汽车用高品质非调质钢中非金属夹杂物研究 - 图文-

1、汽车用高品质非调质钢中非金属夹杂物研究汽车用高品质非调质钢中非金属夹杂物研究卓晓军1 杨成威1 王万军1 王新华1崔京玉2 常开地2 王 坤2 (1.冶金与生态工程学院,北京科技大学,北京100083;2.首钢技术研究院,首钢集团,北京100041摘要对采用“顶底复吹转炉炼钢-LF精炼-VD真空处理-喂硫线增硫”工艺路线,生产汽车用非调质钢铸坯的全过程,特别是对非金属夹杂物进行了系统的研究。试验证明采用本研究制定工艺路线,非调质钢P含量控制在0.012%以下,TO含量控制到0.001%左右。LF精炼过程钢水N含量呈略微增加。而钢水TO含量降低较快,TO由0.04%降低至0.002%。钢中夹杂物

2、以纯MnS夹杂物为主,有少量的氧化物MnS复合夹杂物。经过VD真空处理,钢水TO含量由LF精炼结束时的0.002%降低至0.0011%,N则由LF结束时的0.008%降低至0.0048%。氩气软吹后,钢液的TO增加了0.0002%。经真空处理后以及喂线后,钢水试样中除硫化物之外,已很难发现氧化物类夹杂。浇铸过程中间包钢水试样中非金属夹杂物,绝大多数夹杂物为钢水凝固末期生成的硫化物和氮化物,很难观察到氧化物类夹杂物。连铸坯中观察到的非金属夹杂物绝大部分是纯MnS夹杂物,尺寸较大呈浅色不规则形状。铸坯中能观察到一些氧化物夹杂,这些氧化物和MnS组成复合的夹杂物,呈深色在MnS夹杂物的中心,其尺寸较

3、小约为2m,此类夹杂物是由于保护浇铸不善而产生的。此外还能观察到尺寸较小的TiN-VN类夹杂物,为凝固末端生成。关键词非调制钢超低氧LF精炼VD真空处理非金属夹杂物Study on Non-metallic Inclusions of High Quality MicroalloyedForging Steel for AutomobileZhuo Xiaojun1Yang Chengwei1Wang Wanjun1Wang Xinhua1Cui Jingyu2Chang Kaidi2Wang Kun2(1.School of Metallurgical and Ecological Engi

4、neering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083;2.Technical Research Institute,Shougang Group,Beijing, 100041Abstract The manufacture process and non-metallic inclusions of microalloyed forging steel for Automobile was investigated systematically. Phosphorus content and total

5、content could be control below 0.012%and around 0.001% respectively with this technics. During ladle furnace (LF refining process, nitrogen content increased a little bit, while total oxygen content decreased rapidly from 0.04%to 0.002%. MnS inclusions were dominant with few oxide inclusions in stee

6、l. During vacuum degasser (VD treatment, total oxygen content deceased from 0.002%to 0.0011%, while nitrogen content decreased from 0.008%to 0.0048%too. After soft blowing, total oxygen content increased 0.0002%. After VD vacuum treatment, no oxide inclusion could find except MnS inclusion. During t

7、he casting, there was no oxide to be found.Only MnS and carbide inclusions were found which were expected to be formed at the end of solidification. Most inclusions were pure MnS with irregular shape and large size in the slab. But a few complex inclusion (oxide with MnS could be found with around 2

8、m, where oxide was located at the center wrapped by MnS. These oxide in complex inclusion formed because of unperfected protecting casting. Although small TiN-VN inclusions could be found which formed at end of solidification.Key words microalloyed forging steel, ultra-oxygen, LF refining, VD vacuum

