一种高屈服强度低碳合金钢的生产工艺

技术领域

本发明涉及铁基合金制备技术领域，具体涉及一种高屈服强度低碳合金钢的生产工艺。

背景技术

碳含量低于0.25％属于低碳钢，碳含量0.25％～0.65％属于中碳钢，调质低碳合金钢相比传统的调质中碳合金钢拥有更好的冲击韧性。因此，调质低碳合金钢适合制造强度要求中等，而冲击韧性要求较高的汽车零部件材料。

现有的低碳合金钢通常采用淬火+低温回火，回火温度150℃-250℃的调质工艺处理，淬火后的组织一般为马氏体与少量的铁素体，马氏体在低温回火时，分解为低碳马氏体和ε碳化物组成的混合物，称为低碳回火马氏体，此类低碳回火马氏体虽然强度较高，但是其组织内应力大，易形成微裂纹，并且塑性与韧性较低。

如在专利申请号为CN202011408539.2的中国发明专利中公开的一种提高电弧炉炼钢钢铁料收得率的方法，公开了电弧炉炼钢步骤中，采用分批进料，每次装料送电形成熔池后，用碳氧枪喷碳粉造泡沫渣，同步吹氧助熔，直至最后一批料装完；最后一次料装完后进行埋弧操作：在全部炉料熔化后直至出钢前，用碳氧枪喷碳粉造泡沫渣并用氧管吹氧助熔，以获得更大的出钢量。

但是，该技术方案中，在前期通入大量的氧气与碳粉助熔的同时，会造成钢中碳含量偏高，也会造成碳在铁水各部位中的含量差异，极大的限制钢的塑性与韧性。

发明内容

本发明提供了一种高屈服强度低碳合金钢的生产工艺，利用在初炼过程中，通入氧气进行帮助废钢热熔时，同时喷入碳粉，作为废钢氧化的保护剂，同时重新均衡铁水内碳元素的分布，之后在利用氧气将多余的碳含量去除，使得钢中碳含量降低至0.15～0.25％，仍能产出高屈服强度低碳合金钢，并且在喷氧喷粉热熔过程中，喷氧枪与侧边的集束氧枪及底部的底吹管相互配合，在电弧炉内部形成铁水循环流动交换的循环流转系统，使得碳粉在铁水内分布均匀，并且在后续降碳过程中，也能均衡铁水中各部位的碳含量，既提高了出钢量的同时，仍保证了钢铁的塑性与韧性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高屈服强度低碳合金钢的生产工艺，包括以下步骤：

步骤a、初炼，在电弧炉中加入废钢与铁水，在加热过程中，配合吹氧枪向铁水中吹氧助废钢热熔，同时喷入碳粉，控制炉料熔清后钢中碳达到0.08～1.0％，促进升温化料的同时，保护电弧炉内钢铁料避免氧化，之后停止喷入碳粉，继续吹氧，降低钢中的碳含量与硅含量并且达到继续升温的目的，同时加入脱磷剂去除铁水中的磷，含碳量降至0.15～0.25％，含硅量降至0.04～0.30％，含磷量降至0.020％以下，其中，在吹氧枪吹氧过程中，具体包括以下步骤：

步骤s1，吹氧枪喷氧的同时，同步喷入碳粉，其中，吹氧枪倾斜设置，且该吹氧枪围绕所述电弧炉的中心轴线旋转设置，所述吹氧枪中部的喷氧孔喷出的氧气集束在铁水液面喷出凹陷的空腔，同步的，所述喷氧孔外围的喷粉孔喷出碳粉隔绝氧气集束与铁水，并且碳粉随氧气集束进入到所述空腔内，由铁水埋没；

步骤s2，所述电弧炉的侧壁上等距分布有若干的集束氧枪，该集束氧枪朝向所述电弧炉的中心喷出氧气流，同步的所述电弧炉的底部均匀有底吹管，该底吹管向上朝向所述电弧炉内通入Ar或N2对铁水进行搅拌，Ar或N2配合所述集束氧枪喷出的氧气流，围绕所述空腔形成铁水循环流转系统，使得所述吹氧枪喷出的碳粉均布于铁水内；

