1、汽車用高品質非調質鋼中非金屬夾雜物研究汽車用高品質非調質鋼中非金屬夾雜物研究卓曉軍1 楊成威1 王萬軍1 王新華1崔京玉2 常開地2 王 坤2 (1.冶金與生態工程學院,北京科技大學,北京100083;2.首鋼技術研究院,首鋼集團,北京100041摘要對采用“頂底復吹轉爐煉鋼-LF精煉-VD真空處理-喂硫線增硫”工藝路線,生產汽車用非調質鋼鑄坯的全過程,特別是對非金屬夾雜物進行了系統的研究。試驗證明采用本研究制定工藝路線,非調質鋼P含量控制在0.012%以下,TO含量控制到0.001%左右。LF精煉過程鋼水N含量呈略微增加。而鋼水TO含量降低較快,TO由0.04%降低至0.002%。鋼中夾雜物

2、以純MnS夾雜物為主,有少量的氧化物MnS復合夾雜物。經過VD真空處理,鋼水TO含量由LF精煉結束時的0.002%降低至0.0011%,N則由LF結束時的0.008%降低至0.0048%。氬氣軟吹后,鋼液的TO增加了0.0002%。經真空處理后以及喂線后,鋼水試樣中除硫化物之外,已很難發現氧化物類夾雜。澆鑄過程中間包鋼水試樣中非金屬夾雜物,絕大多數夾雜物為鋼水凝固末期生成的硫化物和氮化物,很難觀察到氧化物類夾雜物。連鑄坯中觀察到的非金屬夾雜物絕大部分是純MnS夾雜物,尺寸較大呈淺色不規則形狀。鑄坯中能觀察到一些氧化物夾雜,這些氧化物和MnS組成復合的夾雜物,呈深色在MnS夾雜物的中心,其尺寸較

3、小約為2m,此類夾雜物是由于保護澆鑄不善而產生的。此外還能觀察到尺寸較小的TiN-VN類夾雜物,為凝固末端生成。關鍵詞非調制鋼超低氧LF精煉VD真空處理非金屬夾雜物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中國鋼鐵年會論文集1 引言非調質鋼具有節能、環保、降低成本等優點,在日、德、美等國汽車行業的連桿、曲軸、半軸等軸類零件中廣泛應用。對汽車用非調質鋼除了要求具備良好強度、塑性和韌性等之外,還要求具備優良抗疲勞破壞性能,因此對鋼的純凈度,特別是總氧含量和鋼中非金屬夾雜物控制非常嚴格。此外,由于需要改善非調質鋼的切削性能,因此鋼的硫含量較高18。為了生產中高檔汽車用非調質鋼,對日本產豐田轎車和德國產奧迪轎車用非調質鋼半軸進行了分析檢驗。可以看到,國外中高檔轎車用非調質鋼采用鋁脫氧工藝,鋁含量在0.020%以上。此外,對鋼總氧

10、TO含量控制嚴格,TO在0.0012%以下9。但是國外對生產高品質汽車用非調制鋼的相關資料鮮有報道,對其生產技術嚴格保密。根據國外高品質非調質鋼的成分和夾雜物控制特點,對非調質鋼采用煉鋼、精煉、連鑄工藝進行了開發研究。通過試驗研究,確定了“頂底復吹轉爐煉鋼LF精煉VD真空處理喂硫線增硫”工藝路線,生產出了達到國際最好水平潔凈度的非調質鋼鑄坯,掌握了生產高品質汽車用非調制鋼的核心技術。為此類高附加值鋼種的國產化提供了理論基礎和實踐數據。2 實驗過程2.1 實驗工藝本試驗采用BOF-LF-VD-CC工藝進行生產。在轉爐工序時,鐵水不經脫硫預處理,合理控制廢鋼加入量。采用擋渣出鋼,出鋼時加入硅、錳、

11、鋁等合金和部分合成渣料。LF精煉時采用高堿度爐渣。為了加強LF精煉過程鋼液攪拌,要求在不暴露鋼液面條件下精煉增加底吹氬氣流量。VD精煉時要求盡快達到深真空狀態,并盡可能保持深真空脫氣時間,根據包內沸騰情況調整氬氣流量,防止溢渣。真空處理畢喂S線。連鑄過程中,要求實施嚴格保護澆鑄,使用堿性中間包。中間包用高堿性覆蓋劑,液位、結晶器液位保持穩定。2.2 分析和檢驗為了用顯微鏡進行觀察,試樣被切割、機械打磨和拋光。對加工好的試樣運用光學顯微鏡和掃描電鏡(JEOL JSM-6480LV進行觀察。鋼中的夾雜物成分用帶有全ZAF校正的X射線能譜儀(EDS進行分析和測量。在15kV的加速電壓下,每個試樣中至

