一种高质量含硫中碳合金钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金生产钢丝线控制领域，尤其涉及一种高质量含硫中碳合金钢及其制备方法。
背景技术
硫元素是钢中的有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，同时还降低钢的腐蚀性。但随着机械加工业的发展，切削加工高速、精密、自动化程度不断提高，对钢材的可切削性能提出了更高的要求。含硫钢因其良好的可切削性能，已得到广泛使用。一般硫含量控制在0.025％以上。国内含硫钢一般集中在特殊钢企业，由于钢种的特性，生产难度较大，工艺技术尚不完善，只有少数企业能够做到稳定生产。
含硫钢生产难度较大主要体现在一方面，硫元素与钢中的Ca发生反应，生产CaS、Al2O3夹杂物，两者夹杂物是造成水口结瘤的主要原因，此类钢种的可浇性变差，生产难度增加。另一方面，硫与钢中的Mn元素发生反应，生产MnS低熔点物质，铸坯在凝固过程中，主要受热应力、组织应力与机械应力的作用。其中热应力是连铸坯表面与内部温度不均匀、收缩不一致而产生的应力，主要是在二次冷却区之前及二次冷却区。铸坯一般在结晶器内产生裂纹源，通过二次冷却，低熔点物质的析出，使裂纹形成二次扩展。由于方坯角部为二维传热皮下裂纹多数产生在近角部位置。在相同的工艺参数下，含硫中碳钢发生皮下裂纹缺陷比例要比普通中碳钢皮下裂纹发生比例高出20％以上，出现含硫钢结瘤的问题。
发明内容
为解决现有技术中冶金生产钢丝线中含硫钢结瘤的问题，本发明提供了高质量含硫中碳合金钢及其制备方法。
本发明的技术方案：一种高质量含硫中碳合金钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)初炼炉冶炼，初炼炉配料包括质量百分数为80-85％的铁水、质量百分数为15-20％的废钢；出钢含量中C的质量百分数≥0.10％、出钢温度为1620～1640℃；
(2)精炼位，到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度40-50℃时，停止送电，进行测量取样，判定钢中成分；加入石灰100-300kg，萤石0-100kg，碳化硅70-80kg，碳粉30-50kg；二次送电加入碳化硅40-50kg、碳粉20-30kg、Al粒20～30kg；精炼后钢种中硫的含量≤0.005％；
(3)真空VD/RH：控制真空度≤67Pa，保持时间≥20min；破真空后根据真空前Al及真空过程铝损，按目标的质量百分数0.025％-0.030％一次喂入铝线，按开浇炉次150m/炉、连浇炉次120m/炉喂入硅钙线，间隔时间≥8分钟后喂入硫线达到成分内控，取样钢种成分达到内控要求后，开始计算软吹时间≥30min；
(4)连铸：生产前对中间包进行烘烤，冲击区中间包烘烤温度≥1200℃；浇注区域温度≥1050℃；对中包水口进行烘烤≥950℃；开浇前对中间包内进行吹氩气操作≥5min；操作结束后对中间包内的取样口使用石棉粘进行封堵，浇注，出钢。
所述步骤(2)中确定钢种中硫的含量≤0.005％后，控制白渣时间≥20min，软吹时间≥20min。
所述步骤(3)中真空后将硫元素补加至内控；并开始计算软吹时间，软吹时间≥30min。
所述步骤(1)中，铁水的成分为P的质量百分数≤0.12％、Si的质量百分数0.30％-0.65％、S的质量百分数≤0.045％。
所述步骤(4)中连铸的工艺参数为拉速：0.70-0.75m/min、比水量：0.20-0.30L/kg、分配比36/39/25、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz。
在出钢过程中，先向钢中加入C粉，再向钢中加入铝锭进行沉淀脱氧，进行合金化。
对出钢进行合金化处理后，按钢种成分要求的下线±2进行调整。
在所述制备方法的全过程中采用氩气保护。
另一方面，本发明提供一种高质量含硫中碳合金钢，采用上述制备方法制备得到。
本发明的有益效果：
本发明通过对合金钢制备方法的改进，到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度40℃时，停止送电进行测量取样，判定钢中成分。加入石灰，萤石，扩散脱氧剂碳化硅，碳粉；二次送电扩散脱氧剂使用碳化硅、碳粉、Al粒；控制白渣时间≥20min。软吹时间≥20min，保证渣面微动。先将钢水中的S含量去除，后续在将S补充，减少钢种S与钢种的其余化学元素反应生产夹杂物，解决了冶金生产钢丝线中含硫钢结瘤的问题；并且具有操作简单的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1横向低倍检验结果示意图；
图2本发明实施例1纵向低倍检验结果示意图；