步骤s3，所述吹氧枪与所述集束氧枪持续喷氧，且所述吹氧枪上的喷粉孔停止喷出碳粉，降低钢中的碳含量与硅含量；

步骤b、精炼，精炼炉中加入合金块调整化学成分至设计要求，精炼过程采用扩散脱氧与沉淀脱氧相结合的方式加强脱氧，扩散脱氧采用在精炼炉中加入铝粉的方式实现，沉淀脱氧采用在精炼炉中加入铝块的方式实现；

步骤c、脱H，精炼过后将钢水转入真空脱气炉，对钢水脱H处理；

步骤d、连铸，连铸过程中采用保护浇铸的方式，让钢水隔绝空气防止钢水二次氧化；

步骤e、加热，连铸坯入步进式加热炉加热，整个加热过程采用三段式加热：预热段温度为800～900℃，保温时间≥70分钟；加热段温度为1100～1150℃，保温时间≥90分钟；均热段温度为1150～1250℃，保温时间≥120分钟，实现高温均质化。；

步骤f、轧制，整个过程采用纵向轧制，钢材在旋转方向相反的轧辊之间通过，并在轧辊间不断的产生塑性变形，连铸方坯经过粗轧、中轧以及精轧，轧制变形为圆钢，热轧后的圆钢在≥720℃下入保温罩进行缓冷，具体的，粗轧的轧制温度区间为950-1050℃，粗轧的总压下率控制在20-35％；中轧的轧制温度区间为890-950℃，中轧的总压下率控制在21-40％；精轧的轧制温度区间为800-890℃，精轧的总压下率控制在21-43％，热轧圆钢缓冷后的微观结构为均匀的铁素体与珠光体；

步骤g、调质，是将热轧圆钢利用感应线圈加热，加热至880～930℃，保温3～7分钟后水淬；淬火后的圆钢进行高温回火，回火温度为500～600℃，回火时间≥120分钟，回火后的圆钢采用喷水的方式进行冷却，调质后获得截面显微组织为80-90％的索氏体和10％-20％的铁素体；

步骤h、车皮，通过车削去除圆钢表面的脱碳层和表面缺陷，车皮深度为单边0.5mm。车皮后的圆钢使用精矫机对其表面进行碾光，碾光后的钢材使用沙袋进行表面抛光，抛光后的圆钢表面粗糙度≤3.2um。超声波探伤按照GB/T4162-2008中的A级执行，以此作为探伤合格的标准。

C是对钢的强度贡献最大的元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起到固溶强化的作用，但是过高的碳含量会降低钢的塑性与韧性。因此，本申请前期废钢热熔清时碳含量达到0.5～1.0％，优选为0.5～0.8％，而在后期出钢时，碳含量控制为0.15～0.25％，优选为0.15～0.20％，充分保证前期的固溶强化，又保证了后期钢的塑性与韧性。

Si在炼钢过程中作为还原剂与脱氧剂加入，硅一定程度提高钢的屈服点与抗拉强度，因此本申请Si含量的范围确定为0.05～0.35％，优选为0.1～0.25％。

P在钢中属于有害元素，磷元素容易在晶间偏聚，导致钢材的冷脆性增加。因此，本申请要严格控制钢中的磷含量，P≤0.020％。

作为改进，所述步骤s1中，所述吹氧枪工作时，控制所述电弧炉的温度≥1600℃，吹氧压力0.65～0.85MPa。

作为改进，所述步骤s1中，所述吹氧枪工作时，初始氧气流量为14～16m3/min，所述电弧炉内出现炉渣外溢时，控制氧气流量为27～32m3/min，当废钢化清后，控制氧气流量为13～15m3/min直至出钢。

作为改进，所述步骤s1中，所述吹氧枪绕所述电弧炉的中心轴线旋转的同时，所述吹氧枪绕自身轴线进行自转，所述吹氧枪上与所述喷粉孔连通设置的喷粉通道呈螺旋设置，对喷出的碳粉进行加速与分散。

