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CN108977612A - 高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法 - Google Patents

高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法 Download PDF

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CN108977612A CN201811137331.4A CN201811137331A CN108977612A CN 108977612 A CN108977612 A CN 108977612A CN 201811137331 A CN201811137331 A CN 201811137331A CN 108977612 A CN108977612 A CN 108977612A
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Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体公开一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。本发明工艺通过调整配方以及对脱氧合金化工艺进行优化设计，使钢液合金化过程更充分，提高合金的收得率，通过控制精炼渣的成分，使其具备良好的脱硫能力以及良好的夹杂物吸附能力，从而降低成品钢液的夹杂物数量，使钢液的洁净度得到大幅提高，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能，采用价格低廉的铝矾土代替现有工艺中的精炼合成渣，改善渣系的流动性，促进夹杂物的吸附作用，提高钢水的洁净度，降低综合造渣成本，在保证使用性能的前提下减少能耗，降低了成本。

Description

高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。
背景技术
应用于铁路、公路钢结构桥梁等设施上的连接螺栓为高强度螺栓，由于长期处于野外环境中，螺栓表面与周围介质(水汽、盐分等)极易发生化学及电化学作用，从而产生锈蚀。尤其是钢桥一般横跨江河，常年气温和湿度较高，环境较为恶劣，螺栓长期处于这种环境中更容易生锈腐蚀，最终导致断裂或裂纹，形成潜在的事故源。
由于钢中夹杂物对钢材基体组织连续性的阻碍作用，使得钢材在轧制加工、热处理以及使用过程中与夹杂物发生分离，导致缝隙产生，对钢材力学性能、抗腐蚀性等指标产生消极影响。特别地，由于桥梁、公路、铁路等使用的大尺寸螺栓用钢，长期处于特殊的受力条件及恶劣的气候环境中，对螺栓用钢的钢质要求很高。然而，目前国内现有工艺生产的高强度螺栓用钢洁净度较低，夹杂物含量相对较高，非金属夹杂物大多在1.0级以上；此外，钢的显微组织结构及配比未达到最优化，导致钢的强韧性匹配不好，耐大气腐蚀性能较差，制约了产品在10.9级高强度螺栓生产中的应用。
发明内容
针对现有螺栓强度和耐腐蚀性能有待进一步提高的问题，本发明提供高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，包括以下步骤：
(1)钢水冶炼：将钢水进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600～1650℃；
(2)脱氧合金化：出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入硅铁合金、增碳剂、高碳锰铁、高碳铬铁和顶渣；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入铝矾土、石灰、电石和铝粒进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 45～65％，SiO2≤10％，Al2O3 20～30％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 4～15。
现对于现有技术，本发明提供的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，通过合金元素的调整强化钢水脱氧效果，增加了材料的强度和耐大气腐蚀性；通过控制各物料的加入顺序，使钢液合金化过程更充分，通过控制精炼渣的成分，使其具备合适的液相量、良好的脱硫能力以及良好的夹杂物吸附能力，从而降低成品钢液的夹杂物数量，提高成品钢液的纯净度；通过选择合金元素的不同加入时机，使合金充分熔化，均匀分布，增强脱氧效果，提高合金的收得率。通过调整合金元素以及严格控制钢水的洁净度，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能。
本发明的另一改进点是采用价格低廉的铝矾土代替现有工艺中的精炼合成渣，现有工艺通常采用石灰和萤石组成的渣系，存在渣系熔点高，成团结块现象严重，精炼到站渣条件差以及耐材腐蚀严重，综合成本高等问题，采用铝矾土代替现有的精炼合成渣，可更好地促进石灰的溶解，并可降低渣系熔点，且炉渣为液态渣，可改善渣系的流动性，促进夹杂物的吸附作用，提高钢水的洁净度，降低综合造渣成本，精炼综合成本降低6.3元/吨。
