65Mn弹簧钢的研究与开发论文

65Mn弹簧钢的研究与开发
彭骞
（水城钢铁集团有限责任公司炼钢厂邮编：553028）摘要：论述了100 t 顶底复吹转炉生产65Mn弹簧钢的冶炼、LF 炉精炼、连铸工艺、高线轧制工艺，通过对生产工艺进行研究与控制，65Mn钢盘条产品质量满足了GB/4354-1994 标准要求，获得了用户的好评。

关健词：100 t 顶底复吹转炉 LF 炉精炼连铸高线轧制 65Mn弹簧钢
65Mn兼具高碳及低合金钢的特点，主要用于制作普通弹簧钢丝、油淬火-回火弹簧钢丝、汽车和农用车减震器弹簧、其它机械弹簧、钢丝绳等金属制品的重要原料，产品质量要求高，是一种高附加值产品，市场需求量大，以往大多采用电炉工艺生产，生产成本较高。

随着水钢新炼钢的投产，铁水预脱硫、LF精炼、中间包塞棒控制及电磁搅拌等新工艺的相继投用，新高线的投产，产品开发硬件已具备，2008年8月份，成功开发并试生产了3炉钢，产量250吨，产品性能良好，得到用户的好评。

一、65Mn钢化学成分及工艺路线
1 化学成分
参照 GB699 优质碳素结构钢标准和 GB/4354-1994 重要用途碳素弹簧钢丝（65Mn ）标准，结合水钢高炉铁水成分、温度的状况和炼钢厂精炼装备水平，制定企业65Mn钢内控成分，见表1
化学成分按下表要求执行：表1
65Mn钢要求［N］≤ 40×10-6，T［O］≤50 × 10-6，其盘条力学性能要求为：抗拉强度 950～1100 MPa，断后延伸率≥ 10%，断面伸缩率≥ 30%。

2 工艺路线
高炉铁水→900 t混铁炉→100 t顶底复吹转炉冶炼→100t LF炉精炼→150 mm ×150 mm 方坯连铸→铸坯热送（冷送）→步进式加热炉→28架高速线材轧机轧制→检验→打包→入
库。

3 主要设备及参数
3.1公称容量100 t两座顶底复吹转炉，冶炼周期35 min，出钢量88 t；
3.2100 t钢包精炼炉一座，变压器功率20 MV A，升温速度0～5 o C／min；
3.3两台6机6流全弧形方坯连铸机，断面150mm×150mm，弧形半径R=8 m，带液面全程自动控制，结晶器安装电磁搅拌。

大包长水口带Ar 封全程保护浇注，中间包容量28吨，采用塞棒控制技术以及中间包连续测温装置。

3.4 一座步进式加热炉，容量达120吨/小时，以及28架高速（97m/s）线材轧机轧制。

二、生产工艺
1 转炉冶炼工艺
冶炼65Mn 钢工艺的关键：①早、中期的造渣脱磷；②中、后期的造渣脱硫；③终点控制C -T协调。

终渣良好，保证［P］，［S］合格出钢；［C］，［O］控制合适，保证C Si Mn 成分的稳定；④合理的脱氧合金化。

2008年8月3炉65Mn冶炼终点控制成分见表2 。

65Mn冶炼终点控制成分见表2 。

从表2 可看出，终点［C ］含量合理，［S ］，［P ］含量较低，可满足工艺要求。

1.1 “双渣法”脱磷
冶炼前、中期钢水温度低，渣中（FeO ）高，具有良好的脱磷条件。

针对水钢高炉铁水磷含量偏高（0.110% ～0.150%）、渣量大的特点，采用“双渣法”操作，即吹炼前期加入石灰约占30 ～40 kg/t（全部加入量的2/3），保证前期渣碱度在2.5 ～2. 8。

吹氧300 s 后，倒掉前期渣。

采用“双渣法”脱磷后，95%以上的炉次冶炼终点［P］小于等于0.015%
1.2 终点［C］的控制
冶炼65Mn 钢，终点［C］控制有高拉碳补吹法和低拉碳增碳法两种方式，各有优缺点，结合炼钢厂冶炼操作的特点，终点碳控制采用低拉碳增碳法：吹氧800 s左右后倒炉，拉碳至0.08% ～0.15%放钢，出钢再增碳。

这样做有4点好处：
（1）钢水［O］较低，一般在3.5 ×10 -4以下；
（2）［C］在该范围内，样模内碳含量目测较准确，避免了碳高目测不准现象，缩短了化验分析时间，冶炼周期相应缩短，使炉机匹配更趋合理；
（3 ）终点［S ］，［P ］可满足要求；
（4）增碳剂加入量也较稳定，避免了成分波动。