9、 treatment, non-metallic inclusion2007中国钢铁年会论文集1 引言非调质钢具有节能、环保、降低成本等优点,在日、德、美等国汽车行业的连杆、曲轴、半轴等轴类零件中广泛应用。对汽车用非调质钢除了要求具备良好强度、塑性和韧性等之外,还要求具备优良抗疲劳破坏性能,因此对钢的纯净度,特别是总氧含量和钢中非金属夹杂物控制非常严格。此外,由于需要改善非调质钢的切削性能,因此钢的硫含量较高18。为了生产中高档汽车用非调质钢,对日本产丰田轿车和德国产奥迪轿车用非调质钢半轴进行了分析检验。可以看到,国外中高档轿车用非调质钢采用铝脱氧工艺,铝含量在0.020%以上。此外,对钢总氧

10、TO含量控制严格,TO在0.0012%以下9。但是国外对生产高品质汽车用非调制钢的相关资料鲜有报道,对其生产技术严格保密。根据国外高品质非调质钢的成分和夹杂物控制特点,对非调质钢采用炼钢、精炼、连铸工艺进行了开发研究。通过试验研究,确定了“顶底复吹转炉炼钢LF精炼VD真空处理喂硫线增硫”工艺路线,生产出了达到国际最好水平洁净度的非调质钢铸坯,掌握了生产高品质汽车用非调制钢的核心技术。为此类高附加值钢种的国产化提供了理论基础和实践数据。2 实验过程2.1 实验工艺本试验采用BOF-LF-VD-CC工艺进行生产。在转炉工序时,铁水不经脱硫预处理,合理控制废钢加入量。采用挡渣出钢,出钢时加入硅、锰、

11、铝等合金和部分合成渣料。LF精炼时采用高碱度炉渣。为了加强LF精炼过程钢液搅拌,要求在不暴露钢液面条件下精炼增加底吹氩气流量。VD精炼时要求尽快达到深真空状态,并尽可能保持深真空脱气时间,根据包内沸腾情况调整氩气流量,防止溢渣。真空处理毕喂S线。连铸过程中,要求实施严格保护浇铸,使用碱性中间包。中间包用高碱性覆盖剂,液位、结晶器液位保持稳定。2.2 分析和检验为了用显微镜进行观察,试样被切割、机械打磨和抛光。对加工好的试样运用光学显微镜和扫描电镜(JEOL JSM-6480LV进行观察。钢中的夹杂物成分用带有全ZAF校正的X射线能谱仪(EDS进行分析和测量。在15kV的加速电压下,每个试样中至

12、少分析30个夹杂物。在分析过程中,运用面扫描技术分析夹杂物的平均化学成分。为了获得足够的元素峰值强度,每个分析的时间均在5min以上。在成分分析过程中,铁和氧元素不计入分析结果之中。不把铁元素含量计入分析结果是为了消除钢基体对夹杂物成分分析的影响。而不计入氧元素是因为对于科学分析而言,氧元素的分析结果并不准确。其他元素的含量规格化为100%的形式并以对应的氧化物、硫化物和碳氮化合物的质量百分比表示。3 结果与讨论3.1 转炉炼钢终点钢水成分转炉终点钢水碳含量对脱磷反应和钢水的氧化性有重要影响,为了降低终点钢水P含量,没有选用高拉碳工艺。由表1可以看到,当吹炼终点钢水碳在0.044%0.061%

13、时,P可以控制在0.007%以下。另外,为了避免钢水氧化性过高,对LF精炼生产超低氧钢不利,转炉终点C控制在0.04%以上。表1转炉吹炼终点钢水试样的化学成分(%C P S0.061 0.006 0.018汽车用高品质非调质钢中非金属夹杂物研究表2转炉吹炼终点炉渣试样化学成分(%TFe SiO2CaO MgO Al2O3MnO CaO/SiO222.4 9.56 50.1 6.24 1.14 1.51 5.24表2为试验炉次转炉吹炼终点炉渣试样化学成分。由表2和表3可以看到,钢水终点C、炉渣TFe含量和碱度对钢水终点P含量有较大影响,降低终点碳含量、提高炉渣TFe含量和碱度有利于提高转炉脱磷效

