CN112680656B

CN112680656B - 一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺

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Publication number: CN112680656B
Application number: CN202011367313.2A
Authority: CN
Inventors: 豆乃远; 朱富强; 任振海; 陈占领; 李亚; 刘泽; 杨刘威; 李俊杰; 徐必靖
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: CN112680656A

Abstract

本发明属于冶炼技术领域，公开了一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺。其组成按重量百分数计为C：0～0.05％、Si：0.02～0.08％、Mn：0.25～0.35％、P≤0.025％、S：0.004～0.015％、Cr≤0.05％、Ni≤0.05％、Cu≤0.05％、Al：0.010～0.025％、B：0.0010～0.0060％，其余为Fe。电炉超低碳出钢，高碱度深脱氧工艺，设计合理的参数，确保了钢的化学成分、表面质量、纯净度等技术指标。本发明操作简单，不需要铁水预处理及真空处理工序，冶炼的电机爪极用钢同时满足成分均匀、纯净度高，可浇性好，表面质量好，热顶锻性能好、电磁性能好等特点。

Description

一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体来说涉及一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺。

背景技术

电机爪极用钢是制作发电机爪极的原材料，发电机爪极是发电机的重要零件，直接影响发电机的发电量，广泛应用于汽车领域。近年来，随着汽车行业的飞速发展，汽车产量的需求逐年提高，同时汽车对用电设备的数量不断增加，如全套空调、新式冷、热藏两用箱、各种电子仪表的应用等，而且还需要汽车在低速行驶时，发电机也能对蓄电池进行充电，以解决城市公交汽车在低速行驶时不能给蓄电池充电而造成的蓄电池使用寿命简短的问题，促使汽车增大发电机的输出功率，而影响输出功率的主要零件是车载发电机的爪极材料。因此，其表面质量，导磁性能是爪机的关键指标，而如何在保证爪机导磁性能的同时还能进一步提高其表面质量、力学性能等是目前爪极用钢的相关生产厂家所遇到的共同难题。因此如何设计其化学成分，并配备合理的冶炼工艺参数，在低成本的条件下，仅采用电炉冶炼-LF精炼-方坯连铸工艺低成本下冶炼出化学成分均匀、纯净度高，表面质量好，气体含量低，热顶锻性能好，且还能符合用户最终导磁性能要求的爪极用钢材料，是本发明所要解决的技术问题。

目前，申请号为201910180393.1的中国发明专利公开了一种高磁性能汽车电机爪极用钢及其生产方法，其工艺路线包括铁水脱硫处理、转炉冶炼、RH真空脱气、LF精炼、连铸工序，其中还需要脱硫处理、RH真空脱气才能将碳含量控制在0.01～0.04％，生产流程长，生产成本高，且B含量需要控制0～0.0008％，尽可能越低越好，较高的B元素可能会恶化瓜极磁性能。申请号为201811632812.2的中国发明专利公开了电机爪机用AISI1006钢的生产方法，其工艺路线包括RH真空处理工序实现钢水的高纯净度和低含氧量，其中的夹杂物A类1.5、B类1.0，该工艺生产成本较高，且最终也未验证电极瓜机的电导率。

发明内容

本发明的目的在于针对以上技术难题，通过设计合理的化学成分、选择合理的工艺参数，提供一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺，该工艺在不需要铁水预处理及真空处理工序下确保了钢的化学成分、表面质量、纯净度等技术指标。最终冶炼得到的电机爪极用钢具有化学成分均匀、纯净度高，可浇性好，可连浇10炉及以上，表面质量好，气体含量低，热顶锻性能好等特点，而且还能满足矫顽力为Hc≤80(A/m)，最大磁导率um≥0.0085(H/m)的电磁性能。

为了实现上述目的，本发明所涉及的一种含硼电机爪极用钢，其化学成份按重量百分数计为[C]：0～0.05％、[Si]：0.02～0.08％、[Mn]：0.25～0.35％、[P]≤0.025％、[S]：0.004～0.015％、[Cr]≤0.05％、[Ni]≤0.05％、[Cu]≤0.05％、[Al]：0.010～0.025％、[B]：0.0010～0.0060％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中C/Si比为0.5-1.5。

