ML08Al钢种冶炼工艺路线确定

ML08Al钢种冶炼工艺路线确定专业：冶金技术（通用方向）
班级：2010级冶金技术2班
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一、钢种用途及性能分析
ML08Al属低碳冷镦钢，是生产4.8级以下标准件及各类复杂外形非标零件的主要钢种，产品具有成分稳定、有害元素低、钢质纯净度高、尺寸精度高、表面缺陷少、冷镦开裂率低，冷镦钢成型用钢,冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载,广泛用于生产螺钉,销订,螺母等标准件.冷镦工艺可节省原料,降成本,而且通过冷作硬化提高工作的抗拉强度,改善性能,冷镦用钢必须其有良好的冷顶锻性能,钢中S和P等杂质含量减少,对刚才的表面质量要求严格,经常采用优质碳钢,若钢的含碳钢大于0.25%,应进行球化退火热处理,以改善钢的冷镦性能.。

冷镦性能是冷镦钢的重要性能之一。

冷镦钢应具备的主要性能是，具有良好的冷成形性；对于冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和可能高的变形能力。

为此，一般要求冷镦钢的屈强比为0.5~0.65，断面收缩率大于50%。

此外，为避免在冷镦时表面开裂，要求钢材表面质量良好，同时钢材的表面脱碳要尽可能小，采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低。

但是冷镦工艺对原材料的质量要求较高。

可用于交通、机
械和运输等行业应用，适用于生产各种4.8级以下的标准和非标件等优点，通常使用时不需要热处理. 如制造铆钉、垫圈等。

（一）、力学性能要求
1．屈服强度σs及变形抗力尺可能的小，这样可使单位变形力相应减小，以延长模具寿命。

2．钢材的冷变形性能要好，即材料应有较好的塑性，较低的硬度，能在较大的变形程度下不致引起产品开裂。

3．钢材的加工硬化敏感性可能的低，这样不致使冷镦变形过程中的变形力太大。

（二）、化学成份要求
1．碳（C）碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。

含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。

实践证明，含碳量每提高0.1%，其屈服强度σs约提高27.4Mpa；抗拉强度σb提高58.8~78.4Mpa；而伸长率δ则降低4.3%，断面收缩率ψ降低7.3%。

由此可见，钢中含碳量对于钢材的冷塑性变形性能的影响是很大的。

在生产实际中，冷镦，冷挤用钢的含碳量大于0.25%时，要求钢材在拉拔前要进行球化退火。

对于变形程度为65%~80%的冷镦件，不经过中间退火而进行三次镦锻变形时，其含碳量不应超过0.4%。

2．锰（Mn）锰在钢的冶炼中与氧化铁作用（Mn+FeO→MnO+Fe）,主要是为钢脱氧而加入。

锰在钢中硫化铁作用（Mn+FeS→MnS+Fe）,
能减少硫对钢的有害作用。

所形成的硫化锰，可改善钢的切削性能。

锰使钢的抗拉强度σb和屈服强度σs有所提高，塑性有所降低，对于钢的冷塑性变形是不利的。

但是锰对变形力的影响仅为碳的1/4左右。

所以，除特殊要求外，碳钢的含锰量，不宜超过0.9%。

3．硅（Si）硅是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。

当钢中含硅量增加0.1%时，抗拉强度σb提高13.7Mpa。

经验表明，含硅量超过0.17%且含碳量较高时，对钢材的塑性降低有很大的影响。

在钢中适当增加硅的含量，对钢材的综合力学性能，特别是弹性极限有利，还可增加钢的耐蚀性。

但是钢中含硅量超过0.15%时，使钢急剧形成非金属夹杂物。

高硅钢即使退火，也不会软化，降低钢的冷塑性变形性能。

因此，除了产品有高强度性能要求外，冷镦钢总是尽量要求减少硅的含量。

4．硫（S）硫是有害杂质。

钢中的硫在冷镦时会使金属的结晶颗粒彼此分离引起裂纹，硫的存在还促使钢产生热脆和生锈，因此，含硫量应小于0.055%。

优质钢应小于0.04%，由于硫、磷和锰的化合物能改善切削性能、冷镦螺母用钢的含硫量可放宽到0.08~0.12%，以有利于攻螺纹。

但一般没有专为螺母顺利攻螺纹而冶炼的高硫钢材供应。

5．磷（P）磷的固容强化及加工硬化作用极强，在钢中偏析严重，增加了钢的冷脆性，使钢容易受酸的侵蚀，钢中的磷还会恶化冷塑性变形能力，在拉拔时会使线材断裂，冷镦时使产品开裂，钢中的磷含量应控制在0.045%以下。