优选的，所述脱氧合金化工序中，所述铝块的加入量为1～2kg/t，所述硅铁合金的加入量为2～5kg/t，所述增碳剂的加入量为1～2kg/t，所述高碳锰铁的加入量为8～12.6kg/t，所述高碳铬铁的加入量为10.5～19kg/t。
在出钢至总出钢量的1/8～3/20时加入铝块，此时钢水是无渣的，可使铝锭直接与钢水接触，保证铝锭快速熔化，减少铝的烧损，提高铝的利用率，保证预脱氧效果，且此时脱氧产生的夹杂为大颗粒Al2O3，有利于脱氧产物的上浮排出；先加入硅铁合金进行脱氧，然后加入增碳剂，可避免碳氧反应剧烈可能会造成翻包问题的出现，脱氧之后再加入合金，可减少合金的氧化，提高合金收得率，最后加入顶渣，可避免顶渣与合金卷在一起，使合金熔化不充分，造成合金收得率降低，因此，各成分特定的加入顺序和加入量可增强脱氧效果，同时提高合金收得率，降低成本。
优选的，所述脱氧合金化工序中，所述顶渣为石灰和铝矾土；所述石灰的加入量为3～4.5kg/t，所述铝矾土的加入量为3.5～4.5kg/t。
优选的，所述铝矾土中三氧化二铝的含量为80％。
通过将石灰的加入量控制为3～4.5kg/t，铝矾土的加入量控制为3.5～4.5kg/t，可提高渣系中Al2O3的含量，且石灰和铝矾土优选的加入量，可使铝矾土更好地促进石灰溶解，使渣系中不含有未熔的石灰，提高渣系的流动性，且结合特定的加入铝矾土和石灰的加入时机，可取得更好的脱硫效果。
优选的，所述LF工序中，所述铝矾土的加入量0.4～1.5kg/t，所述石灰的加入量为0.5～2kg/t、所述电石的加入量为0.3～1.0Kg/t，所述铝粒的加入量0.05～0.2kg/t。
优选的，所述LF工序中，精炼过程的温度为1630～1680℃，精炼时间为30～45分钟。
优选的精炼时间和精炼温度可降低钢水中的夹杂物，提高合金的收得率。
优选的，步骤(3)中，所述RH炉精炼工序中，真空度为67～266Pa，真空循环处理时间为15～25分钟，RH环流时间为25～40分钟，真空处理完毕进行钙处理和软吹，控制Ca含量≤50ppm，软吹时间为10～25分钟。
优选的RH炉精炼工序，可以进一步脱气去除夹杂物，较小的夹杂物也会聚集长大，随后的二次软吹，控制时间为10～25分钟，可以去除这部分长大的夹杂物，进一步提高洁净度。
优选的，所述RH工序中，所述钙处理采用喂入硅钙线的方式，喂丝速度150～300m/min，喂线量150～300m。
通过喂入硅钙线的方式对夹杂物变形处理，优选的喂丝速度和喂线量可使夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度。
优选的，高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.28～0.40％，Si 0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.025％、S≤0.020％，Cr 0.60～1.00％，Ni 0.20～0.50％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
更优选的，高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.32～0.38％，Si 0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.008％、S≤0.008％，Cr 0.60～1.00％，Ni 0.30～0.40％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的成分中，加入C、Cr、Mn元素，提高材料的强度和淬透性；降低杂质元素P、S的含量，加入Ti元素，减少晶界偏析，改善材料的低温脆性和耐延迟断裂性能，加入Ti还能生成弥散细小的碳氮化合物，以细化奥氏晶粒，在提高钢的强度的同时，还能提高钢的韧性，形成的碳氮化合物还能作为氢的陷阱，抑制氢的扩散和使氢均匀分布；加Cu、Ni、Cr等合金元素，在其表面形成钝化膜，减少氢气的入侵，阻止氢致裂纹的产生，同时还能够非常有效地提高抗大气腐蚀能力，另外，这些元素还具有强化基体的作用；加入Si元素，配合Cu、Cr提高钢的耐候性。上述各成分以特定比例相互配和，使得材料满足螺栓使用的机械性能需求的同时，还能具有较高的耐大气腐蚀的性能。
优选的，钢水冶炼工序中，将镍板和紫铜板与废钢一起加入转炉中进行冶炼。
优选的，所述钢水冶炼工序中，所述镍板的加入量为2～2.5kg/t，所述紫铜板的加入量为2～5.5kg/t。
Cu、Ni合金和优质废钢一起加入转炉中，可避免后续由于合金板面积较大造成LF加入困难，从而导致合金融化不充分的问题，且由于该合金不易氧化，不会出现转炉氧化的问题，从而可提高合金的收得率。
优选的，LF精炼工序中，造渣完毕以后加入钛铁合金。
优选的，所述LF工序中，所述钛铁的加入量为0.1～0.9kg/t。
上述成分的螺栓用钢采用本发明的冶炼方法，制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的微观组织由40～70％的铁素体和30～60％的珠光体组成，晶粒细度≥5级，抗拉强度可达700～850MPa，屈服强度550～650MPa，1/3冷顶锻合格，耐腐蚀性能I指数≥6.5，断面收缩率可达42～60％，具有良好的冷加工性能，能够满足下游用户生产大尺寸10.9级高强度螺栓的要求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢，其化学成分为：
