开发汽车钢板的炼钢工艺

LIU1018

开发汽车钢板的炼钢工艺

先越蓉   

    汽车制造是现代化工业最高效地发展部门之一，随着其工艺性和经济性不断增长,对铁基金属材料的性能提出了更高的要求；提高汽车的安全性，同时降低汽车重量，保证耐蚀性，最重要的任务是使用中要满足不断提高的环保要求。因此,对于在汽车总重中占60%以上份额的汽车钢板,建立最新的汽车钢板的生产工艺越来越迫切。然而,只有根据生产材料和使用条件进行深刻地基础研究和详细的应用研究,才能实现该目标。
    前言
    汽车钢板是复杂的结构材料。一方面，应该具有高度的冲压性，保证复杂形式的深冲压；另一方面，在合格的塑性条件下对强度有确定的要求，必须采用微合金方法形成显微组织。超低碳钢既能适用于生产高冲压钢材，也可生产屈服点达260N/mm2的高强度零件。
    为了提高成材制品的强度，选择冷轧钢板最有效，还可以用钛、铌以及磷和硼微合金化的超低碳钢，包括具有BH-效应(Bake Hardening Effect)钢。
    初始屈服点低的材料(对冲压很重要)在成品汽车油漆颜料镀层干燥过程中，在干燥条件下依靠BH-效应强化。BH效应的物理实质在于,固定零件冲压时影响钢的碳原子位移，在铁素体固溶体中，碳原子发生迁移率由于在油漆镀层干燥加热时急剧增长。开发汽车板双相（铁素体基5%～30%马氏体)钢很有前景。马氏体制，三相钢，具有复合相成分的高强度钢应用率比较小。
    严格控制钢水成分
    为了保证汽车钢板材料必需的性能水平，必须严格要求和控制工艺过程中的铁素体固溶体中使用元素含量以及碳化物、氮化物、碳氮化物、碳硫化物析出物的数量和形态。这只有当合金元素(钛、铌、钒、锰)浓度和杂质(氧、氮、硫)控制在一定比例条件下才能实现。汽车板的每一道生产工序都会对钢板材料的综合性能产生影响，但大多数情况下形成预定性能的基础是炼钢工序。为了获得全部类型的现代化优质汽车钢板材料，必须按合金元素和杂质含量精确控制钢水成分。俄罗斯由于采用了真空处理熔体的设备和工艺，使生产超低碳钢成为可能，关键是控制钢水真空脱碳激烈的反应。通常在真空处理过程中必须保证钢水氧含量处于高水平，即不小于0.06%～0.08%。
    为生产高质量汽车钢板，可采用以下炼钢工艺：
    1.为提高可塑性、韧性、冲压性、耐寒性，避免总体和局部腐蚀性和其他性能，降低钢水中的氧、硫、硅、氮、铜、镍、铬和其它杂质的含量。
    2.为保证高度的综合力学性能，提高钢水规定化学成分获得的精度(缩小元素含量的允许范围)。重要的是，这些合金元素含量，比如钛、铌、钒等，应与碳、氮、硫浓度精确协调。
    3.研究非金属夹杂物成分和数量的控制方法，包括：
    ◆为保证钢材要求的工艺和使用性，急剧降低传统的非金属夹杂物数量；
    ◆消除对许多理化性能和物理机械性能会产生不良影响的非金属夹杂物形成的可能，例如异常加快钢的腐蚀反应；
    ◆为形成规定成分和形态的非金属析出物创造条件，其中包括碳化物、氮化物和碳氮化物、碳硫化物，保证提高耐蚀性，改善钢材的力学性能和其他特殊性能。
    4.获得小于0.005%的超低碳钢。
    汽车板钢生产工艺及特点
    炉生产规程，并制定获得汽车板节约能源和资源的工艺。采用以下工艺:
    ◆采用含杂质少的金属炉料(生铁、纯净废钢、直接还原产品，结构炉料等等)，
    ◆采用含杂质少的脱氧剂，铁合金、中间合金、纯（按氮含量）氧；
    ◆进行铁水包脱硫达0.005%～0.010%，并在出钢时和钢包精炼过程中进一步的钢水脱硫；
    ◆限制铁水的磷含量0.1%；
    ◆转炉冶炼期间深脱磷达0.006%～0.007%；
    ◆在真空处理条件下深脱碳达0.002%～0.005%C；
    ◆采用碱性内衬的浇铸包和中间包，脱氧良好的钢包渣。
    因此，生产汽车板钢的工艺流程，包括高炉、铁水脱硫装置，氧气转炉，钢水精炼、钢包炉、循环真空处理和钢包真空处理，钢水连铸装置。
    转炉冶炼汽车钢板的工艺特点在于，它是为了获得极低的磷和氮浓度，以及限制氧含量的钢板。因此进行转炉冶炼时，稳定实现规定的吹炼制度，保证约束工艺时要求钢水的温度、渣成分、磷和氮的含量十分重要。根据氧化转炉冶炼过程中，研究脱碳和有害杂质的反应进程，氧转移到渣中的动力规律，优化吹炼制度参数。
    开发了变化枪位的吹炼制度：第1期，开始时枪下降深度为2.5m，本期结束时连续降低达2.0m；第2期为2.0m；第3期，在吹炼约束时不断连续降低深度从2.0m到1.2～1.4m。而且在复合吹炼时推荐制度要保持特定数值。保持低枪位结束吹炼，保证在其它条件相同下，更高的脱碳速度并缩短底吹氩时间。