1.3 脱氧合金化采用高钡（Ba≥18%）硅钙钡作终点脱氧剂，用量180 kg/炉，有效地保证了钢水中氧的去除和夹杂物的变形、去除。

2 LF 炉精炼及钙处理工艺
2.1 LF精炼
LF精炼采用石灰，预熔型合成渣，埋弧渣造还原渣，总渣用量为12 ～15 kg/t。

精炼前期采用高电压、短弧操作，使造渣材料尽快熔化，形成泡沫状。

精炼渣碱度应控制在 2.5～3.0 范围内，渣子化好后，应采用低电压、大电流埋弧操作，升温速度在2～4 ℃/min的范围内并且保证白渣时间大于10 min，充分去除夹杂和降低钢中的T［O］量；同时向钢包喂Si-Ca 线，对夹杂物进行变性处理，喂入量 2 m/t。

喂线后软吹氩时间不小于8 min。

炉精炼的主要作用：
（1）脱氧、脱硫、去除夹杂、气体；
（2）均匀钢水成分温度，并为连铸提供温度稳定的钢水；
（3）微调钢水成分。

2.1.1、工艺流程：钢水进站→测温、预吹Ar→入位、成分粗调→加热、造白渣→测温、取样→成分微调、二次精炼→测温→出位→成份精调（调C）、喂丝、取样→软吹Ar、测温→加保温剂→连铸
2.1.2、过程控制：钢水进站加入200kg/炉二元合成渣（或石灰）和300kg/炉精炼渣，强吹氩3 min，强度以钢水不翻出钢包为准，然后进行成份初调，在相应的到站温度下，采用相应的抽头化渣，精炼3分钟后合成渣（或石灰）300kg。

采用电石、SiFe粉（粒度≤3mm）造白渣，要求白渣时间大于等于10 min。

在供电8min内形成液态白渣， 10min后提升电极测温、取样；再下电极进行精炼。

待10分钟精炼样化验结果出来后，根据结果进行成份微调，微调后强吹氩3分钟取样送检，下电极升温。

精炼过程调节氩气流量，防止精炼大翻溢渣，并调节除尘风机风量保证正压操作。

精炼结束后喂硅钙线200m/炉进行钙处理，喂线后软吹氩8～10分钟，软吹氩渣面微微涌动不裸露钢水，确保夹杂物上浮去除。

精炼周期（入LF炉加热位到软吹完毕）按40～45min控制，出精炼站钢水成份和温度按下表控制：
出精炼站钢水成份和温度
为了使白渣快速形成，我们在精炼前期向渣面上加入10-15kg/炉铝粒进行脱氧，其氧活度的变化如下：
从上表看，加铝粒后氧活度有明显降低的趋势，但软吹后有所升高，主要是由于吹氩过程钢液二次氧化所造成，因此在软吹过程氩气不能太大，以液面波动不裸露钢液为宜。

3、连铸工艺
铸坯中心偏析、疏松及内部裂纹、夹杂物含量高是影响铸坯内在质量的主要缺陷，65Mn 属中高碳钢，由于其碳含量高，钢水在结晶器内形成的有效坯壳较薄，且相对应力较大，易形成内裂纹，因此，结合炼钢厂方坯铸机的实际情况，结晶器采取了强冷，水量为100 t/h，坯壳相对较厚；二冷采用弱冷，比水量0.6 L/kg 并实行自动配水，目标拉速2 m/min，辅之以液面自动控制，并采用了电磁搅拌技术，使铸坯易于产生的疏松、缩孔、偏析等问题得到有效的控制，保证了铸坯质量和生产的稳定。

3.1采用65Mn钢自动配水曲线，浇注过程采用全保护浇注。

大包保护浇注长水口、中间包保护浇注长水口均为AL-C质，大包保护浇注长水口采用氩气密封、中包保护长水口采用耐高温纤维垫密封，中间包在开浇前进行充氩处理，减少二次氧化,中间包保温材料采用无碳覆盖剂,中包液面必须控制在600～700mm，液面波动±50m m。

为避免中间包水口结瘤，采取了以下措施：
（1）采用性能更好的SiAlBaCa合金代替SiAl- Ba 合金作为终脱氧剂；（2）精炼尽量采用Si 脱氧，减少Al的用量；（3）对精炼后的钢水喂Si-Ca，进行钙处理，保证喂丝后的吹氩时间；（4）做好连铸全程保护浇注，大包长水口+ Ar 封，保证中间包覆盖良好，防止钢水二次氧化；（5）严格控制增碳剂的质量；（6）加强中间包烘烤管理，保证中间包烘烤干燥。

