一种基于合金化超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼方法
技术领域
本发明属于钢铁冶炼工艺
技术领域
，具体涉及一种基于合金化超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼方法。背景技术
伴随着我国汽车、道路交通、桥梁建设、海洋工程装备等飞速发展，汽车轮胎子午线用钢帘线、桥梁缆索钢丝、海工钢丝绳、预应力钢绞线等硬线品种也快速朝着高强化、资源节约型方向升级。高碳硬线钢将持续往高强化、精细化、绿色制造、资源节约方向发展，如桥梁缆索钢下一步将向2100MPa发展，进一步减轻自重、减小风阻；轮胎用钢丝帘线的强度将超过4000Mpa级；金刚线强度超过5000MPa，单丝直径可拉拔至0.05mm以下。高碳硬线钢盘条的高均质性和高纯净度冶炼技术将是高碳硬线钢品种开发升级的关键核心动力。高碳硬线钢种的性能提升对钢铁冶炼工艺提出了严苛的技术要求。
目前中国钢铁企业可以稳定生产普通强度、高强度级别、少量的超高强度的钢帘线用盘条，桥梁缆索最高达到2000Mpa级别，预应力钢绞线仍维持在1860Mpa水平，更高强度的产品仍主要依赖进口，进口地主要为日本、韩国和欧盟等国家和地区。为了实现超高强及特高强度高碳硬线钢的国产化，对超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼水平提出了更大的挑战。
为实现超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼稳定生产，需要对超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼工艺进行创新优化，攻克合金化成分的精确控制、钢中夹杂物控制、中心碳偏析控制等技术难题。
专利文献CN107794332A，一种90级超高强度帘线钢的冶炼方法：提出了一种90级超高强度帘线钢的冶炼方法，包括转炉冶炼、LF精炼、连铸保护浇注等工序操作要点。此专利是针对90级帘线钢的各工序成分控制、渣料控制、保护浇注连铸等提出了冶炼方法，并不适用于基于合金化超高强及特高强度及硬线钢种的冶炼，同时对碳、合金元素的偏析控制的技术难题并未涉及。
专利文献CN103060513A，一种冶炼帘线钢的方法和一种连铸帘线钢的方法：提出了一种采用“转炉初炼-真空精炼-钢包炉精炼-大方坯连铸浇注”的工艺流程生产帘线钢，实现帘线钢的洁净化生产。此专利主要提出在转炉、真空精炼、钢包精炼等工序成分的控制和钢液洁净度控制，对碳、合金元素的偏析控制未涉及。合金化高碳硬线钢冶炼可不采用此工艺流程，同样实现高强硬线钢种冶炼的高洁净度。
专利文献CN201510437468.1，一种生产高强度桥索钢盘条的方法，该方法包括连铸、轧制等工序的工艺参数控制，但对高均质化、高洁净度等控制方法并未提及。
专利文献CN201610790875.5，一种高强度钢钒氮微合金化的冶炼方法，提出了一种从高炉出铁、转炉冶炼、吹氩、连铸、轧钢等工序的加入钒氮微合金化钢种的冶炼方法。但与本专利不同的是此专利合金化主要采用加硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钒(V)等合金元素，同时此专利并未提及碳、合金元素的偏析控制和钢材纯净度控制技术。
发明内容
本发明提供了一种基于合金化超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼方法，克服现有合金化成分的精确控制、钢中夹杂物控制、中心碳偏析控制等技术难题等问题。