    增加了转炉冶炼添加剂、造渣制度、结束阶段送气强度规程的选择方案，保证低碳金属钢板的杂质含量极低，稳定的温度值和氧化度。金属氧化度由碳含量和渣氧化度确定。吹炼结束时，渣和金属的过氧化度通过搅拌来降低。在制定工艺时，采用低枪位，同时对熔池添加氧化剂和气态材料，这样来提高脱碳速度。
    生产工艺研究现状
    氮被金属熔体吸附和脱除反应的热力学和动力学已进行了广泛的理论研究，结果表明用碳酸钠处理铁水能有效脱除硫和氮的杂质。按金属中氮含量变化的特性，转炉冶炼能分成2个时期：金属中脱氮和氮含量增长。添加碳酸盐材料(石灰石)，在转炉冶炼结束阶段和出钢时缩短含氯气体与熔体的接触时间均有利于钢水脱氮。转炉钢水的氮浓度和鼓风氧气中及炉料废钢比中氮的含量成比例。出钢时，氮进入钢中的强度和钢流搅拌功率成反比。氧含量是决定氮进入出钢时钢液的潜在最重要的因素。
    出钢时和制包处理期间，加铝脱氧和合金化，极大程度上控制氮进入钢中。在进入中间包和结晶器时，钢水渗氮率和二次氧化率主要取决于保护钢流与大气接触的效果。根据获得的结果，制定了按整个生产过程控制制水氮含量的方法，保证汽车板钢的氮含量0.003%～0.005%。
    在半钢出钢到钢包，脱氧、合金化与炉衬、渣、大气发生反应过程中，在钢水精炼、钢包炉、真空处理装置中钢水处理时的多成分、多相晶系产生反应进行了理化综合分析。根据获得结果建立了适用于钢水连铸条件，出钢时和在钢包中钢水多阶段处理的独创模型。
    以电动势测量法快速分析钢水氧化度的结果和建立的钢水脱氧、合金化、调整化学成分的理化和数学模型为基础。在建立最新模型时，首先获得与复杂现象完全相符的参数，如均衡吹惰气时加入熔体成分的浓度、钢与渣、炉衬相互作用（包括合金元素在钢液与渣之间重新分配），以及二次氧化反应。
    根据添加材料的种类和加入的方法，详细研究了钢水吸收化学活性元素的动力学和收得率。首先把铝、锰、钛、铌和其它合金成分稳定在较窄范围内，降低成品钢材的硅含量、非金属夹杂物含量，达到极大节约脱氧剂和合金成分。
    根据碳化物、氮化物、硫化物、碳氮化物、碳硫化物相形成的类型和条件，以热力学分析计算为基础，利用电子显微镜检查测定析出物，并确定杂质浓度，是设计出具有预定综合性能的超低碳IF钢和有BH效应钢的主要科学基础。
    研究与碳、氮、硫在铁基稀释面心立方晶格、体心立方晶格中微合金化添加物Nb、V、Ti和其它元素热力性能完全相符的方法。
    在此基础上确定出碳、氮等合金化元素的含量以及钢水精炼参数，保证获得一定纯净度的固溶体，形成良好的晶粒组织和高度综合（强度与塑性最佳结合）机械性，适用于各种类型的高强度汽车钢板，其中包括具有BH效应的钢板。显然，为获得钢材必须的性能，必须确定互相关联的[Ti]、[Nb]、[N]、[C]浓度。
    汽车钢板生产工艺发展趋势
    汽车钢板冶金工艺现代化发展的一个重要观点，把钢液精炼转移到钢包，并且渣相积极参加钢水精炼反应。这将在根本上改变非金属夹杂物类型，在钢水中形成并影响性能，尤其是耐腐蚀性、钢板表面质量、疲劳和其它性能。
    在非最佳工艺参数条件下，精炼过程中进入钢水含钙的特殊类型夹杂物（为氧化物或硫化物组份）污染了钢水，是汽车钢板和某些其他种类钢材和设备高速腐蚀的主要原因。
    在研究近年来，汽车钢板耐蚀性显著降低的问题，在产生过早腐蚀损伤的情况下(例如，在钢运输和保存过程中)，钢水通常含有所谓“活性腐蚀”的非金属夹杂物。根据模型模拟精炼、合金化，以及与渣相的相互作用，调整钢水化学成分过程的一体化方法，可优化钢包精炼钢水的工艺，开发具有纯净度和高度耐蚀性的炼钢工艺。控制可能形成活性腐蚀非金属夹杂物，尤其是汽车钢板的关键控制工艺的参数：
    ◆根据覆盖渣成分非金属夹杂物的变性处理，确定钢水脱氧加入的添加剂比例；
    ◆保持钢水精炼温度、时间等参数；
    ◆规定覆盖渣的成分，保证能最大程度的均匀液态及低氧化度，从而使它的颗粒分散，并使保持在钢水中的时能性最小，以及钢水二次氧化反应率最小；
    ◆添加剂合金化、调整钢水化学成分、熔体吹氧的制度参数。
    重要的是，上述参数必须严格控制与保持，这样不仅能防止钢水被活性腐蚀非金属夹杂物污染，而且能显著降低因表面缺陷引起的钢材次品率，提高成品钢材的质量。，
    制定的理论基础和完成的应用研究，在俄罗斯的许多冶金企业开发了大吨位的、大批量转炉生产世界市场上有竞争力的优质汽车钢板。