为避免铸坯中心偏析，采取了以下措施：
（1）严格控制中间包浇注温度，1 495 ～1 515℃，Δ≤T 40 ℃；
（2）根据中间包温度合理控制拉速，当中间包温度在1 495 ～1 515 ℃，拉速为 1.6 ～1.8 m/min；
（3）采用结晶器电磁搅拌，来减轻中心疏松和偏析，实践证明，采用EMS，I=250A，f= 6HZ，铸坯内部组织得到明显改善；
（4）二冷配水采用弱冷，抑制柱状晶生长，比水量为0.6 L/kg。

4 轧制工艺
4.1 加热工艺
由于65Mn弹簧钢导热性能差、热敏感性强和易脱碳等特点的影响，因此，65Mn钢坯在加热的过程中，要经常注意钢坯温度和加热炉炉内温度的状况，以保证钢坯不过热、不过烧、温度均匀，且通条温度差不大于50℃。

加热炉温度控制如下：
加热段1180～1230℃，
均热段1150～1200℃，
出钢温度1020～1080℃，目标控制值：1050℃
钢坯加热应均匀，钢坯头、中、尾温差≤50℃，加热过程中防止钢坯出现过热、过烧等现象；炉内为微还原性气氛；若停轧时间在30min以上立即降温到900℃保温。

4.２轧制控制：
（1）出预穿水温度880~910℃；吐丝温度控制在830~860℃，目标值850℃。

（2）轧后三段水箱全部开启。

4.３冷却运输线要求
4.３.1辊道速度设定
4.３.2风机、辊道主速度控制
4.３.3保温罩控制
（1）方案一的保温罩控制：1—7#全开，剩下的全部加盖；
（2）方案二的保温罩控制：1—8#全开，剩下的全部加盖。

（3）方案三的保温罩控制：1—5#全开，剩下的全部加盖。

控制要点: 吐丝温度控制在850℃，相变温度控制在590℃，进罩温度分别控制在570℃、550℃、530℃。

（控制曲线图见附页）
4.4精轧工艺
精轧区域开轧温度≥950℃，终轧温度≥850℃。

由于弹簧钢变形抗力大，所以要合理分配各道次的压下量，同时注意观察各架轧机的电流情况。

在宽度上，由于弹簧钢比普碳钢宽展要大，因此要合理控制带钢的外型尺寸。

精轧主控台试车速度不得超过6m/s，正常后轧制速度不得超过8 m/s。

精轧调整工要经常检查粗轧二架9孔来料尺寸，按规定时间
对带钢外形尺寸进行卡量，尺寸异常或外形不好应对精轧机组及时调整。

精轧压下规程及速度制度见表5
三、工艺效果
１、低倍控制情况
从上表来看，这次生产的三炉钢，中心疏松为0～2.5级，最大缩孔为2.0级，无中心裂纹和中间裂纹。

２、轧制后力学性能情况
从上表看，这三炉钢的力学性能检验结果为：断面伸缩率46.5～57.5%,断后伸长率A5:17.5～20.5%,抗拉强度Rm为1010～1100 Mpa符合标准要求。

3 以上三个方案的金相组织如下图1、图2、图3所示。

从试验结果来看，方案二同方案三相比，由于冷速较快些，故而σb略大；方案一的金相组织发现少量的屈氏体，有表面过冷却现象，因而方案二的试样具有较好的综合机械性能，尤其是δ10，ψ较好拉拔性能较好。

图1 图2 图3
4、用户反馈情况。

检验结果完全满足用户的要求，该系列产品已被重庆市场用户认可。

四、结论
1、水钢采用转炉-精炼-连铸-高线轧制工艺生产 65Mn弹簧钢，通过对全过程实行质量控制，高线盘条产品质量完全能达到 GB/T4354-1994标准要求，满足用户要求。

2、合理的转炉冶炼工艺，做好挡渣出钢，是稳定钢水增碳，提高成分命中率的关键。

3、合理的脱氧合金化工艺，做好全程保护浇铸，是解决钢水流动性，水口易结瘤的根本措施。

4、65Mn 弹簧钢的质量控制主要是解决夹杂物控制和铸坯内部中心疏松和碳偏析，采用电磁搅拌，控制中间包钢水温度，合理的拉速和二冷配水是获得内部质量良好铸坯的基本保证。