通電,分批加石灰和精煉預熔渣。10min內快速成白渣。然后用鐵鍬將鋁粒和電石混好脫氧劑根據白渣保持和埋弧狀態小批量分批分散加入鋼包,進行埋弧和擴散脫氧,保持白渣時間均達到20min以上。渣樣分析結果見表2。


        表2      10B21鋼LF精煉頂渣渣樣組分含量控制

        Table 2   Composition control of top slag in LF refining of 10B21 steel

        項目

        渣樣組分含量,wt%

        二元堿度R

        (wCaO/wSiO2)

        CaO

        SiO2

        MgO

        Al2O3

        FeO

        P

        MnO

        S

        實物

        范圍

        56.98~58.74

        5.96~6.51

        4.86~5.71

        23.09~27.33

        0.57~0.74

        0.014~0.050

        0.075~0.218

        0.40~0.44

        9.02~9.56


        從表中2渣樣檢測結果看,FeO+MnO<1.0%說明擴散脫氧進行較充分,白渣保持效果良好,為脫硫(脫硫先脫氧)打下良好基礎;同時,精煉渣堿度達到9.0%以上,為充分脫

        硫提供熱力學基礎。生產爐次成品硫為0.005%~0.008%,均處在較高控制水平。


        (2)夾雜物控制:

        1)吹氬:LF精煉化渣采用大氬氣量(400~500Nm3/h)充分攪拌使鋼渣充分混合;成白渣后和微調合金后,減少鋼包供氬流量到150~200Nm3/h。開出加熱工位喂鈣線后采用鋼水不裸露鋼水蠕動軟吹氬工藝,軟吹氬時間≥15min。促使夾雜物上浮去除,減少鋼水卷渣。

        2)B的夾雜物控制:硼在LF精煉加入,并選擇在成白渣和成分、溫度滿足要求后,先加入1.13kg/t鈦鐵固氮,然后加入0.20kg/t硼鐵。成品硼含量0.0017%~0.0021%。

        3)Al2O3夾雜控制:進LF精煉加熱工位前,根據鋼水的氧性和目標酸溶鋁(AlS:0.030%)一次性喂入鋁線,嚴禁精煉后期喂鋁線調鋁,減少因后期鋁氧化生成細小的Al2O3難于上浮去除;采用CaO-Al2O3-SiO2高堿度渣系兼顧脫氧和脫硫并有利吸附Al2O3夾雜;采用喂純鈣線輕鈣處理技術(將Al2O3夾雜變成液體鈣鋁酸鹽類夾雜要求成品鈣含量在.0015%-0.0020%范圍之內,含鋁鋼精煉過程造白渣,減少鋼中S含量,輕鈣處理后保證軟吹時間)解決鋁脫氧生成尖銳、帶刺狀且熔點較高Al2O3固態夾雜變性為12CaO.7Al2O3液態夾雜,促進其上浮去除;同時防止因喂鈣量過多,易形成高熔點CaS(熔點為2450℃)使水口絮流惡化鋼水流動性。

        3.2.3連鑄

        (1) 采用全程無氧化保護澆注技術:開澆前向中間包吹氬2~3min置換空氣中氧氣;大包套管加密封墊吹氬、中間包碳化稻殼和堿性覆蓋劑復合使用、中間包鋼水高液面控制850~900mm、利用鋼包下渣檢測技術減少其下渣量,每4h定期放渣一次保證中間包渣層厚度≤60mm。