作为改进，所述步骤s1中，所述喷氧孔包括沿所述吹氧枪的中心轴线吹出氧气的主氧气孔及围绕所述主氧气孔呈等距设置的支氧气孔，所述支氧气孔自所述吹氧枪的中心轴线向外设置，带动所述喷粉孔喷出的碳粉分散入铁水内。

作为改进，所述步骤s2中，所述集束氧枪倾斜设置，且该集束氧枪沿着所述电弧炉的内壁喷出氧气流，吹动铁水进行流动，且所述集束氧枪的氧气流量与所述吹氧枪的氧气流量一致。

作为改进，所述步骤s2中，所述集束氧枪的下方设置有燃气枪，所述燃气枪配合所述集束氧枪形成燃烧焰流。

作为改进，所述步骤s2中，所述集束氧枪的下方设置有喷粉枪，该喷粉枪向流动的铁水内喷入碳粉与脱磷剂。

作为改进，所述脱磷剂优选为石灰造渣。

作为改进，所述步骤h中制备的圆钢抗拉强度900～1050MPa；屈服强度≥815MPa；延伸率≥18％，面缩率≥48％，常温冲击功KU2≥79J；圆钢规格的二分之一半径处硬度为280～310HBW。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用在初炼过程中，通入氧气进行帮助废钢热熔时，同时喷入碳粉，作为废钢氧化的保护剂，同时重新均衡铁水内碳元素的分布，之后在利用氧气将多余的碳含量去除，使得钢中碳含量降低至0.15～0.25％，仍能产出高屈服强度低碳合金钢，并且在喷氧喷粉热熔过程中，喷氧枪与侧边的集束氧枪及底部的底吹管相互配合，在电弧炉内部形成铁水循环流动交换的循环流转系统，使得碳粉在铁水内分布均匀，并且在后续降碳过程中，也能均衡铁水中各部位的碳含量，既提高了出钢量的同时，仍保证了钢铁的塑性与韧性；

2、本发明通过在初炼前期废钢热熔清时控制碳含量达到0.5～1.0％，优选为0.5～0.8％，而在后期出钢时，碳含量控制为0.15～0.25％，优选为0.15～0.20％，充分保证前期的固溶强化，又保证了后期钢的塑性与韧性；

3、本发明通过利用顶部的吹氧枪在铁水表面高压吹送氧气形成凹陷的空腔，并且通过吹氧枪绕电弧炉的中心轴线旋转，使得空腔形成的环形凹陷区，配合底部吹出的惰性气体Ar和/或N2，对铁水进行搅拌，以及集束氧枪喷出的焰流，使得环形凹陷区内外两侧的铁水持续的保持流转，达到碳粉均衡热溶于铁水内；

4、本发明在设计吹氧枪时，将喷粉孔围绕喷氧孔设置，并且将喷氧孔设置为直吹的主喷氧孔和斜吹的支喷氧孔，达到碳粉隔绝氧气，避免大部分氧气直接与铁水接触的目的，同时，利用斜吹氧气，形成分散碳粉的目的。

综上所述，本发明制备的钢具有出钢量大、冲击韧性高、强度高等优点，尤其适用于铁基合金制备技术领域。

附图说明

图1为本发明生产工艺流程示意图；

图2为本发明实施例一调质圆钢横截面显微组织图×100倍；

图3为本发明实施例一调质圆钢横截面显微组织图×1000倍；

图4为本发明实施例二调质圆钢横截面显微组织图×100倍；

图5为本发明实施例二调质圆钢横截面显微组织图×1000倍；

图6为本发明实施例三电弧炉立体结构示意图一；

图7为本发明实施例三电弧炉立体结构示意图二；

图8为本发明实施例三电弧炉剖视结构示意图；

图9为本发明实施例三吹氧枪局部结构示意图；

图10为本发明实施例三吹氧枪内部内枪结构示意图；

图11为本发明实施例三吹氧枪内部内枪剖视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

熔炼采用电弧炉+精炼炉+RH炉冶炼100吨下述所示化学成分组成的钢，并使用连续铸造工艺制作截面尺寸240mm×240mm的连铸方坯，所得连铸坯的化学成分为C:0.21％，Si:0.15％，Mn:1.37％，Cr:1.25％，P:0.010％，S:0.023％，Al:0.030％，N:0.010％，Cu:0.02％，Ni:0.01％，Mo:0.01％，Ti:0.003％，[O]:0.0011％，[H]:0.0001％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