6．其它合金元素碳钢中其它合金元素，如铬（Cr），钼（Mo），
镍（Ni），等，都作为杂质存在，对钢的影响远不及碳那样大，含量也极其微小。

用途
用冷镦加工方法制造紧固件、连接件(如螺栓、螺母、螺钉、铆钉等)用的钢称为冷镦钢，俗称铆螺钢。

通常使用的有调质型合金钢、低温回火型合金结构钢、低碳低合金高强度钢、铁素体-马氏体双相钢等。

冷镦是在常温下利用金属塑性成形的。

采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低。

但是冷镦工艺对原材料的质量要求较高。

冷镦性能是冷镦钢的重要性能之一。

冷镦钢应具备的主要性能是，具有良好的冷成形性；对于冷镦钢变形要具有尽可能小的阻力和可能高的变形能力。

为此，一般要求冷镦钢的屈强比为0.5~0.65，断面收缩率大于50%。

此外，为避免在冷镦时表面开裂，要求钢材表面质量良好，同时钢材的表面脱碳要尽可能小。

标准规定钢材应进行冷顶试验。

要求试样冷顶锻后冷顶锻前高度之比为高级；1/4；较高及；1/3；普通级；1/2。

一般标准规定为1/2。

冷镦钢因冷成型性能良好，在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工，这种工艺的优点是在节约大量工时的同时，金属消耗可以降低10%~30%，而且产品尺寸精度高，表面光洁度好，生产率高，是近
年来兴起的较先进的机加工工艺。

冷镦钢盘条一般为低、中碳优质碳素结构钢和优质合金结构钢，用来冷镦成型制造各种机械标准件和紧固件。

因冷镦工艺要求该钢具有高的洁净度，控制钢中的Si、Al的含量，采用控制轧制和控制冷却工艺，避免出现马氏体、贝氏体和魏氏体组织，使钢材具有细晶和碳化物球化组织，以提高钢材的塑性和冷顶锻性能。

介绍了国内外冷镦钢的开发和生产情况，化学成分对冷镦性能的影响，冷镦钢的生产工艺特长。

冷镦钢盘条的钢种一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。

冷镦钢产品主要用于汽车、造船、设备制造、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。

冷镦钢因冷成型性能良好，在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工，这种工艺的优点是在节约大量工时的同时，金属消耗可以降低10%~30%，而且产品尺寸精度高，表面光洁度好，生产率高，是近年来兴起的较先进的机加工工艺。

二、成分控制
（一）铁水条件
C%Si%Mn P S T∕
℃
4.20.20
～0.80
≤0.
3
≤0.
15
≤0.
4
≥12
50℃
（二）牌号及要求
牌
号
ML08Al
成分C Si Mn P S Al
.s
Alt
（%）
0.
05～
0.10
≤
0.1
0.
30～
0.60
≤
0.015
≤
0.025
0.
018～
0.048
0.0
2～0.06
目标
0.
05～
0.08
≤
0.8
0.
35～
0.50
≤
0.020
≤
0.015
0.
018～
0.04
0.0
2～0.05
三、冶炼工艺路线
ML08Al冷镦钢的生产工艺流程为：150吨转炉冶炼→钢包炉精炼、钢包吹氩Ar并用MnAl、FeMn、SiCaBa合金和喂CaFe线、CAAl线进行脱氧和合金化→135mm×135mm小方坯连铸→高速线材轧制→成品盘条。

Ml08Al冷镦钢成分（质量成分%）：C0.05～0.100,Si≤0.10,Mn0.30～0.60,P≤0.015,S≤0.025,Al≥0.020,Al.s≥0.018.实验共选取8炉次
有代表性的连铸坯式样，对连铸坯的凝固组织、铸坯的气孔和非金属夹杂物进行检验分析。