本发明成分设计理由：

C能提高钢的强度和硬度，但含量高会影响钢的导电性能。本发明中优选为0～0.05％；

Si是脱氧的元素，但低碳时一定量的硅对提高电磁性能有利，且当C/Si比为0.5-1.5之间时对钢的铁磁性能更有利，但随着硅含量的提高，矫顽力增加，电磁性能下降。因此本发明优选为0.02～0.08％；

Mn可以起到固溶强化的作用，提高钢的强度，与硫结合生成MnS，一定程度上消除硫的有害影响，但含量过高会降低钢的塑性指标，本发明中当Mn高于0.35％后会进一步提高钢的强度，使钢的矫顽力增加，电磁性能下降，同时会造成塑性指标下降，变形能力下降，本发明中优选为0.25～0.35％；

Al是脱氧元素，能细化晶粒，但含量过高会影响钢的可浇性。本发明中优选为0.010～0.025％；

B可以对晶粒粗化均匀起促进作用，提高钢的淬透性和导磁性能。本发明中优选为0.0010～0.0060％；该范围内的B一方面可以起到粗化晶粒，使晶粒更均匀，在正火后晶粒会均匀长大，在提高钢的淬透性的同时，还对钢的电磁性能有促进作用；另一方面，B还能与氮结合，防止在晶界上生成AlN影响钢的表面质量，可以提高钢的表面质量。

P为钢中的有害元素，本发明中优选为P≤0.020％；

S为易切削元素，但硫含量高会影响钢的热脆性，本发明中优选为0.004～0.015％。

本发明提供了上述一种含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：电炉冶炼、LF精炼、方坯连铸步骤，具体操作如下：

(1)电炉加入炼钢原料进行低拉碳冶炼操作，废钢预热300～500℃，冶炼供氧时间30～40min，控制出钢[C]≤0.03％，出钢[P]≤0.018％，出钢1/3时随钢流依次加入脱氧剂、合金和渣料，电炉炉渣碱度R控制为2.6～3.4；采用留钢渣操作，严禁下渣，出钢时间为3～5min；

作为优选，步骤(1)中采用的炼钢原料为废钢和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的15％～25％，铁水占所述炼钢原料总重的75％～85％，所述炼钢原料的总装入量105～115t/炉，电炉冶炼时间为40～50min，出钢温度为1620～1660℃；所述渣料的加入量为石灰900kg/炉，化渣剂300kg/炉。

进一步地，步骤(1)所述脱氧剂为铝块，加入量为100～180kg/炉，合金为低碳锰铁，加入量为3.5～4.5kg/t。

步骤(1)中供氧时间长，废钢预热等条件保证了出钢碳的同时，也保证了出钢温度满足要求。

控制低的出钢C，是为了防止因精炼过程增碳造成C成分出格而影响爪极的导电性能；出钢过程加入适量的铝块，是为了前期钢水进行深脱氧，促进夹杂物上浮。

(2)LF采用铝粒、硅铁粉进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰，石灰加入量为400～600kg/炉，保证炉渣的流动性，采用高碱度渣脱硫，二元碱度R＝8～13；LF精炼前期取第一样后根据钢水Al含量使用铝线调铝至0.025～0.035％，LF结束前5～10分钟喂入硼铁；软吹氩操作时先喂入适量硅钙线，5～10分钟后视钢中硫含量喂入适量硫线，然后再软吹时间15～60分钟，软吹后确保合适的吊包温度；

作为优选，步骤(2)中，所述LF采用硅铁粉、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为硅铁粉1.2～1.8kg/t、铝粒1.8～2.2kg/t；所述铝线喂入量150～250m/炉。

进一步地，步骤(2)中所述喂入适量硅钙线100～160m/炉，5～10分钟后视钢中硫含量喂入适量硫线15～25m/炉；所述软吹后吊包温度为，开浇炉1595～1625℃，连浇炉1575～1605℃，非正常周转钢包温度可提高5℃～10℃。