14、率。3.2 LF精炼过程钢水、炉渣成分变化及钢中的非金属夹杂物表3为LF精炼过程钢水试样的化学分析结果。可以看到,转炉出钢前钢水P脱除至0.006%,出钢后P回升至0.0073%,表明试验制定的转炉炼钢脱磷、出钢控制回磷的方案是可行的。由于出钢过程向包内加入部分造渣材料,出钢过程还可以脱硫,脱硫量可达0.001%。另外出钢后加入含铝合金有利于降低钢中TO含量,钢水到达LF站时的TO含量降低至0.002%。表3 LF精炼过程钢水试样化学分析结果(%试样C Si Mn P S TO N 转炉结束0.061 0.006 0.018 0.04 0.0059 LF到站0.26 0.27 1.12 0.0

15、073 0.017 0.002 0.0059 LF造渣结束0.33 0.29 1.26 0.0083 0.007 0.0019 0.0071 LF结束0.48 0.34 1.37 0.0096 0.005 0.002 0.008图1为LF精炼过程钢水N和TO含量的变化。可以看到,LF精炼过程钢水N含量呈略微增加。从LF到站到LF造渣结束,N含量由0.0059%增加至0.0071%,但随后N含量便很少增加。由图1看到,从转炉结束到LF到站过程中,钢水TO含量降低较快,TO由0.04%降低至0.002%。在LF精炼过程,TO含量继续降低,LF精炼结束后TO含量分别为0.002%,达到了非常高洁净度

16、水平。图2是试验中LF精炼过程炉渣成分的变化。可以看到炉渣碱度均较高,在LF精炼过程中均为5左右,保持较为平稳。而炉渣中TFe含量变化较大,从转炉结束的22.4%降到LF到站时的6.82%,当LF精炼结束时为3.44%。这和钢水中TO含量的变化相吻合。 图1 LF精炼过程钢水N和TO含量变化图2 第1炉LF精炼过程炉渣组成的变化 对于超低氧钢,炉渣碱度偏低或S iO2含量偏高,会发生式(1表示的反应,造成钢液二次氧化和钢中Al2O3夹杂物增加。4Al+3(SiO2=2(Al2O3+3Si (1日本山阳特殊钢等企业冶炼超低氧含量的轴承钢,要求碱度CaO/SiO2控制在57,炉渣SiO2含量低于2

17、007中国钢铁年会论文集10%。本次试验在LF精炼过程,炉渣SiO2含量绝大多数在8%15%。为了进一步降低钢液氧含量,应适当提高炉渣碱度,并将SiO2含量控制在10%以下9。图3为LF到站钢水试样中观察到的典型非金属夹杂物照片,表4为对应扫描电镜能谱分析得到的非金属夹杂物化学组成。可以看到,LF精炼前由于对钢水加入铝进行直接脱氧,钢中TO含量很低,而且出钢过程中全程底吹氩气,有利于夹杂物的上浮去除,因此观察到的Al2O3个数很少。钢水中发现含有少量的SiO2、CaO和MnS的复合夹杂物,如图3a中夹杂物所示。颜色较深的部分主要为氧化物,而颜色较浅的部分主要为MnS。而钢中S较高,因此观察到的

18、非金属夹杂物主要为纯MnS夹杂物,如图3b中夹杂物所示。大部分MnS夹杂物尺寸较小为23m,且形貌呈不规则形状。 图3 LF精炼前钢水试样中非金属夹杂物表4图3所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 6.59 88.68 4.74b 100图4为LF造渣结束后钢水试样中观察到的典型非金属夹杂物照片,表5为对应扫描电镜能谱分析得到的非金属夹杂物化学组成。从LF到站到LF造渣结束过程中,向钢水加入铝进行直接脱氧。可以看到,LF 造渣结束后钢中TO含量进一步降低。此时观察到钢中夹杂物中Al2O3含量增加(10%75%,与此同时由于LF炉造渣过