本发明提供的一种基于合金化超高强及特高强度高碳硬线钢的冶炼方法，所述方法依次包括如下步骤：铁水预处理脱硫、转炉吹炼、精炼、连铸成坯，所述转炉吹炼采用双联法转炉吹炼，所述精炼采用钢-渣界面张力调整方法，所述连铸轻压下采用压力与位移平衡控制方法，所述高碳硬线钢其组分及重量百分比：C：0.84-1.2％、Si：0.15-1.5％、Mn：0.15-0.80％、 Cr：0.10-0.80％、P：≤0.015％、S：≤0.010％、Ni：0.0001-0.30％、V：0.0005-0.30％、Cu：≤0.05％、Al：≤0.10％、N：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述转炉吹炼的步骤中，脱磷炉吹炼时枪位控制为1100-1300mm，供氧流量为 7000-12000m3/h，吹炼结束时提枪后在“零位”状态等待1分钟，然后摇炉倒渣。
优选的，所述脱磷炉转炉碱度R控制在1.9-2.3，半钢出钢温度控制在1300-1500℃，脱磷炉出钢过程中加入增碳剂，脱磷炉氧耗控制在10-12m3/t。
优选的，所述转炉吹炼的步骤中，脱碳炉加入半钢水全炉，不加废钢，脱碳炉点火枪位 1500-1600mm，点火流量10000-12000m3/h，点火一分钟后采用手动阶梯式方法增加氧枪供氧量，冶炼后期逐渐降低吹氧流量。
优选的，所述脱碳炉转炉碱度R控制在3.0-5.0，出钢温度控制在≥1605℃，为确保拉碳一次成功，出钢碳含量控制在0.20-0.30％。
优选的，所述精炼步骤，在精炼前期送电5-15分钟后，在顶渣中加入氯钙化渣剂，将钢渣界面张力控制在1.25-1.70N/m。
优选的，所述连铸步骤，连铸生产前对轻压下各压下辊进行辊缝值初始标定，根据结晶器铜管出口尺寸，及各高碳钢种冷却收缩性，将拉矫机第一辊缝值设定为184.5-185.5mm，标定时上下辊压力差稳定在0.9-1.5Mpa，各辊缝值标定误差值≤0.5mm。
优选的，建立各级别钢种各压下辊轻压下标准压力值，若实际拉力值低于标准值0.1-0.5Mpa，则将位移模式下的实际压下量增加0.2mm，反之，则将实际压下量减小0.2mm。
本发明的有益效果：
创新实施了转炉双联法高效硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钒(V)合金化冶炼方法，提高合金收得率，降低生产成本；
精炼过程中采用钢-渣界面张力调整控制技术，减少顶渣卷入，提高钢液纯净度；
连铸轻压下采用压力与位移平衡控制方式，提高铸坯内部均质化稳定水平。
附图说明
图1为本发明实施例1C97D2Cr帘线钢的C偏析指数分布图，
图2为本发明实施例2QS92Si硬线钢的ASPEX扫描电镜夹杂物分析结果图，
图3为本发明实施例2QS92Si硬线钢的C偏析指数分布图。
图4为本发明实施例3中QS87MnSi高碳钢的ASPEX扫描电镜夹杂物分析结果图，
图5为本发明实施例3中QS87MnSi高碳钢的C偏析指数分布图。
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，以下结合附图及实施例，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于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例1
选择生产牌号C97D2Cr帘线钢的一炉钢，该钢种其组分及重量百分比：C：0.97％、Si： 0.20％、Mn：0.35％、Cr：0.10％、P：0.010％、S：0.005％、Ni：0.0001％、V：0.0005％、Cu：0.04％、Al：0.003％、N：0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质。冶炼方法依次包括铁水预处理脱硫、转炉吹炼、精炼、连铸成坯。所述铁水预处理脱硫采用KR脱硫或颗粒镁脱硫，所述精炼采用LF精炼、RH真空精炼，所述连铸为连铸150mm-240mm方坯或矩形坯浇注。具体的，采用双联法转炉吹炼，提高合金收得率。
(1)为提高脱磷能力，降低冶炼成本，脱磷炉吹炼时枪位控制为1200mm，供氧流量为 9000m3/h；吹炼结束时提枪后在“零位”状态等待1分钟，然后摇炉倒渣。