取样炉次的工艺参数见表1.
表1 取样炉次工艺参数
试验
编号
12345678
吹氩
时间
55544667
大包aO/10-65
2
9
4
4
6
7
8
3
5
8
7
4
4
8
大包T/℃
1
663
1
630
1
663
1
618
1
611
1
670
1
637
1
627
平均
拉速/(m.min-
1)
1
.90
2
.35
2
.50
1
.95
2
.35
2
.31
2
.43
平均浇铸温度
/℃
1
586
1
554
1
550
1
570
1
572
1
560
1
575
成分
（
质
量
分
数
）
／C0
.07
.08
.07
.05
.06
.06
.06
.05 M
n
.48
.48
.48
.53
.45
.43
.47
.50 S
i
.020
.023
.023
.022
.023
.016
.019
.022 P0
.022
.020
.021
.014
.012
.022
.016
.013 S0*******
%.021.024.0210012.006.011.011.014
剔坯率／%1001
4.4
2
0.0
4
.3
9
.6
（1）转炉和精炼
铁水条件要求：铁水温度≥1250℃、C4.2%、Si0.20%～0.08%、P≤0.15%、Mn≤0.3%、S≤0.4%吹炼过程要求：以脱磷为主要目标，要求全程化渣，炉温平稳上升；终点成分要求:C%≥0.04,以便降低钢中初始氧含量，S、P含量≤0.020%;杜绝过吹、后吹或重吹，严格挡渣，控制转炉下渣量，控制钢包渣厚≤50mm。

降低钢中原始氧含量，控制(【O】)≤80×10-6。

采用复合脱氧技术，出钢温度控制在1625～1645℃。

钢包炉精炼要求造好白渣，炉渣碱度R=3～4，W（CaO）Z在60%左右，终渣[W(feO)+W(MnO)]≤1%,确保炉渣有良好的流动性和还原能力及精炼效果。

含Al钢水通过钙处理，可以较好地防止水口堵塞。

实践表明含Al钢水钙处理时钢水中的钙铝比大于0.1时，可使钢中高熔点的Al2O3与CaO变性生成低熔点低密度的12CaO.7Al2O3（熔点1445℃、密度2.83g/cm3）,从而消除水口结瘤。

如果钙加入量不足，则容易生成高熔点的铝酸钙CaO.6Al2O3、CaO.2Al2O3（熔点1750℃以上），会导致水口堵塞，因此钙的加入量要适当，才能达到所需要的效果。

确保钢水的钙化处理，并有适量的游离钙存在于钢水中，使Al2O3改制为铝酸钙，以减少夹杂物的危害。

理论计算表明1873K时，在12CaO.7Al2O3状态下,加钙时应避免生成CaS,钢水中W(S)要低于0.017%，为此加钙前要控制钢中的T[O]含量和硫含量，钢水还原良好，保证钢中的W(S)要低于
0.015%。

此外钢中酸溶铝也会直接影响钙处理钙处理的效果。

钢中酸溶铝过高或过低，都会引起夹杂物含量增加从而影响钢的质量甚至造成水口结瘤。

资料表明，钢中酸溶铝含量控制过低会增加钢中氧的含量，使氧化物夹杂增加，而钢中酸溶铝含量控制过高，又容易导致与渣中的氧结合，还原渣中的SiO2和MnO等化合物，使钢液中聚集的Al2O3增加。

因此要合理地控制酸溶铝的含量。

实验结果表明，钢中酸溶铝的含量控制在0.02%～0.04%为宜。

2005年10月在生产ML08AL冷镦钢的初期，在3 个浇次3炉钢由于中间包水口频繁结瘤堵塞，导致连铸机停浇，主要是由于钙和铝的含量控制不当造成的，表2为中间包水口铝含量与中间包水口结瘤的关系。

表3为发生中间包水口堵塞的ML08Al钢的化学成分。

由表2和表3可看出只有铝和钙的加入量适当使生产顺利进行。

表2 中间包钢水铝含量与中间包水口结瘤关系
W(Al)／% 中间包水口结瘤率／%
0.02~0.04 3.2
0.05~0.0512.6
0.05~0.0638.2
表3 发生中间包水口堵塞的M;08Al钢的化学成分（质量分数，%）
炉号C Si M
n
P S A
lt
Ca
5 10512 5
0.
09
0.
030
0.
42
0.
015
0.
021
0.
042
0.00
3
5 10518 2
0.
06
0.
023
0.
45
0.
013
0.
006
0.
031
0.00
2
5 10519 6
0.
06
0.
016
0.
43
0.
022
0.
011
0.
49
0.00
4
在吹氩站铁钙线进行钙处理的同时应进行吹氩搅拌，吹氩压力控制在0.6~1.0Mpa,喂铁钙线的速度是喂线工艺的关键参数，喂线过快或过慢都将影响钙处理结果。