        (2) 采用鋁碳浸入式水口代替石英水口,減少耐材剝落產生大顆粒夾雜。

        (3) 選用10B21低碳鋼含鋁含鈦鋼專用保護渣,防止鋁、鈦氧化物使保護渣變性造成卷渣和粘結漏鋼。

        4盤條理化性能檢驗

        我公司試制10B21高線線材軋制成φ16mm盤條,分別進行了連鑄中間包化學成分、非金屬夾雜物高倍檢驗、金相、力學性能和1/2、1/3冷頂鍛檢驗。

        化學成分控制見表3。試制爐次實物化學成分(熔煉)除Ti均滿足內控窄范圍成分控制要求。


        表3       10B21鋼化學成分(熔煉)控制情況

        Table 3  Chemical composition (melting) control of 10B21 steel

            牌號

        化學成分,wt%

        C

        Mn

        Si

        P

        S

        B

        Cr

        Als

        Ti

        10B21

        SAE J403-2001

        0.18~0.23

        0.60~0.90

        ≤0.10

        ≤0.030

        ≤0.050

        0.0005~0.0030

        ——

        ——

        ——

        內控  

        0.18~0.21

        0.80~0.90

        ≤0.07

        ≤0.020

        ≤0.010

        0.0010~0.0030

        0.15~0.25

        0.015~0.025

        0.025~0.040

        實物范圍

        0.19~0.22

        0.81~0.85

        0.05~0.07

        0.017~0.020

        0.006~0.008

        0.001~0.0014

        0.16~0.19

        0.018~0.024

        0.026~0.032

         


        高倍和金相檢驗。非金屬夾雜物:B類氧化鋁類0~0.5級、D類球狀氧化物類夾雜0.5~1.0級,無A類、C類和Ds類夾雜,B類和D類夾雜級別也較低(見圖2)。通過以上煉鋼潔凈鋼工藝控制,達到預期該類鋼潔凈化要求,盤條金相檢驗晶粒度為9.5級(見圖3)。

        力學性能:φ16mm熱軋盤條力學性能檢驗見表4。按用戶要求該規格僅做1/2冷頂鍛檢驗為,但為技術數據積累做了質量要求更高更嚴1/3冷頂鍛檢驗。從表4看,試制10B21抗拉強度、斷面收縮率和1/2冷頂鍛均滿足技術協議的要求。但斷面收縮率偏下限,且富裕量較小,1/3冷頂鍛個別試樣還存在微裂紋,表明鋼冷加工塑性不良,鋼水潔凈度還需進一步提高。

        圖片3

        圖3  10B21盤條橫向非金屬夾雜物,200×

        Fig 3   Non-metallic inclusions of  transverse in 10B21 wire rod, 200 ×

         圖片4

        圖4  10B21盤條橫向金相組織,200×

        Fig 4  Microstructure of  transverse  in 10B21 wire rod, 200 ×

        of 10B21 wire rod, 200 ×

         

         

         

        表4     10B21熱軋盤條實物力學性能檢驗結果

        Table 4   Test results of mechanical properties of 10B21 hot rolled wire rod


        牌號

        項目

        力學性能

        Rel/MPa

        Rm/MPa

        A,%

        Z, %

        1/2冷頂鍛

        1/3冷頂鍛

        10B21

        技術協議

        ≤580

        ≥45

        合格

        實物情況

        309~332

        486~509

        22.5~25.0

        48~52

        合格

        個別試樣有微裂紋

         

        5結論

        (1)采用Al深脫氧、Ti固N,保證有效硼的含量;同時采用輕鈣處理技術,保證鋁深脫氧鋼生產時鋼水可澆性差的難點問題;

        (2)通過提高一次倒爐命中率、留渣操作、LF精煉白渣操作、連鑄全程無氧化保護澆注等措施,提高鋼水的潔凈度;試制爐次10B21盤條各項理化指標檢驗均達到技術協議要求。

        (3)我公司開發控鋁含硼10B21高強度冷鐓鋼冷加工塑性較低,還需從試驗摸索有效硼、Ti固氮脫硫和細晶強化含量范圍;同時,試驗上連鑄中間包穩流器擋墻進一步提高鋼水潔凈度。提高10B21冷加工性能。

        參考文獻

        [1] 靳立山,孟凡云等,精煉鋼水流動性差的原因分析與改進[J].山東冶金,2009,第31卷,第四期.

        [2]  惠衛軍,翁宇慶,董瀚等編著《高強度緊固件用鋼》[J].北京工業出本社2009;

        [3]  徐峰云,白秉哲等,低合金高強度鋼鈦微合金化進展.

        [4]  康愛元,陳文勇等,高強度含硼冷鐓盤條10B21的生產工藝[J].河北冶金,2018年03期.

         
         
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