12、少分析30個夾雜物。在分析過程中,運用面掃描技術分析夾雜物的平均化學成分。為了獲得足夠的元素峰值強度,每個分析的時間均在5min以上。在成分分析過程中,鐵和氧元素不計入分析結果之中。不把鐵元素含量計入分析結果是為了消除鋼基體對夾雜物成分分析的影響。而不計入氧元素是因為對于科學分析而言,氧元素的分析結果并不準確。其他元素的含量規格化為100%的形式并以對應的氧化物、硫化物和碳氮化合物的質量百分比表示。3 結果與討論3.1 轉爐煉鋼終點鋼水成分轉爐終點鋼水碳含量對脫磷反應和鋼水的氧化性有重要影響,為了降低終點鋼水P含量,沒有選用高拉碳工藝。由表1可以看到,當吹煉終點鋼水碳在0.044%0.061%

13、時,P可以控制在0.007%以下。另外,為了避免鋼水氧化性過高,對LF精煉生產超低氧鋼不利,轉爐終點C控制在0.04%以上。表1轉爐吹煉終點鋼水試樣的化學成分(%C P S0.061 0.006 0.018汽車用高品質非調質鋼中非金屬夾雜物研究表2轉爐吹煉終點爐渣試樣化學成分(%TFe SiO2CaO MgO Al2O3MnO CaO/SiO222.4 9.56 50.1 6.24 1.14 1.51 5.24表2為試驗爐次轉爐吹煉終點爐渣試樣化學成分。由表2和表3可以看到,鋼水終點C、爐渣TFe含量和堿度對鋼水終點P含量有較大影響,降低終點碳含量、提高爐渣TFe含量和堿度有利于提高轉爐脫磷效

14、率。3.2 LF精煉過程鋼水、爐渣成分變化及鋼中的非金屬夾雜物表3為LF精煉過程鋼水試樣的化學分析結果。可以看到,轉爐出鋼前鋼水P脫除至0.006%,出鋼后P回升至0.0073%,表明試驗制定的轉爐煉鋼脫磷、出鋼控制回磷的方案是可行的。由于出鋼過程向包內加入部分造渣材料,出鋼過程還可以脫硫,脫硫量可達0.001%。另外出鋼后加入含鋁合金有利于降低鋼中TO含量,鋼水到達LF站時的TO含量降低至0.002%。表3 LF精煉過程鋼水試樣化學分析結果(%試樣C Si Mn P S TO N 轉爐結束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造渣結束0.33 0.29 1.26 0.0083 0.007 0.0019 0.0071 LF結束0.48 0.34 1.37 0.0096 0.005 0.002 0.008圖1為LF精煉過程鋼水N和TO含量的變化。可以看到,LF精煉過程鋼水N含量呈略微增加。從LF到站到LF造渣結束,N含量由0.0059%增加至0.0071%,但隨后N含量便很少增加。由圖1看到,從轉爐結束到LF到站過程中,鋼水TO含量降低較快,TO由0.04%降低至0.002%。在LF精煉過程,TO含量繼續降低,LF精煉結束后TO含量分別為0.002%,達到了非常高潔凈度

16、水平。圖2是試驗中LF精煉過程爐渣成分的變化。可以看到爐渣堿度均較高,在LF精煉過程中均為5左右,保持較為平穩。而爐渣中TFe含量變化較大,從轉爐結束的22.4%降到LF到站時的6.82%,當LF精煉結束時為3.44%。這和鋼水中TO含量的變化相吻合。 圖1 LF精煉過程鋼水N和TO含量變化圖2 第1爐LF精煉過程爐渣組成的變化 對于超低氧鋼,爐渣堿度偏低或S iO2含量偏高,會發生式(1表示的反應,造成鋼液二次氧化和鋼中Al2O3夾雜物增加。4Al+3(SiO2=2(Al2O3+3Si (1日本山陽特殊鋼等企業冶煉超低氧含量的軸承鋼,要求堿度CaO/SiO2控制在57,爐渣SiO2含量低于2