经实践检验，最佳的喂入速度为3.0~5.0m/s.喂线处理后，将氩气流量调小，保证钢水在包内轻微运动，弱吹时间控制在3~5min。

（2）精炼
钙处理低碳铝镇静钢从LF精炼终点,直至板坯钢中TO的变化情况,根据理论分析与数理统计,开发出LF精炼终点与板坯全氧含量的快速预报方法.LF精炼终点实际测量值与预报值的TO偏差小于5ppm,能及时指导现场生产,正确控制钢中TO。

兼论了水口蓄流问题,理论与试验都表明当[Ca]／[Al]s≤0.08时,水口易蓄流,当[Ca]／[Al]s≥0.09时,基本不蓄流。

在分析ML08Al冷镦钢对钢中夹杂要求的基础上,设计了LF精炼终渣的组成范围,并确定了相应的现场造渣制度.生产实践表明,精炼渣化渣情况良好,脱硫率较高,能满足生产要求.对连铸方坯洁净度研究表明,在目前生产工艺条件下,铸坯T[O]20×106,大样电解夹杂总量
10mg/10kg钢.同时对钙处理进行了相关热力学探讨,确定了钢中[Ca]的控制范围.
随着用户对钢材质量的要求越来越高,钢包精炼炉(1』兀Ile Funlace简称廿炉)作为提升钢材质量的手段得到了迅速的发展。

钢包精炼炉已成为现代化钢铁生产短流程中不可缺少的一道工序。

LF炉除了采用还原气氛埋弧加热、真空脱气、透气砖吹氢搅拌等二次精炼较成熟的技术外,还引用了合成渣精炼技术,通过合理地造渣可以达到脱硫、脱氧甚至脱氮的目的;可以吸收钢中的夹杂物;可以控制夹杂物的形态;可以形成泡沫渣淹没电弧提高热效率,减少耐火材料侵蚀。

钢包精炼炉已成为现代化钢铁生产短流程中不可缺少的一道工序,而加人成份配比合理的精炼炉炉渣,对LF炉的精炼效果起着重要作用。

2精炼炉炉渣的功能, 配制廿炉精炼渣的基本功能为:(l)深脱硫;(2)深脱氧;(3)起泡埋弧;(4)可去除钢中非金属夹杂物,净化钢液;(5)改变夹杂物的形态;(6)防止钢液二次氧化和保温作用。

渣的熔点一般控制在1300一1450℃,渣1500℃的勃度一般控制在0.25一0.6Pa·s。

精炼渣的基础渣一般多选Caosi仇从仇系三元相图的低熔点位置的渣系。

（3）连铸
严格执行中间包烘烤工艺，保证中间包烘烤时间与烘烤温度；中间包烘烤结束后，检查中间包工作层耐火材料是否脱落，以防止钢水污染，确认正常后进行浇钢；中间包加入碱性钢水覆盖剂，防止钢水二次氧化，同时又能够吸收钢中的非金属夹杂物。

采用铝碳质侵入式水口保护浇注，防止钢水二次氧化，减少钢水温度损失；钢包到中间包采用长水口
加氩气密封保护钢水，长水口处钢水不能暴露。

控制中间包液温度1555~1575℃，同时稳定控制中间包液面高度以稳定拉速，保证连铸坯质量。

连铸坯的凝固组织
对铸坯进行取样分析检测连铸坯的凝固组织，在铸坯横断面的侵蚀式样观测到铸坯激冷层一般在1.5~3.5之间，柱状晶一直生长到接近铸坯中心，中心等轴晶区宽约8~15mm，见图1。

并且随铸坯气孔量增多冷却强度降低，柱状晶粗化。

与一般铸坯的凝固组织相比较，本钢种铸坯凝固组织的柱状晶相当发达，几乎达到穿晶状态。

这主要是由于钢的成分中合金元素含量低，并且铸坯断面小，冷却速度快，使凝固过程中溶质元素偏析低，有利于柱状晶生长。

四、分析及结论
夹杂物观测结果及分析(1)ML08Al冷镦钢连铸坯中主要夹杂物有3种：第1种，二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；第2种，复杂硅酸盐夹杂物；第3种，硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物。