19、程,夹杂物中CaO含量也相应增加,与此同时此类氧化物夹杂成分中还发现一定的MnS 含量,所以此夹杂物为CaO-Al2O3-MnS复合夹杂物。而钢中MnS夹杂物仍然较多。大部分非金属夹杂物尺寸较小为23m,只有个别的尺寸在5m以上。 图4 LF造渣结束钢水试样中非金属夹杂物汽车用高品质非调质钢中非金属夹杂物研究表5图4所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiN MnOa 20.4 32.45 47.15b 100图5为LF精炼结束后钢水试样中观察到的典型非金属夹杂物照片,表6为对于扫描电镜能谱分析得到的非金属夹杂物化学组成。从LF造渣结束到LF

20、精炼结束过程中,对钢液成分进行了调整,加入一定量的S i、Mn合金。LF炉处理毕,喂SiCa线硅铁。可以看到,LF精炼结束后,此时观察到钢中夹杂物中S iO2含量进一步增加(2%70%,与此同时夹杂物中CaO含量也相应增加(2%37%。可以看出大部分夹杂物为复合夹杂物,即CaO-SiO2-MnS系复合夹杂物,其中夹杂物中CaO和SiO2含量比LF造渣结束后的进一步增加,如图5b所示。从形貌可以看出氧化物夹杂为核心,MnS围绕在氧化物周围。而夹杂物中的纯MnS仍然较多,如图5a所示。在LF造渣结束钢水试样中还观察到部分含有TiN和VN的夹杂物,如图5c 所示。此类夹杂物有可能是在钢水试样凝固过程

21、中产生的,尺寸较小为23m。 图5 LF炉精炼结束钢水试样中非金属夹杂物表6图5所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiN MnOa 100b 20.64 8.04 55.19 16.14c 0.36 1.78 28.5 69.06 0.33.3 VD真空处理后钢水、炉渣成分变化及钢中的非金属夹杂物LF精炼结束后由钢水包内倒出部分炉渣,然后运送至VD工位进行真空处理。真空处理开始后,要求尽快达到深真空状态,并尽可能保持深真空脱气时间大于15min,根据包内沸腾情况调整氩气流量,防止溢渣。真空处理完毕后,取钢水和炉渣试样。随后对钢水进行增硫等操

22、作,然后进行软吹氩搅拌。VD离站前取钢水和炉渣试样。表7为VD真空处理和软吹氩后钢水试样的化学成分。表7 VD真空处理后钢水试样的化学分析结果(%工序 C Si Mn P S Als Ca TO NVD破空后0.47 0.37 1.32 0.0100 0.005 0.024 0.0014 0.0011 0.0048 VD喂线后0.47 0.42 1.37 0.0092 0.045 0.019 0.0007 0.0013 0.0058图6为VD处理前后钢水TO、N、Als含量的对比。可以看到,经VD真空处理,钢水TO含量分别由LF精炼结束时的0.002%降低至0.0011%ppm,N则由LF结束

23、时的0.008%降低至0.0048%。经过软吹后,钢液的TO略有增加至0.0013%。在非调质钢的超低氧真空精炼的总氧含量控制方面,本研究达到了国际最好水平。 图6 VD前后钢水TO、N和Als含量 图7 VD破空后钢水试样中非金属夹杂物图7为VD破真空后提取的钢水试样中观察到的典型非金属夹杂物照片,表8为所对应的夹杂物化学成分。可以看到,经真空处理后,当钢水TO含量降低至11ppm以下后,钢水试样还能发现一些氧化物类夹杂。此类氧化物夹杂同MnS形成复合夹杂物。此类复合夹杂物同LF精炼结束后观察到的夹杂物类型类似,尺寸在23m,如图7a所示。与此同时还观察到大量的纯MnS夹杂,如图7b所示。而