17、007中國鋼鐵年會論文集10%。本次試驗在LF精煉過程,爐渣SiO2含量絕大多數在8%15%。為了進一步降低鋼液氧含量,應適當提高爐渣堿度,并將SiO2含量控制在10%以下9。圖3為LF到站鋼水試樣中觀察到的典型非金屬夾雜物照片,表4為對應掃描電鏡能譜分析得到的非金屬夾雜物化學組成。可以看到,LF精煉前由于對鋼水加入鋁進行直接脫氧,鋼中TO含量很低,而且出鋼過程中全程底吹氬氣,有利于夾雜物的上浮去除,因此觀察到的Al2O3個數很少。鋼水中發現含有少量的SiO2、CaO和MnS的復合夾雜物,如圖3a中夾雜物所示。顏色較深的部分主要為氧化物,而顏色較淺的部分主要為MnS。而鋼中S較高,因此觀察到的

18、非金屬夾雜物主要為純MnS夾雜物,如圖3b中夾雜物所示。大部分MnS夾雜物尺寸較小為23m,且形貌呈不規則形狀。 圖3 LF精煉前鋼水試樣中非金屬夾雜物表4圖3所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 6.59 88.68 4.74b 100圖4為LF造渣結束后鋼水試樣中觀察到的典型非金屬夾雜物照片,表5為對應掃描電鏡能譜分析得到的非金屬夾雜物化學組成。從LF到站到LF造渣結束過程中,向鋼水加入鋁進行直接脫氧。可以看到,LF 造渣結束后鋼中TO含量進一步降低。此時觀察到鋼中夾雜物中Al2O3含量增加(10%75%,與此同時由于LF爐造渣過

19、程,夾雜物中CaO含量也相應增加,與此同時此類氧化物夾雜成分中還發現一定的MnS 含量,所以此夾雜物為CaO-Al2O3-MnS復合夾雜物。而鋼中MnS夾雜物仍然較多。大部分非金屬夾雜物尺寸較小為23m,只有個別的尺寸在5m以上。 圖4 LF造渣結束鋼水試樣中非金屬夾雜物汽車用高品質非調質鋼中非金屬夾雜物研究表5圖4所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiN MnOa 20.4 32.45 47.15b 100圖5為LF精煉結束后鋼水試樣中觀察到的典型非金屬夾雜物照片,表6為對于掃描電鏡能譜分析得到的非金屬夾雜物化學組成。從LF造渣結束到LF

20、精煉結束過程中,對鋼液成分進行了調整,加入一定量的S i、Mn合金。LF爐處理畢,喂SiCa線硅鐵。可以看到,LF精煉結束后,此時觀察到鋼中夾雜物中S iO2含量進一步增加(2%70%,與此同時夾雜物中CaO含量也相應增加(2%37%。可以看出大部分夾雜物為復合夾雜物,即CaO-SiO2-MnS系復合夾雜物,其中夾雜物中CaO和SiO2含量比LF造渣結束后的進一步增加,如圖5b所示。從形貌可以看出氧化物夾雜為核心,MnS圍繞在氧化物周圍。而夾雜物中的純MnS仍然較多,如圖5a所示。在LF造渣結束鋼水試樣中還觀察到部分含有TiN和VN的夾雜物,如圖5c 所示。此類夾雜物有可能是在鋼水試樣凝固過程

21、中產生的,尺寸較小為23m。 圖5 LF爐精煉結束鋼水試樣中非金屬夾雜物表6圖5所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號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真空處理后鋼水、爐渣成分變化及鋼中的非金屬夾雜物LF精煉結束后由鋼水包內倒出部分爐渣,然后運送至VD工位進行真空處理。真空處理開始后,要求盡快達到深真空狀態,并盡可能保持深真空脫氣時間大于15min,根據包內沸騰情況調整氬氣流量,防止溢渣。真空處理完畢后,取鋼水和爐渣試樣。隨后對鋼水進行增硫等操

22、作,然后進行軟吹氬攪拌。VD離站前取鋼水和爐渣試樣。表7為VD真空處理和軟吹氬后鋼水試樣的化學成分。表7 VD真空處理后鋼水試樣的化學分析結果(%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喂線后0.47 0.42 1.37 0.0092 0.045 0.019 0.0007 0.0013 0.0058圖6為VD處理前后鋼水TO、N、Als含量的對比。可以看到,經VD真空處理,鋼水TO含量分別由LF精煉結束時的0.002%降低至0.0011%ppm,N則由LF結束