(2)脱磷炉转炉碱度R控制在2.0，半钢出钢温度控制在1350℃，脱磷炉出钢过程中加入了300kg增碳剂；脱磷炉氧耗控制在11.2m3/t，达到国内外双联转炉氧耗控制先进水平。
(3)为保证热量平衡，脱碳炉加入半钢水全炉，不加废钢；脱碳炉点火枪位1550mm，点火流量10000m3/h，一分钟后采用手动阶梯式方法增加氧枪供氧量，冶炼后期逐渐降低吹氧流量。
(4)脱碳炉转炉碱度R控制在3.5，出钢温度控制为1613℃，拉碳一次成功，出钢碳含量控制在0.25％，可将氧含量控制在较低水平，为提高合金收得率创造了优越的热力学条件。
(5)出钢前1分钟先后加入230kg碳化硅和200k含铝顶渣；强搅拌(钢包底部吹气阀门开至最大)1分钟后，低氮增碳剂，炉后配碳目标0.90％；再强搅拌1分钟后加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、镍铁等合金。
(6)经计算，该炉钢转炉后的碳的回收率达到了93％，Si合金收得率达到了92％，Mn、 Cr和Ni合金的收得率达到了99.89％，大大降低了合金消耗，降低冶炼成本。
精炼过程采用钢-渣界面张力调整方法，减少顶渣卷入，提高钢液纯净度。精炼过程中，反应发生在渣-气、钢-气、渣-钢之间的相界面上，表面张力和界面张力是相界面的一个重要的热力学性质，在实际冶炼过程中也就是决定了钢渣之间的润湿情况，即决定了钢渣混合后分离的难易程度。
在精炼过程中发生卷渣，卷入的渣子在钢液中存在渣、钢等所有相界面间相互吸引称之为附着力(也叫黏着力)；两相分离时所做的功叫做附着功(也叫黏附功)，用W附或WA表示(如单位面积为1单位时)计算公式为：
W附＝σ钢-气+σ渣-气-σ钢-渣 (1)
式中，σ钢-气—钢液的表面张力；σ渣-气—渣子的表面张力；σ钢-渣—钢渣的界面张力。
W附值越大表示钢、渣黏合(吸引)力大，分离困难；W附＝0时为完全不相混的液体，也就是理想条件下钢渣最容易分离。
为了减少精炼过程顶渣卷入，提高钢液纯净度，本专利提出了钢渣界面张力调整冶炼技术，减小渣子表面张力，同时增大钢渣界面张力冶炼技术，具体的，(7)在精炼前期送电8 分钟后，在顶渣中加入120kg氯钙化渣剂，将钢渣界面张力控制在1.32N/m。
连铸轻压下采用压力与位移平衡控制方法，提高铸坯内部均质化稳定水平。
连铸轻压下是高碳钢种控制偏析的重要技术手段，但高碳高合金钢种轻压下偏析的稳定性控制难度较大，本实施例经过理论分析与生产实践，通过采用压力与位移平衡控制方法，有效提高了轻压下技术解决偏析控制的稳定性。具体的，
(8)连铸生产前对轻压下各压下辊进行辊缝值初始标定，拉矫机第一辊缝值设定为185.0 mm，标定时上下辊压力差稳定在1.0Mpa，各辊缝值标定误差值≤0.3mm。
(9)各流第3、4对辊实际拉力值低于标准值0.2-0.3Mpa，则将位移模式下的实际压下量增加0.2mm。
(10)经取24支试样成品检测，夹杂物最大尺寸≤15μm，半成品1#剪试样最大偏析指数为1.04。
表一夹杂物尺寸检测结果
半成品1#剪试样C偏析指数参照图1，C偏析指数达到了≤1.04的水平，从检测结果来看，C元素分布均匀性较好，达到了较高的控制水平。
实施例2
选择生产牌号QS92Si钢的一炉钢，该钢种其组分及重量百分比：C：0.92％、Si：0.95％、 Mn：0.55％、Cr：0.37％、P：0.008％、S：0.002％、Ni：0.0001％、V：0.0005％、Cu：0.04％、 Al：0.032％、N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。具体实施过程如下：
(1)脱磷炉吹炼时枪位控制为1290mm，供氧流量为9200m3/h；吹炼结束时提枪后在“零位”状态等待1分钟，然后摇炉倒渣。
(2)脱磷炉转炉碱度R控制在2.0，半钢出钢温度控制在1389℃，脱磷炉出钢过程中加入了350kg增碳剂；脱磷炉氧耗控制在11.56m3/t，达到国内外双联转炉氧耗控制先进水平。