C 0.28％，Si 0.20％，Mn 0.70％，P 0.01％、S 0.020％，Cr 1.00％，Ni 0.20％，Cu 0.40％，Ti 0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2kg/t和紫铜板5.5kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块2kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂2kg/t、硅铁合金2kg/t、高碳锰铁10kg/t、高碳铬铁19kg/t、铝矾土0.5kg/t、石灰5kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉
(3)精炼工位，将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入铝矾土0.4kg/t，石灰0.5kg/t、电石1Kg/t，铝粒0.5kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 45～65％，SiO2≤10％，Al2O3 20～30％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 4～15，造渣完毕加入钛铁合金0.9kg/t；精炼过程的温度为1630℃，精炼时间为45分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为67Pa，真空循环处理时间为15分钟，RH环流时间为25分钟，然后以150m/min的速度喂入硅钙线，喂线量150m，然后进行软吹，软吹时间为10min。
由实施例1制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表1所示。
表1
实施例2
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀冷镦钢，其化学成分为：
C 0.35％，Si 0.15％，Mn 0.90％，P 0.025％、S 0.008％，Cr 0.60％，Ni 0.30％，Cu 0.20％，Ti 0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2.5kg/t和紫铜板2kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1650℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块1.5kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂1kg/t、硅铁合金3.5kg/t、高碳锰铁12.6kg/t、高碳铬铁10.5kg/t、铝矾土1.2kg/t、石灰6kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入加入铝矾土0.8kg/t，石灰1.5kg/t、电石0.3Kg/t，铝粒1.3kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 45～65％，SiO2≤10％，Al2O3 20～30％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 4～15，造渣完毕加入钛铁合金0.1kg/t；精炼过程的温度为1680℃，精炼时间为30分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为150Pa，真空循环处理时间为20分钟，RH环流时间为35分钟，然后以230m/min的速度喂入硅钙线，喂线量300m，然后进行软吹，软吹时间为25min。
由实施例2制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表2所示。
表2
实施例3
本发明实施例提供一种高强度耐大气腐蚀冷镦钢，其化学成分为：
C 0.40％，Si 0.30％，Mn 0.60％，P 0.006％、S 0.002％，Cr 0.80％，Ni 0.50％，Cu 0.50％，Ti 0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼步骤如下：
(1)钢水冶炼：将铁水进行脱硫处理，然后对铁水表面扒渣处理，获得硫含量≤0.025wt％的低硫铁水，将所述低硫铁水、优质废钢转入顶底复吹转炉内，并向所述低硫铁水中加入镍板2.2kg/t和紫铜板3.5kg/t进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1620℃；
(2)脱氧合金化：转炉出钢采用滑板挡渣，出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块1kg/t，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入增碳剂1.5kg/t、硅铁合金5kg/t、高碳锰铁8kg/t、高碳铬铁16.5kg/t、铝矾土2kg/t、石灰7kg/t；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入铝矾土1.5kg/t，石灰2kg/t、电石0.6Kg/t，铝粒1.0kg/t，进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 45～65％，SiO2≤10％，Al2O3 20～30％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 4～15，造渣完毕加入钛铁合金0.6kg/t；精炼过程的温度为1650℃，精炼时间为38分钟；