23、時的0.008%降低至0.0048%。經過軟吹后,鋼液的TO略有增加至0.0013%。在非調質鋼的超低氧真空精煉的總氧含量控制方面,本研究達到了國際最好水平。 圖6 VD前后鋼水TO、N和Als含量 圖7 VD破空后鋼水試樣中非金屬夾雜物圖7為VD破真空后提取的鋼水試樣中觀察到的典型非金屬夾雜物照片,表8為所對應的夾雜物化學成分。可以看到,經真空處理后,當鋼水TO含量降低至11ppm以下后,鋼水試樣還能發現一些氧化物類夾雜。此類氧化物夾雜同MnS形成復合夾雜物。此類復合夾雜物同LF精煉結束后觀察到的夾雜物類型類似,尺寸在23m,如圖7a所示。與此同時還觀察到大量的純MnS夾雜,如圖7b所示。而

24、試樣中觀察到的一些TiN-VN夾雜物則主要是在試樣凝固后冷卻過程中生成的,如圖7c所示。表8圖7所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 3.75 2.64 78.59 13.16 1.85b 100c 2.09 11.52 86.39VD解除真空后提取鋼水試樣,隨后進行喂硫線增硫和喂硅鈣線鈣處理操作。圖8為VD喂線后離站前提取的鋼水試樣中觀察到的典型非金屬夾雜物照片,表9為對應的夾雜物化學成分。可以看到,經真空處理以及喂線后,當鋼水TO含量降低至13ppm,鋼水試樣中除硫化物之外,已很難發現氧化物類夾雜。這表明真空處理后的這段時間使氧化

25、物夾雜充分上浮去除。偶爾發現TiN-VN夾雜物則主要是在試樣凝固后冷卻過程中生成的,如圖8b所示。a b圖8 VD喂線后離站前鋼水試樣中非金屬夾雜物表9圖8所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 100b 9.05 28.99 61.963.4 連鑄中間包內鋼水成分及鋼中的非金屬夾雜物圖9為連鑄過程中間包內鋼水試樣的TO和N含量分析結果。可以看到,在中間包開澆初期,鋼水N含量和VD結束時基本保持一致,表明中間包開澆階段在保護澆鑄方面做得比較好,由此使鋼水TO含量較VD結束時減少了0.0002%。從澆鑄后開始,中間包鋼水N和TO含量機會保

26、持一致。到澆鑄35min后,此時鋼水TO含量則降低至0.001%,達到了非常高的潔凈度。 圖9 連鑄過程中間包鋼水TO、N含量變化圖10為澆鑄15min提取的中間包鋼水試樣中非金屬夾雜物照片,表10為其化學成分。可以看到,非金屬夾雜物主要有兩類,一是純的MnS夾雜物,尺寸較大,呈淺色不規則形狀,可以推測是在凝固末期生成的。另一類是氧化物和MnS復合的夾雜物,呈深色尺寸較小,是含少量CaO-Al2O3-SiO2和MnS的復合夾雜物。 圖10 中間包開澆15min時鋼水試樣中非金屬夾雜物表10圖10所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號MgO CaO MnS Al2O3SiO2CaS VN TiNa 1

27、00b 24.69 31.44 15.13 4.25圖11為澆鑄25min提取的中間包鋼水試樣中非金屬夾雜物照片和EDS能譜分析圖。可以看到,觀察到的非金屬夾雜物只有一類,即純的MnS夾雜物,尺寸較大,呈淺色不規則形狀,可以推測是在凝固末期生成的。沒有發現氧化物。 圖11 中間包開澆25min時鋼水試樣中非金屬夾雜物圖12為澆鑄35min提取的中間包鋼水試樣中非金屬夾雜物照片,表11為對應夾雜物的化學成分。可以看到,與開澆25min鋼水中夾雜物相比,又能觀察到氧化物夾雜,含有少量MgO、SiO2、CaO和Al2O3復合夾雜物。此類氧化物和MnS形成復合夾雜物,如圖12a所示。觀察到的另一類夾雜

28、物為純MnS夾雜物,尺寸較大,形狀不規則,可以推測是在凝固末期產生的,如圖12b所示。此外還觀察到TiN-VN夾雜物,如圖12c所示,此類夾雜物為試樣凝固過程中或凝固以后生成的,尺寸較小。 圖12 中間包開澆35min時鋼水試樣中非金屬夾雜物表11圖12所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號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連鑄坯試樣的分析檢驗結果圖13為LF精煉開始、VD處理結束、中間包內鋼水和連鑄坯試樣TO和N含量的變化,其中中間包鋼水試樣