加入一定量的硅铁粉进行钢渣界面脱氧，可以控制适合的精炼炉渣碱度，吸附钢水中的夹杂物，提高钢的纯净度，同时避免使用碳化硅脱氧造成钢水增碳，使碳成分出格的风险。

严格控制喂入硅钙线量及硫线的加入时机，是在避免形成氧化铝、硫化钙堵塞水口，同时避免钙处理过量形成大量钙铝酸盐夹杂物，在浇铸时进入钢液中，造成钢水纯净度不高。

(3)连铸工序采用全程保护浇铸，连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用镁质挡墙和维苏威浸入式水口及塞棒，水口直径为40mm，采用合理的过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～35℃，拉速控制在0.90±0.05m/min；

结晶器采用电磁搅拌，并使用结晶器保护渣，一冷水流量为120±20m³/h，水温差7.0～9.0℃，二冷采用弱冷配水模式，并配备PMO；

作为优选，步骤(3)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖；所述中包使用时间≤12小时；所述结晶器电磁搅拌参数为200A/2.5Hz，正弦振动参数为振幅±2.5mm，频率130+40V opm；所述结晶器保护渣使用西保包晶钢专用保护渣，C含量为15～16％，碱度为R＝1.00～1.10，熔点1110～1190℃，粘度为0.90～1.05Pa.S/1300℃；所述PMO电压为50V。

进一步地，步骤(3)中所述的弱冷配水模式中，比水量0.25L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。

结晶器采用电磁搅拌，非正弦振动模式，并使用结晶器保护渣，一冷水流量为110±10m3/h，水温差6.5～8.5℃，二冷采用中冷配水模式；

采用弱冷配水模式，采用合理的过热度、恒拉速控制可以减小连铸拉坯应力，避免出现角部裂纹，液面波动造成卷渣等缺陷；使用合适的碳含量、熔点、碱度及粘度的结晶器保护渣可以增加铸坯的润滑能力，确保钢的表面质量。

配备结晶器电磁搅拌和PMO，可以均匀化学成分，减轻铸坯缩孔，提高铸坯内部质量。

本发明对电炉终点碳含量及精炼过程中的脱氧剂等增碳环节控制，确保满足要求，同时采用合理的脱氧工艺和参数，保证了钢的纯净度，因此，不需要进行真空碳脱氧工艺等途径来保证碳含量满足要求。

本发明的有益效果在于：

本发明通过电炉低拉碳冶炼操作，电炉超低碳出钢，高碱度深脱氧工艺，适当添加B元素粗化均匀晶粒，添加少量的硫提高了切削性能，配备合理的工艺参数，提供一种含硼电机爪极用钢及其低成本冶炼工艺，能够确保其化学成分均匀、纯净度高、可浇性好，可连浇10炉及以上，表面质量好，气体含量低，热顶锻性能好等特点，完全满足高端电机爪极用钢用户同时在力学强度、电磁性能上的使用要求。

本发明工艺与现有工艺技术相比，操作简单，生产成本低廉，不需要铁水预处理及真空处理工序，提高了产品的市场竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

生产工艺简述如下：

电炉冶炼→LF精炼→方坯连铸(220*260mm²)。

实施例1

(1)电炉加入炼钢原料废钢和铁水进行低拉碳冶炼操作，废钢占所述炼钢原料总重的21％，生铁占所述炼钢原料总重的79％，总装入量110t/炉，电炉冶炼时间为45min，炉炉渣碱度R控制为3.0，出钢温度为1641℃，出钢[C]：0.02％，出钢[P]：0.010％，出钢1/3时随钢流依次加入铝块150kg/炉、低碳锰铁4.1kg/t和渣料石灰900kg/炉，护炉剂300kg/炉，电炉采用留钢渣操作，严禁下渣，出钢时间为4.0min；

(2)LF采用铝粒2.0kg/t、硅铁粉1.5kg/t进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰，石灰加入量为500kg/炉，保证炉渣的流动性，采用高碱度渣脱硫，二元碱度R＝10.1；LF精炼前期取第一样后喂入铝线200m/炉调铝至0.030％，LF结束前7分钟喂入硼铁；软吹氩操作时先喂入适量硅钙线140m/炉，8分钟后视钢中硫含量喂入适量硫线21m/炉，然后再软吹时间25分钟，软吹后吊包温度1600℃。