24、试样中观察到的一些TiN-VN夹杂物则主要是在试样凝固后冷却过程中生成的,如图7c所示。表8图7所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 3.75 2.64 78.59 13.16 1.85b 100c 2.09 11.52 86.39VD解除真空后提取钢水试样,随后进行喂硫线增硫和喂硅钙线钙处理操作。图8为VD喂线后离站前提取的钢水试样中观察到的典型非金属夹杂物照片,表9为对应的夹杂物化学成分。可以看到,经真空处理以及喂线后,当钢水TO含量降低至13ppm,钢水试样中除硫化物之外,已很难发现氧化物类夹杂。这表明真空处理后的这段时间使氧化

25、物夹杂充分上浮去除。偶尔发现TiN-VN夹杂物则主要是在试样凝固后冷却过程中生成的,如图8b所示。a b图8 VD喂线后离站前钢水试样中非金属夹杂物表9图8所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 100b 9.05 28.99 61.963.4 连铸中间包内钢水成分及钢中的非金属夹杂物图9为连铸过程中间包内钢水试样的TO和N含量分析结果。可以看到,在中间包开浇初期,钢水N含量和VD结束时基本保持一致,表明中间包开浇阶段在保护浇铸方面做得比较好,由此使钢水TO含量较VD结束时减少了0.0002%。从浇铸后开始,中间包钢水N和TO含量机会保

26、持一致。到浇铸35min后,此时钢水TO含量则降低至0.001%,达到了非常高的洁净度。 图9 连铸过程中间包钢水TO、N含量变化图10为浇铸15min提取的中间包钢水试样中非金属夹杂物照片,表10为其化学成分。可以看到,非金属夹杂物主要有两类,一是纯的MnS夹杂物,尺寸较大,呈浅色不规则形状,可以推测是在凝固末期生成的。另一类是氧化物和MnS复合的夹杂物,呈深色尺寸较小,是含少量CaO-Al2O3-SiO2和MnS的复合夹杂物。 图10 中间包开浇15min时钢水试样中非金属夹杂物表10图10所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 1

27、00b 24.69 31.44 15.13 4.25图11为浇铸25min提取的中间包钢水试样中非金属夹杂物照片和EDS能谱分析图。可以看到,观察到的非金属夹杂物只有一类,即纯的MnS夹杂物,尺寸较大,呈浅色不规则形状,可以推测是在凝固末期生成的。没有发现氧化物。 图11 中间包开浇25min时钢水试样中非金属夹杂物图12为浇铸35min提取的中间包钢水试样中非金属夹杂物照片,表11为对应夹杂物的化学成分。可以看到,与开浇25min钢水中夹杂物相比,又能观察到氧化物夹杂,含有少量MgO、SiO2、CaO和Al2O3复合夹杂物。此类氧化物和MnS形成复合夹杂物,如图12a所示。观察到的另一类夹杂

28、物为纯MnS夹杂物,尺寸较大,形状不规则,可以推测是在凝固末期产生的,如图12b所示。此外还观察到TiN-VN夹杂物,如图12c所示,此类夹杂物为试样凝固过程中或凝固以后生成的,尺寸较小。 图12 中间包开浇35min时钢水试样中非金属夹杂物表11图12所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 3.97 21.33 3.44 60.23 6.41 4.62b 38.88 2.24 24.45 34.43c 1003.5连铸坯试样的分析检验结果图13为LF精炼开始、VD处理结束、中间包内钢水和连铸坯试样TO和N含量的变化,其中中间包钢水试样

29、成分为浇铸过程所提取中间包试样成分的平均值。可以看到经过VD处理的实验,VD具备非常好的降低钢水TO和N含量的作用,VD结束时钢水TO即降低至0.001%左右,N则脱除大约0.0015%。与VD结束时相比,中间包钢水试样N含量平均回升0.0002%0.0004%,特别是第3炉中间包N含量比VD结束时高出0.0017%。表明在保护浇铸方面存在问题。另外四个炉次连铸坯中TO含量分别为0.0013%、0.0010%、0.0016%和0.0020%,分别比中间包中TO含量高出0.0002%0.001%。与之对应铸坯中N含量分别为0.0058%、0.0067%、0.0088%和0.0085%,比中间包中