29、成分為澆鑄過程所提取中間包試樣成分的平均值。可以看到經過VD處理的實驗,VD具備非常好的降低鋼水TO和N含量的作用,VD結束時鋼水TO即降低至0.001%左右,N則脫除大約0.0015%。與VD結束時相比,中間包鋼水試樣N含量平均回升0.0002%0.0004%,特別是第3爐中間包N含量比VD結束時高出0.0017%。表明在保護澆鑄方面存在問題。另外四個爐次連鑄坯中TO含量分別為0.0013%、0.0010%、0.0016%和0.0020%,分別比中間包中TO含量高出0.0002%0.001%。與之對應鑄坯中N含量分別為0.0058%、0.0067%、0.0088%和0.0085%,比中間包中

30、的高出0.0002%0.0019%。這表明從中間包到結晶器間鋼水被二次氧化。在澆鑄過程中保護澆鑄不完善使鋼水被二次氧化。 圖13 不同工序階段鋼水試樣TO和N含量變化圖14為第1流鑄坯距內弧40mm試樣中非金屬夾雜物照片,表12為對應夾雜物的化學成分。可以看到,觀察到的非金屬夾雜物絕大部分是MnS夾雜物,尺寸較大,呈淺色不規則形狀,可以推測是在凝固末期生成的,如圖14a所示。同時可以觀察到一些氧化物,這些氧化物和MnS組成復合的夾雜物,呈深色在MnS夾雜物的中心(圖14b,其尺寸均較小約為2m,是含MgO、CaO、Al2O3和MnS的復合夾雜物,如圖14b所示。 圖14 第1流鑄坯距內弧40m

31、m試樣中非金屬夾雜物表12圖14所示夾雜物的化學組成(%夾雜編號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 結論(1采用本研究制定工藝路線,非調質鋼P含量控制在0.012%以下,TO含量控制到0.0010%左右,在鋼純凈度控制方面達到了國際最好水平。(2LF精煉過程中鋼水N含量呈略微增加。從轉爐結束到LF到站過程中,鋼水TO含量降低較快。在隨后LF精煉過程,TO含量進一步降低。LF精煉結束后,TO含量為0.002%,達到了很高潔凈度水平。

32、(3從LF到站到LF造渣結束過程中,向鋼水加入鋁進行直接脫氧。夾雜物中Al2O3含量增加(10% 75%。LF爐造渣過程使夾雜物中CaO含量也相應增加,此類氧化物夾雜成分中還發現一定的MnS含量,所以此類夾雜物為CaO-Al2O3-MnS復合夾雜物。而鋼中MnS夾雜物仍然較多。在LF造渣結束鋼水試樣中還觀察到部分含有TiN和VN的夾雜物,此類夾雜物有可能是在鋼水試樣凝固過程中產生的。大部分非金屬夾雜物尺寸較小為23m,只有個別的尺寸在5m以上。(4從LF造渣結束到LF精煉結束過程中,加入一定量的S i、Mn合金調整鋼液成分。夾雜物中SiO2含量進一步增加(2%70%,CaO含量也相應增加(2%

33、37%。而夾雜物中的MnS仍然較多。可以看出大部分夾雜物為復合夾雜物,即CaO-SiO2-MnS系復合夾雜物。從形貌可以看出氧化物夾雜為核心,MnS 圍繞在氧化物周圍。在LF造渣結束鋼水試樣中還觀察到部分含有TiN和VN的夾雜物,此類夾雜物有可能是在鋼水試樣凝固過程中產生的。(5經VD真空處理,鋼水TO含量由0.002%降低至0.0011%,N則由0.008%降低至0.0048%。經過軟吹后,鋼液的TO略有增加至0.0013%。(6經過VD真空處理后,鋼水試樣中除硫化物之外,已很難發現氧化物類夾雜。偶爾發現的氧化物夾雜均與硫化物形成復合夾雜物,氧化物均被包裹在中心部位尺寸很小。(7中間包開澆階段在保護澆鑄方面做得比較好,鋼水N含量和VD結束時基本保持一致。鋼水TO含量較VD結束時減少了0.0002%。澆鑄開始后,中間包鋼水N和TO含量機會保持一致。到澆鑄35min 后,此時鋼水TO含量則降低至0.001%,達到了非常高的潔凈度。(8正常澆鑄過程中間包鋼水試樣中絕大多數夾雜物為鋼水凝固以后生成的硫化物和氮化物,很難觀察到氧化物類夾雜物。但在開澆初期和末期,會觀察到少數氧化物和MnS復合的夾雜物,呈深色尺