初炼，在电弧炉1中加入废钢与铁水，在加热过程中，配合吹氧枪2向铁水中吹氧助废钢热熔，同时喷入碳粉，控制炉料熔清后钢中碳碳量达到0.8％，促进升温化料的同时，保护电弧炉1内钢铁料避免氧化，之后停止喷入碳粉，继续吹氧，降低钢中的碳含量与硅含量并且达到继续升温的目的，同时加入脱磷剂去除铁水中的磷，含碳量降至0.30％，含硅量降至0.25％，含磷量降至0.011，其中，在吹氧枪2吹氧过程中，

控制所述电弧炉1的温度1650℃，吹氧压力0.69MPa，初始氧气流量为14m3/min，所述电弧炉1内出现炉渣外溢时，控制氧气流量为27m3/min，当废钢化清后，控制氧气流量为13m3/min直至出钢，所述吹氧枪2的公转速度为10转/min，自转速度为30转/min。

精炼，精炼炉中加入合金块调整化学成分至设计要求，精炼过程采用扩散脱氧与沉淀脱氧相结合的方式加强脱氧，精炼过后钢铁料收率率为89.5％；

脱H，精炼过后将钢水转入真空脱气炉，对钢水脱H处理；

连铸，连铸过程中采用保护浇铸的方式，让钢水隔绝空气防止钢水二次氧化；

加热，连铸坯入步进式加热炉加热，预热段温度为800℃，加热时间为85分钟；加热段温度为1100℃，加热时间为110分钟；均热段温度为1200℃，加热时间为130分钟；

轧制，坯料加热后出加热炉，经粗轧、中轧、精轧，轧制成型的圆钢尺寸为φ23mm。热轧圆钢在750℃高温态入保温罩内缓冷。；

调质，轧制圆钢采用感应线圈加热至880℃，保温3分钟后水淬；淬火后的圆钢入连续式回火炉回火，回火温度为500℃，回火时间120分钟，圆钢回火后水冷。调质后的圆钢经车皮机车皮后去除表面脱碳以及表面缺陷，车皮深度为单边0.5mm，车皮后钢材直径为φ22mm；车皮后的圆钢经精矫机碾光、沙袋抛光，表面粗糙度≤2.5um；最后圆钢按照GB/T4162-2008中的A级要求进行超声波探伤。

成品调质钢材拉伸与冲击按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，冲击按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验。成品调质钢材的力学性能如表1所示：

表1

调质钢材硬度按照GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》检验，调质圆钢二分之一半径处的硬度为310HBW；调质后圆钢横截面显微组织的索氏体含量为90％，其余10％为铁素体，具体参见图2与图3所示。

实施例2：

熔炼采用电弧炉+精炼炉+RH炉冶炼100吨下述所示化学成分组成的钢，并使用连续铸造工艺制作截面尺寸240mm×240mm的连铸方坯，所得连铸坯的化学成分为C:0.15％，Si:0.04％，Mn:1.37％，Cr:1.22％，P:0.019％，S:0.023％，Al:0.030％，N:0.011％，Cu:0.03％，Ni:0.01％，Mo:0.02％，Ti:0.003％，[O]:0.0011％，[H]:0.0001％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

初炼，在电弧炉1中加入废钢与铁水，在加热过程中，配合吹氧枪2向铁水中吹氧助废钢热熔，同时喷入碳粉，控制炉料熔清后钢中碳碳量达到0.8％，促进升温化料的同时，保护电弧炉1内钢铁料避免氧化，之后停止喷入碳粉，继续吹氧，降低钢中的碳含量与硅含量并且达到继续升温的目的，同时加入脱磷剂去除铁水中的磷，含碳量降至0.15％，含硅量降至0.04％，含磷量降至0.019，其中，在吹氧枪2吹氧过程中，

控制所述电弧炉1的温度1600℃，吹氧压力0.65MPa，初始氧气流量为16m3/min，所述电弧炉1内出现炉渣外溢时，控制氧气流量为32m3/min，当废钢化清后，控制氧气流量为15m3/min直至出钢，所述吹氧枪2的公转速度为10转/min，自转速度为30转/min。