(3)脱碳炉加入半钢水全炉，不加废钢；脱碳炉点火枪位1600mm，点火流量12000m3/h，一分钟后采用手动阶梯式方法增加氧枪供氧量，冶炼后期逐渐降低吹氧流量。
(4)脱碳炉转炉碱度R控制在4.3，出钢温度控制为1620℃，拉碳一次成功，出钢碳含量控制在0.28％。
(5)出钢前1分钟先后加入300kg碳化硅和200kg含铝顶渣；强搅拌1分钟后，低氮增碳剂，炉后配碳目标0.89％；再强搅拌1分钟后加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、镍铁等合金。
(6)该炉钢转炉后的碳的回收率达到了91％，Si合金收得率达到了90％，Mn、Cr和Ni 合金的收得率达到了99.92％，大大降低了合金消耗，降低冶炼成本。
(7)在精炼前期送电10分钟后，在顶渣中加入180kg氯钙化渣剂，将钢渣界面张力控制在1.42N/m。
(8)连铸生产前对轻压下各压下辊进行辊缝值初始标定，拉矫机第一辊缝值设定为184.9 mm，标定时上下辊压力差稳定在0.89Mpa，各辊缝值标定误差值≤0.43mm。
(9)各流第5、6对辊实际拉力值低于标准值0.28Mpa，则将位移模式下的实际压下量增加0.2mm。
硬线钢QS92Si高碳钢种经ASPEX扫描电镜夹杂物分析，夹杂物成分及数量控制如图2所示，由图2夹杂物检测结果可以看出，夹杂物的尺寸＜10微米，达到了较高的洁净度控制水平。
碳偏析指数如图3所示，C偏析指数达到了≤1.06的水平，从检测结果来看，C元素分布均匀性较好，可满足超高强及特高强度高碳硬线钢质量要求。
实施例3
选择生产牌号QS87MnSi钢的一炉钢，该钢种其组分及重量百分比：C：0.87％、Si：1.03％、 Mn：0.63％、Cr：0.37％、P：0.008％、S：0.002％、Ni：0.0001％、V：0.13％、Cu：0.04％、Al： 0.028％、N：0.0026％，余量为Fe和不可避免的杂质。具体实施过程如下：
(1)脱磷炉吹炼时枪位控制为1200mm，供氧流量为9600m3/h；吹炼结束时提枪后在“零位”状态等待1分钟，然后摇炉倒渣。
(2)脱磷炉转炉碱度R控制在2.10，半钢出钢温度控制在1400℃，脱磷炉出钢过程中加入了360kg增碳剂；脱磷炉氧耗控制在10.86m3/t，达到国内外双联转炉氧耗控制先进水平。
(3)脱碳炉加入半钢水全炉，不加废钢；脱碳炉点火枪位1560mm，点火流量11000m3/h，一分钟后采用手动阶梯式方法增加氧枪供氧量，冶炼后期逐渐降低吹氧流量。
(4)脱碳炉转炉碱度R控制在3.96，出钢温度控制为1632℃，拉碳一次成功，出钢碳含量控制在0.29％。
(5)出钢前1分钟先后加入300kg碳化硅和200kg含铝顶渣；强搅拌1分钟后，低氮增碳剂，炉后配碳目标0.89％；再强搅拌1分钟后加入硅铁、锰铁、铬铁、钒铁、镍铁等合金；
(6)该炉钢转炉后的碳的回收率达到了93％，Si合金收得率达到了92％，Mn、Cr和Ni 合金的收得率达到了99.96％，大大降低了合金消耗，降低冶炼成本。
(7)在精炼前期送电10分钟后，在顶渣中加入200kg氯钙化渣剂，将钢渣界面张力控制在1.53N/m。
(8)连铸生产前对轻压下各压下辊进行辊缝值初始标定，拉矫机第一辊缝值设定为184.8 mm，标定时上下辊压力差稳定在0.92Mpa，各辊缝值标定误差值≤0.36mm。
(9)各流第3、5对辊实际拉力值低于标准值0.19Mpa，则将位移模式下的实际压下量增加0.2mm。
硬线钢QS87MnSi高碳钢种经ASPEX扫描电镜夹杂物分析，夹杂物成分及数量控制如图4 所示，由图4夹杂物检测结果可以看出，夹杂物的尺寸＜10微米，达到了较高的洁净度控制水平。
碳偏析指数如图5所示，C偏析指数达到了≤1.05的水平，从检测结果来看，C元素分布均匀性较好，可满足超高强及特高强度高碳硬线钢质量要求。
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