30、的高出0.0002%0.0019%。这表明从中间包到结晶器间钢水被二次氧化。在浇铸过程中保护浇铸不完善使钢水被二次氧化。 图13 不同工序阶段钢水试样TO和N含量变化图14为第1流铸坯距内弧40mm试样中非金属夹杂物照片,表12为对应夹杂物的化学成分。可以看到,观察到的非金属夹杂物绝大部分是MnS夹杂物,尺寸较大,呈浅色不规则形状,可以推测是在凝固末期生成的,如图14a所示。同时可以观察到一些氧化物,这些氧化物和MnS组成复合的夹杂物,呈深色在MnS夹杂物的中心(图14b,其尺寸均较小约为2m,是含MgO、CaO、Al2O3和MnS的复合夹杂物,如图14b所示。 图14 第1流铸坯距内弧40m

31、m试样中非金属夹杂物表12图14所示夹杂物的化学组成(%夹杂编号MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiN MnOa 100b-1 1.11 2.76 84.99 4.58 6.56b-2 6.03 1.34 39.77 42.56 10.34 结论(1采用本研究制定工艺路线,非调质钢P含量控制在0.012%以下,TO含量控制到0.0010%左右,在钢纯净度控制方面达到了国际最好水平。(2LF精炼过程中钢水N含量呈略微增加。从转炉结束到LF到站过程中,钢水TO含量降低较快。在随后LF精炼过程,TO含量进一步降低。LF精炼结束后,TO含量为0.002%,达到了很高洁净度水平。

32、(3从LF到站到LF造渣结束过程中,向钢水加入铝进行直接脱氧。夹杂物中Al2O3含量增加(10% 75%。LF炉造渣过程使夹杂物中CaO含量也相应增加,此类氧化物夹杂成分中还发现一定的MnS含量,所以此类夹杂物为CaO-Al2O3-MnS复合夹杂物。而钢中MnS夹杂物仍然较多。在LF造渣结束钢水试样中还观察到部分含有TiN和VN的夹杂物,此类夹杂物有可能是在钢水试样凝固过程中产生的。大部分非金属夹杂物尺寸较小为23m,只有个别的尺寸在5m以上。(4从LF造渣结束到LF精炼结束过程中,加入一定量的S i、Mn合金调整钢液成分。夹杂物中SiO2含量进一步增加(2%70%,CaO含量也相应增加(2%

33、37%。而夹杂物中的MnS仍然较多。可以看出大部分夹杂物为复合夹杂物,即CaO-SiO2-MnS系复合夹杂物。从形貌可以看出氧化物夹杂为核心,MnS 围绕在氧化物周围。在LF造渣结束钢水试样中还观察到部分含有TiN和VN的夹杂物,此类夹杂物有可能是在钢水试样凝固过程中产生的。(5经VD真空处理,钢水TO含量由0.002%降低至0.0011%,N则由0.008%降低至0.0048%。经过软吹后,钢液的TO略有增加至0.0013%。(6经过VD真空处理后,钢水试样中除硫化物之外,已很难发现氧化物类夹杂。偶尔发现的氧化物夹杂均与硫化物形成复合夹杂物,氧化物均被包裹在中心部位尺寸很小。(7中间包开浇阶段在保护浇铸方面做得比较好,钢水N含量和VD结束时基本保持一致。钢水TO含量较VD结束时减少了0.0002%。浇铸开始后,中间包钢水N和TO含量机会保持一致。到浇铸35min 后,此时钢水TO含量则降低至0.001%,达到了非常高的洁净度。(8正常浇铸过程中间包钢水试样中绝大多数夹杂物为钢水凝固以后生成的硫化物和氮化物,很难观察到氧化物类夹杂物。但在开浇初期和末期,会观察到少数氧化物和MnS复合的夹杂物,呈深色尺