(3)连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖；中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用时间≤12小时，使用镁质挡墙和维苏威浸入式水口，水口直径40mm；采用低过热度、恒拉速控制，过热度31℃，拉速0.90m/min；结晶器电磁搅拌参数为200A/2.5Hz，正弦振动参数为振幅±2.5mm，频率130+40V opm；使用西保包晶钢专用保护渣，C含量为15～16％，碱度为R＝1.00～1.10，熔点1110～1190℃，粘度为0.90～1.05Pa.S/1300℃；一冷水流量为120±20m³/h，水温差7.0～9.0℃，二冷采用弱冷配水模式，比水量0.25L/kg，PMO电压为50V，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。

实施例2

出钢[C]：0.01％，出钢温度1643℃，其余操作与实施例1相同。

实施例3

出钢加入铝块140kg，其余操作与实施例2相同。

将实施例1-3连铸得到钢材进行轧制处理，具体为：采用的是高温加热和高温轧制工艺，其加热工艺为：预热段800～900℃，加热一段950～1050℃，均热段1150～1250℃，加热时间：180min；采用高压水除磷，其压力≥18MPa，确保连铸坯表面氧化铁皮清除干净；其轧制工艺参数为开轧温度1050～1150℃，终轧温度900～980℃，上冷床温度870～930℃，剪切温度≥350℃，轧制过程不穿水，得到轧材。

实施例1*

实施例1*与实施例1相比，区别在于：钢成分中含B元素含量为0.0008％，其余操作与实施例1相同。

实施例2*

实施例2*与实施例1相比，区别在于：钢成分中含B元素含量为0.0080％，其余操作与实施例1相同。

对比实施例1

将实例1步骤(1)中“出钢碳0.02％”修改为“出钢碳0.04％”，其他条件同实施实例1。对最终制得的铸坯样进行检测，经检测碳含量0.06％，超标。

对比实施例2

将实例1步骤(1)中“石灰900kg/炉，化渣剂300kg/炉”修改为“石灰500kg/炉，护炉剂200kg/炉”，其他条件同实施实例1。对最终制得的钢材进行检测，经检测钢材存在Ds类大颗粒夹杂物2.5级，超标，远差于本发明实施例中制备的钢的质量。

实施例1～3所制得的钢的化学成分、气体含量、夹杂物级别分别见表1～2所示。

表1实施例1～3所制备的钢的成品化学成分及气体含量(wt/％)

实施例	C	Si	Mn	Cr/Ni/Cu	P	S	Al	B	O
										1	0.03	0.04	0.32	≤0.03	0.012	0.008	0.018	0.022	0.0018
2	0.02	0.03	0.31	≤0.03	0.013	0.006	0.020	0.023	0.0020
										3	0.03	0.03	0.30	≤0.03	0.011	0.009	0.017	0.021	0.0017

表2实施例1～3所制备的钢的夹杂物级别

实施例	A(粗)	A(细)	B(粗)	B(细)	C(粗)	C(细)	D(粗)	D(细)	DS
										1	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.5	1.0	0.0
2	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.5	1.0	0.5
										3	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.5	1.0	0.0

实施例1～3所制得的钢用热处理毛坯制成试样测定钢材力学性能如表3所示。

表3实施例1～3所制备的钢的力学性能

实施例	Rm，N/mm²	Rel，N/mm²	A，％	Z，％
					1	328	221	43	77
2	331	223	41	75
					3	330	220	42	76
1*	335	227	40	72
					2*	321	214	39	70

注：热处理制度正火930℃，试样保温时间不少于30min。

实施例1～3所制得的钢的热顶锻性能、铸坯抛丸探伤合格率、轧材探伤合格率如表4所示。

表4实施例1～3所制备的钢的热顶锻、铸坯及轧材合格率

实施例	1/3热顶锻	铸坯合格率	轧材合格率(B+0.2)
				1	合格	100％	100％
2	合格	100％	100％
				3	合格	100％	100％