精炼，精炼炉中加入合金块调整化学成分至设计要求，精炼过程采用扩散脱氧与沉淀脱氧相结合的方式加强脱氧，精炼过后钢铁料收率率为90％；

脱H，精炼过后将钢水转入真空脱气炉，对钢水脱H处理；

连铸，连铸过程中采用保护浇铸的方式，让钢水隔绝空气防止钢水二次氧化；

加热，连铸坯入步进式加热炉加热，预热段温度为900℃，加热时间为85分钟；加热段温度为1150℃，加热时间为110分钟；均热段温度为1250℃，加热时间为130分钟；

轧制，坯料加热后出加热炉，经粗轧、中轧、精轧，轧制成型的圆钢尺寸为φ23mm。热轧圆钢在720℃高温态入保温罩内缓冷；

调质，轧制圆钢采用感应线圈加热至930℃，保温7分钟后水淬；淬火后的圆钢入连续式回火炉回火，回火温度为600℃，回火时间120分钟，圆钢回火后水冷。调质后的圆钢经车皮机车皮后去除表面脱碳以及表面缺陷，车皮深度为单边0.5mm，车皮后钢材直径为φ22mm；车皮后的圆钢经精矫机碾光、沙袋抛光，表面粗糙度≤2.5um；最后圆钢按照GB/T4162-2008中的A级要求进行超声波探伤。

成品调质钢材拉伸与冲击按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，冲击按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验。成品调质钢材的力学性能如表2所示：

表2

调质钢材硬度按照GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》检验，调质圆钢二分之一半径处的硬度为310HBW；调质后圆钢横截面显微组织的索氏体含量为90％，其余10％为铁素体，具体参见图4与图5所示。

实施例3：

如图6-11所示，一种运用于实施例1至实施2中的初炼炉，包括电弧炉1、吹氧枪2、集束氧枪3、底吹管4、燃气枪5及喷粉枪6，电弧炉1由炉体与炉盖组成，吹氧枪2通过转动件71穿设于炉盖上，转动件71上套设有链轮72，链轮72通过链条73与电机74上的主动链轮75相连接，电机74带动吹氧枪2沿所述电弧炉1的中心轴线进行旋转设置。

所述吹氧枪2包括内枪201与外套202，内枪201的中心线处设置有喷氧通道与喷氧孔21连通，内枪201的侧壁上开设有螺旋的凹槽，外套202套设于所述内枪201外，与凹槽配合形成喷粉通道23，与喷粉孔22连通，且与所述吹氧枪2转动连通的供料管也呈双层设置，内层的通道用于供氧气，外层的通道用于供碳粉；并且外套202上套设有齿轮203，该齿轮203与固定设置的定齿圈204配合，由于外套202与内圈201紧配设置，外套202与内圈201同步进行自转，使得喷粉孔22喷出的碳粉呈螺旋散落，分散的更加均匀。

集束氧枪3、燃气枪5及喷粉枪6均穿设于电弧炉1的炉体侧壁上，且集束氧枪3、燃气枪5及喷粉枪6均一一对应设置，并且均围绕炉体等距设置有多组，并且集束氧枪3与燃气枪5相互配合呈倾斜设置，集束氧枪3与燃气枪5配合喷出的焰流推动铁水进行旋转流动，推动内、外层铁水之间的流动，喷粉枪6则插入铁水内部，注入碳粉和脱磷剂。

底吹管4设置于炉体的底部，底吹管4向炉体内喷入惰性气体，惰性气体优选为Ar和/或N2，利用惰性气体对铁水进行搅拌，推动上下层之间的铁水的流动。

对比实施例：

申请号为CN202011408539.2的中国发明专利制备的车皮后钢材直径为φ22mm；车皮后的圆钢经精矫机碾光、沙袋抛光，表面粗糙度≤2.5um；最后圆钢按照GB/T 4162-2008中的A级要求进行超声波探伤。

成品调质钢材拉伸与冲击按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，冲击按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验。成品调质钢材的力学性能如表3所示：

表3

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。