图3为本发明实施例1偏析检验结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明提供一种高质量含硫中碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼炉冶炼使用80-85％的铁水与20-25％的废钢，铁水的成分为P的质量百分数≤0.12％、Si的质量百分数0.30％-0.65％、S的质量百分数≤0.045％；铁水温度≥1200℃。出钢C≥0.10％、P≤0.012％、出钢温度1610-1640℃。
(2)精炼位先将钢中的S元素脱去保证S含量≤0.005％。在二次送电前保证成分全部内控。
(3)真空后将硫元素补加至内控，开始计算软吹时间。
(4)当所有成分调整为内控时，开始计算软吹时间，软吹时间≥20min。浇次头炉可适当增加钢水温度，提高连铸的可浇性。保证渣面微动，防止钢水接触控制造成二次氧化。
(5)连铸开浇前对中间包使用氩气进行吹扫，吹扫时间≥5min，减少中间包内有害气体。
(6)全程使用氩封保护，防止钢水二次氧化。
(7)连铸过程中间包包含保证恒温、恒速拉坯，二冷使用弱冷模式。
(8)连铸工艺参数：拉速0.70m/min，二冷比水量0.2L/kg、分配比38/38/24、结晶器水量2450L/min、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz、轻压下参数0/2/4/4。该工艺参数下生产铸坯中心疏松≤1级、缩孔≤0级、无裂纹缺陷。
使用五机五流250*280大方坯连铸机进行生产，拉速：0.70m/min、比水量：0.20kg/t(静态模式)；二冷段分配比38/38/24、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz。轻压下参数0/2/4/4该工艺参数下铸坯低倍评级中心疏松≤1级、缩孔≤0.5级、偏析检验≤1.05。中心偏析指数≤1.08。
连铸生产前对中间包进行吹氩操作，减少中间包内的氧含量，从而减少钢水二次氧化。
其中：(1)初炼炉控制
1)初炼炉配料85％铁水、15％的废钢，使其释放出最大的热能，保证出钢C≥0.10％、出钢温度1620～1640。
2)合金提前进行烘烤，保证与钢水接触时减少钢水的热量损失，做好深脱氧最大限度的保证合金收得率。
3)出钢过程中先向钢中加入C粉与钢水中的氧发生反应，生成CO2，在向钢中加入铝锭进行沉淀脱氧，待出钢进行1/2时，进行合金化，最大限度提高合金的收得率，减少成本。
(2)精炼位(LF)
1)到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度40℃时，停止送电进行测量取样，判定钢中成分。
2)加入石灰100-300kg，萤石0-100kg，扩散脱氧剂碳化硅70-80kg，碳粉30-50Kg。二次送电扩散脱氧剂使用碳化硅40-50kg、碳粉20-30Kg、Al粒20～30kg。
3)对钢水成分进行微调，保证成分进入内控范围内，同时保证S元素控制≤0.003％。此时钢中的有害元素最少。
4)当成分完全进入内控后离站。
(3)真空操作
1)真空后将硫元素补加至内控。开始计算软吹时间≥20min。
2)精炼位做到先脱硫后补加硫的方法进行。
(4)连铸
1)恒温恒速：拉速和温度是控制铸坯质量的重要因素，通过过热度和拉速的控制降低铸坯成分偏析，同时稳定末端凝固位置，配合轻压下使铸坯质量达到预期的效果。
2)冷却制度：由于凝固过程自然选分结晶的结果，铸坯凝固过程中会造成成分的偏析，所以合理控制冷却是解决铸坯偏析的一个重要手段。若二冷强度不够，铸坯回温大，柱状晶在生长过程中体积膨胀不断扩张易造成铸坯鼓肚及凹陷，产生角裂缺陷。若二冷强度太大，铸坯在凝固过程中柱状晶发达，影响铸坯内部组织及成分的均匀性甚至是穿晶。所以要保证冷却强度足够，冷却水量分配合理。
3)电磁搅拌技术：电磁搅拌作为目前改善铸坯偏析指数的重要技术，一方面抑制柱状晶发展、促进成分均匀与夹杂物上浮细化的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织改善铸坯质量。另一方面增加钢液流动，提高了凝固相间的热传递，有利于降低过热度，减小凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大。
4)控制铸坯表面温度回温，使其在一定的回温范围，防止钢水反复回温造成热应力过大。
本发明解决了冶金生产钢丝线中含硫钢结瘤的问题；并且具有操作简单的优点。
实施例1
(1)初炼炉冶炼，初炼炉配料包括85％的铁水、15％的废钢；出钢含量中C为0.10％、出钢温度为1620℃；铁水的成分为P为0.12％、Si为0.5％、S为0.045％；
(2)精炼位，到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度40℃时，停止送电，进行测量取样，判定钢中成分；加入石灰100kg，，碳化硅70kg，碳粉30kg；二次送电加入碳化硅40kg、碳粉20kg、Al粒20kg；精炼后钢种中硫的含量为0.005％；控制白渣时间为20min；软吹时间为20min；