第1种夹杂物主要是钢水氧化产物。

第2种夹杂物主要是钢水氧化产物和脱氧产物的融合物。

(a)铸坯表层r激冷层凝固组织；(b)横断面1／4处，柱状晶凝固组织；(c)铸坯中心处，粗大等轴晶凝固组织图I连铸坯试样的凝固组织Fig．1Macrostructureofcontinuouslycaststrand钢铁第42卷(a)体视显微镜下
的电解夹杂物；(b)硅酸盐相为基体附着硫化物复相夹杂物；(c)硫化物相为基体附着硅酸盐相复相夹杂物图2连铸坯试样的非金属夹杂物形貌Fig．2Morphologyofnonmetallicinclusions第3种夹杂物的形成是由于氧含量较高，使S在铁中的溶解度降低，因此在凝固过程的较高温度下就开始沉淀。

硫化物的析出和钢的脱氧产物液态铁锰硅酸盐的析出同时进行，就形成硅酸盐与硫化物相复合夹杂物。

而由于偏晶反应的结果形成一种球形的硫化物中含有氧化物的溶液，当温度下降时夹杂物中先是硫化物从硅酸盐中析出，而后是氧化物沉淀，固态下是一种双相夹杂物。

]。

当钢水氧含量高，硅含量很低时(如5号样炉次W(Si)一0．006)，将出现大量的铁锰氧化物固溶体夹杂。

钢水含氧高还可造成对耐火材料的侵蚀，产生含zr的复杂硅铝酸盐夹杂。

(2)由7个炉次3种夹杂物平均在3个粒径范围和总量上的体积率分布中，第1和第2两种夹杂物在3个粒径范围都有分布，第3种夹杂主要以10m以下的状态存在，且大多<3m，它的各尺寸平均体积率之和最高，即夹杂中它的含量最高。

但大型夹杂以第1种最多，第2种次之。

(3)在铸坯横断面中心垂直内外弧方向上，由表层至铸坯中心的各炉夹杂物总含量的体积率分布是随机的。

但随钢水氧含量的增高，其各部位夹杂物总量有升高的趋势。

(4)在铸坯横断面中心内外弧方向，7号炉夹杂物总含量的体积率的分布在内弧侧距坯表面约30mm处最高，它的体积率为0．55，见图3。

距坯表面距离／rim图3夹杂物由内弧至外弧方向上的分布图Fig．3Distributionofnon-metallicinclusionsfrominner-arctoouter-arc人量要适当，才能达到所需的效果。

确保钢水的钙化处理，并有适量的游离钙
存在于钢中，使AlO。

改质为铝酸钙，以减少夹杂物的危害。

(3)铸坯中主要夹杂物有3种，即二氧化硅和铁锰硅酸盐球状夹杂物；复杂硅酸盐夹杂物和硅酸盐与硫化物复相或双相夹杂物。

当钢水氧含量高，硅含量很低时出现大量的铁锰氧化物固溶体夹杂。

钢水含氧高还可造成对耐火材料的侵蚀，产生含zr的复杂硅酸盐夹杂。

(4)第3种夹杂主要以10m以下的状态存在，它在铸坯中的氧含量高时大量出现。

但大型夹杂以第1种最多第2种次之。

冷镦钢成型用钢,冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载,广泛用于生产螺钉,销钉,螺母等标准件.冷镦工艺可节省原料,降成本,而且通过冷作硬化提高工作的抗拉强度,改善性能,冷镦用钢必须其有良好的冷顶锻性能,钢中S和P等杂质含量减少,对钢材的表面质量要求严格,经常采用优质碳钢,若钢的含碳钢大于0.25%,应进行球化退火热处理,以改善钢的冷镦性能.冷镦钢盘条一般为低、中碳优质碳素结构钢和优质合金结构钢，用来冷镦成型制造各种机械标准件和紧固件。

因冷镦工艺要求该钢具有高的洁净度，控制钢中的Si、Al的含量，采用控制轧制和控制冷却工艺，避免出现马氏体、贝氏体和魏氏体组织，使钢材具有细晶和碳化物球化组织，以提高钢材的塑性和冷顶锻性能。

介绍了国内外冷镦钢的开发和生产情况，化学成分对冷镦性能的影响，冷镦钢的生产工艺特长。

产品具有成分稳定、有害元素低、钢质纯净度高、尺寸精度高、表面缺陷少等优点，使用时不需要热处理、冷镦开裂率低，可用于交通、机械和运输等行业应用。

冷镦钢盘条的钢种一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。

冷镦钢产品主要用于汽车、造船、设备制造、电子、家
电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。

冷镦钢因冷成型性能良好，在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工，这种工艺的优点是在节约大量工时的同时，金属消耗可以降低10%~30%，而且产品尺寸精度高，表面光洁度好，生产率高，是近年来兴起的较先进的机加工工艺。