相关性能的检测方法：力学性能：GB/T 228；热顶锻性能YB/T 5293；轧材探伤：GB/T 4162、GB/T 11260、GB/T 32547、YB/T 4374；铸坯抛丸探伤：荧光+肉眼观察。

实施例1～3所制得的钢材的电磁性能如表5所示。

表5：

Claims

1.一种含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：所述的电机爪极用钢的化学成份按重量百分数计为，[C]：0~0.05%、[Si]：0.02~0.08%、[Mn]：0.25~0.35%、[P]≤0.025%、[S]：0.004~0.015%、[Cr]≤0.05%、[Ni]≤0.05%、[Cu]≤0.05%、[Al]：0.017~0.025%、[B]：0.0010~0.0060%，其余为Fe和不可避免的杂质；C/Si比为0.5-1.5；钢电磁性能的矫顽力Hc≤80 A/m，最大磁导率 um≥0.0085；钢的1/3热顶锻为合格、铸坯合格率为100%及轧材合格率为100%；

冶炼工艺为电炉冶炼、LF精炼、方坯连铸步骤，具体操作为：

（1）电炉中加入炼钢原料进行低拉碳冶炼操作，废钢预热300~500℃，冶炼供氧时间30~40min，控制出钢[C]≤0.03%，出钢[P]≤0.018%，出钢温度为1620~1660℃，出钢1/3时随钢流依次加入脱氧剂、合金和渣料，电炉炉渣碱度R控制为2.6~3.4；采用留钢渣操作，严禁下渣，出钢时间为3~5min；

步骤（1）中采用的炼钢原料为废钢和铁水，废钢占所述炼钢原料总质量的15%~25%，铁水占所述炼钢原料总质量的75%~85%，所述炼钢原料的总装入量105~115t/炉，电炉冶炼时间为40~50min，所述渣料的加入量为石灰900kg/炉，化渣剂300kg/炉；

（2）LF采用铝粒、硅铁粉进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰保证炉渣的流动性，采用高碱度渣脱硫，二元碱度R=8~13；LF精炼前期取第一样后根据钢水Al含量使用铝线调铝至0.025~0.035%，LF结束前5~10分钟喂入硼铁；软吹氩操作时先喂入适量硅钙线，5~10分钟后视钢中硫含量喂入适量硫线，然后再软吹时间15~60分钟，软吹后确保合适的吊包温度；

（3）连铸工序采用全程保护浇铸，连铸全程保护浇铸，使用镁质挡墙和维苏威浸入式水口及塞棒，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖；所述中包使用时间≤12小时；连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，过热度控制在20~35℃，拉速控制在0.90±0.05m/min；

结晶器采用电磁搅拌，并使用结晶器保护渣，一冷水流量为120±20 m³/h，水温差7.0~9.0℃，二冷采用弱冷配水模式，并配备PMO；所述结晶器电磁搅拌参数为200A/2.5Hz，正弦振动参数为振幅±2.5mm，频率130+40V opm；所述结晶器保护渣使用西保包晶钢专用保护渣，C含量为15~16%，碱度为R=1.00~1.10，熔点1110~1190℃，粘度为0.90~1.05Pa﹒S/1300℃；所述PMO电压为50V。

2.如权利要求1所述的含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：步骤（1）所述脱氧剂为铝块，加入量为100~180kg/炉，合金为低碳锰铁，加入量为3.5~4.5kg/t。

3. 如权利要求1所述的含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：步骤（2）中，所述LF采用硅铁粉、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为硅铁粉1.2~1.8kg/t、铝粒1.8~2.2kg/t；所述铝线喂入量150~250 m/炉。

4. 如权利要求1所述的含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：步骤（2）中所述喂入适量硅钙线100~160 m/炉，5~10分钟后视钢中硫含量喂入适量硫线15~25 m/炉；所述软吹后吊包温度为，开浇炉1595~1625℃，连浇炉1575~1605℃，非正常周转钢包温度可提高5℃~10℃。

5.如权利要求1所述的含硼电机爪极用钢的低成本冶炼工艺，其特征在于：步骤（3）中所述的弱冷配水模式中，比水量0.25L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。