(3)真空VD/RH：控制真空度为67Pa，保持时间为20min；破真空后根据真空前Al及真空过程铝损，按目标0.025％一次喂入铝线，按开浇炉次150m/炉、连浇炉次120m/炉喂入硅钙线，间隔时间为8分钟后喂入硫线达到成分内控，取样钢种成分达到内控要求后，开始计算软吹时间为30min；
(4)连铸：生产前对中间包进行烘烤，冲击区中间包烘烤温度为1200℃；浇注区域温度为1050℃；对中包水口进行烘烤为950℃；开浇前对中间包内进行吹氩气操作为5min；操作结束后对中间包内的取样口使用石棉粘进行封堵，做好保护浇注。连铸的工艺参数为拉速：0.70m/min、比水量：0.20L/kg、分配比36/39/25、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz。所述步骤(1)中，在出钢过程中，先向钢中加入C粉，再向钢中加入铝锭进行沉淀脱氧，进行合金化。所述制备方法的全过程中采用氩气保护。
一种高质量含硫中碳合金钢，采用制备方法制备得到。
参照附图1-3，中心疏松≤1级、缩孔≤0.5级、中心偏析指数≤1.08。无皮下裂纹缺陷。
实施例2
一种高质量含硫中碳合金钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)初炼炉冶炼，初炼炉配料包括80％的铁水、20％的废钢；出钢含量中C为0.20％、出钢温度为1640℃；铁水的成分为P为0.02％、Si 0.3％、S为0.035％。
(2)精炼位，到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度45℃时，停止送电，进行测量取样，判定钢中成分；加入石灰100kg，萤石100kg，碳化硅70kg，碳粉30kg；二次送电加入碳化硅50kg、碳粉30kg、Al粒30kg；精炼后钢种中硫的含量为0.003％；控制白渣时间为30min；
(3)真空VD/RH：控制真空度为66Pa，保持时间为22min；破真空后根据真空前Al及真空过程铝损，按目标0.030％一次喂入铝线，按开浇炉次150m/炉、连浇炉次120m/炉喂入硅钙线，间隔时间为9分钟后喂入硫线达到成分内控，取样钢种成分达到内控要求后，开始计算软吹时间为40min；
(4)连铸：生产前对中间包进行烘烤，冲击区中间包烘烤温度为1250℃；浇注区域温度为1080℃；对中包水口进行烘烤为1050℃；开浇前对中间包内进行吹氩气操作为6min；操作结束后对中间包内的取样口使用石棉粘进行封堵，做好保护浇注。连铸的工艺参数为拉速：0.70-0.75m/min、比水量：0.20-0.30L/kg、分配比36/39/25、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz。步骤(1)中，在出钢过程中，先向钢中加入C粉，再向钢中加入铝锭进行沉淀脱氧，进行合金化。在所述制备方法的全过程中采用氩气保护。
一种高质量含硫中碳合金钢，采用上述制备方法制备得到。
实施例3
(1)初炼炉冶炼，初炼炉配料包括83％的铁水、17％的废钢；出钢含量中C为0.10％、出钢温度为1630℃；铁水的成分为P为0.12％、Si为0.65％、S为0.045％。
(2)精炼位，到位钢水进行一次送电升温，当钢水温度大于液相线温度50℃时，停止送电，进行测量取样，判定钢中成分；加入石灰200kg，萤石50kg，碳化硅75kg，碳粉40kg；二次送电加入碳化硅44kg、碳粉25kg、Al粒25kg；精炼后钢种中硫的含量为0.005％；控制白渣时间为20min。软吹时间为20min；
(3)真空VD/RH：控制真空度为67Pa，保持时间为20min；破真空后根据真空前Al及真空过程铝损，按目标0.025％-0.030％一次喂入铝线，按开浇炉次150m/炉、连浇炉次120m/炉喂入硅钙线，间隔时间为8分钟后喂入硫线达到成分内控，取样钢种成分达到内控要求后，开始计算软吹时间为30min；
(4)连铸：生产前对中间包进行烘烤，冲击区中间包烘烤温度为1200℃；浇注区域温度为1050℃；对中包水口进行烘烤为950℃；开浇前对中间包内进行吹氩气操作为5min；操作结束后对中间包内的取样口使用石棉粘进行封堵，做好保护浇注。连铸的工艺参数为拉速：0.72m/min、比水量：0.23L/kg、分配比36/39/25、首搅参数150A/2Hz、末搅参数100A/8Hz。
在所述制备方法的全过程中采用氩气保护。
一种高质量含硫中碳合金钢，采用制备方法制备得到。
本发明通过对合金钢制备方法的改进，先将钢水中的S含量去除，后续在将S补充，减少钢种S与钢种的其余化学元素反应生产夹杂物，解决了冶金生产钢丝线中含硫钢结瘤的问题；并且具有操作简单的优点。
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