(4)RH炉精炼：将钢水吊至RH炉，预抽真空并进行吹氧强制脱碳操作，在吹氧强制脱碳处理完毕后，抽真空处理，真空度为266Pa，真空循环处理时间为25分钟，RH环流时间为40分钟，然后以300m/min的速度喂入硅钙线，喂线量250m，然后进行软吹，软吹时间为20min。
由实施例3制备的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，符合表1规定。
表1
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于将实施例3脱氧合金化工序中各物质的加入顺序调整为：铝块→增碳剂→硅铁→铬铁→锰铁→铝矾土、石灰。
由对比例1制备的螺栓用钢的非金属夹杂物评级按照GB/T10561-2005，结果如表4所示。
表4
本对比例中Mn的收得率为87.5％，Cr的收得率为87.6％。
综上所述，本发明工艺通过调整配方以及对脱氧合金化工艺进行优化设计，Mn的收得率由原来的80％左右提高到96％以上，Cr的收得率由原来的85％左右提高到95％以上，且Ti收得率稳定，钢中夹杂物评级均小于1.0级，使钢液的洁净度得到大幅提高，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，提高了螺栓用钢的强度和耐腐蚀性能，在保证使用性能的前提下减少能耗，降低了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，包括钢水冶炼、脱氧合金化、LF精炼和RH精炼，其特征在于，
(1)钢水冶炼：将钢水进行吹炼，控制终点碳含量≤0.20wt％，氧含量≤800ppm，出钢温度1600～1650℃；
(2)脱氧合金化：出钢至总出钢量的1/8～3/20时，加入铝块，出钢至总出钢量的3/16～1/4时，依次加入硅铁合金、增碳剂、高碳锰铁、高碳铬铁和顶渣；上述所有物料在出钢到总出钢量的2/3之前全部加完；
(3)LF精炼：将出钢完毕的钢水吊至LF炉精炼工位，加入铝矾土、石灰、电石和铝粒进行脱氧造渣，控制精炼渣的成分为：CaO 45～65％，SiO2≤10％，Al2O3 20～30％，MgO 3～10％，FeO＜1％，MnO＜1％，R 4～15。
2.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述脱氧合金化工序中，所述铝块的加入量为1～2kg/t，所述硅铁合金的加入量为2～5kg/t，所述增碳剂的加入量为1～2kg/t，所述高碳锰铁的加入量为8～12.6kg/t，所述高碳铬铁的加入量为10.5～19kg/t。
3.如权利要求1或2所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述脱氧合金化工序中，所述顶渣为石灰和铝矾土；所述石灰的加入量为5～7kg/t，所述铝矾土的加入量为0.5～2kg/t。
4.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述LF工序中，所述铝矾土的加入量0.4～1.5kg/t，所述石灰的加入量为0.5～2kg/t，所述电石的加入量为0.3～1.0Kg/t，所述铝粒的加入量0.05～0.2kg/t。
5.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述LF工序中，精炼过程的温度为1630～1680℃，精炼时间为30～45分钟。
6.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述RH炉精炼工序中，真空度为67～266Pa，真空循环处理时间为15～25分钟，RH环流时间为25～40分钟，真空处理完毕进行钙处理和软吹，控制Ca含量≤50ppm，软吹时间为10～25分钟。
7.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，所述RH工序中，所述钙处理采用喂入硅钙线的方式，喂丝速度150～300m/min，喂线量150～300m。
8.如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的化学成分为：C 0.28～0.40％，Si 0.15～0.30％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.025％、S≤0.020％，Cr 0.60～1.00％，Ni 0.20～0.50％，Cu 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.050％；余量为Fe及不可避免的杂质。
9.如权利要求8所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，钢水冶炼工序中，将镍板和紫铜板与废钢一起加入转炉中进行冶炼。
10.如权利要求8所述的高强度耐大气腐蚀螺栓用钢的冶炼方法，其特征在于，LF精炼工序中，造渣完毕以后加入钛铁合金。
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