雙相高強鋼煉鋼工藝技術優化與應用

張永青

（山東鋼鐵集團日照有限公司 煉鋼廠，山東 日照276800）

1 前 言

雙相高強鋼具有無時效、低屈強比和高加工硬化性能等優異特性。在同等屈服強度水平下，雙相高強鋼比高強度低合金鋼具有更高的強度，是結構類零件首選材料之一。采用雙相高強鋼沖壓汽車零部件，不僅可減輕汽車自重、降低油耗，還可顯著提高汽車零部件的使用壽命，保證汽車安全行駛。隨著汽車工業向輕量化、綠色化、高強化發展，沖壓用材以及高強度鋼材得以不斷開發應用，雙相高強鋼也越來越受到汽車用材的青睞。

雙相高強鋼要求低P、低S、低N、窄成分、高潔凈度和鑄坯高內部質量，對煉鋼冶煉技術要求非常高，如何連續、穩定、低成本、高質量地生產雙相高強鋼，是煉鋼需要盡快解決的問題。

2 煉鋼工藝優化

2.1 設備概況

煉鋼廠主要生產設備是210 t 轉爐，KR 鐵水脫硫預處理，在線吹氬喂絲站，雙工位LF 精煉爐，雙工位RH真空爐，230 mm×1 950 mm雙流板坯連鑄機。連鑄機采用普瑞特技術，具有大包下渣檢測、結晶器在線調寬、液位自動控制及自動澆鋼、動態二冷配水、動態輕壓下等先進技術。

2.2 成分優化設計

雙相高強鋼要獲得高的強度，理論上需要較高的碳和硅。但含碳量增加會損壞鋼焊接性能，并導致塑性降低；硅含量增加不利于熱鍍鋅工藝和表面質量控制。從汽車板使用工藝性能考慮，需要按低碳低硅設計，但單一的低碳低硅成分設計，很難得到雙相高強鋼所要求的組織和力學性能，特別是雙相高強鋼的馬氏體體積分數和強度指標；因此，為得到需要的強度，還要借助于Nb、Ti 微合金化來提高鋼的淬透性，除了獲得所需組織結構外，還可以通過固溶強化和晶粒細化來實現高強度的要求［1］。

鉻元素可以提高雙相高強鋼的淬透性，提高奧氏體轉變溫度，使馬氏體組織比率降低；同時，鉻元素通過改變馬氏體形態和分布，還有利于提高鋼板的塑性和加工硬化能力［2］。

根據以上分析，結合實驗室數據，將雙相高強鋼成分設計成表1所示。

表1 雙相高強鋼成分設計明細（質量分數） %

2.3 轉爐后攪工藝

轉爐終點采用后攪90 s工藝，可降低鋼中氧含量，促進碳氧平衡，提高脫氧合金收得率，減少脫氧夾雜。高強雙相鋼采用后攪工藝后的數據統計分析如表2所示。

表2 高強雙相鋼后攪數據對比統計（22爐）

從表2 數據可以看出，后攪可以有效促進C-O反應和鋼水P、S與爐渣之間反應，從而降低鋼水中O、P、S含量。通過后攪，鋼水平均碳氧積由原來的25×10-8降低為20×10-8，鋼中自由氧由平均386×10-6降低為平均302×10-6。另外，當鋼中C較低、自由氧較高時，后攪過程可以促進碳氧平衡，氧含量降低比C高時更加明顯，這樣就使得即使在鋼中終點碳比較低的情況下，鋼中自由氧含量仍然較低，不但減少了脫氧合金化后鋼中夾雜含量，提高了合金回收率，還減少了爐襯侵蝕。

2.4 低［P］鋼冶煉工藝優化

鋼中P 的控制只能從轉爐冶煉過程來控制。低P鋼冶煉采取的措施有：1）轉爐采用留渣少渣單渣法冶煉工藝，在石灰消耗30 kg/t、紅渣量≤100 kg/t 情況下，可將P 含量穩定控制在0.010%以下。2）使用前期出鋼口雙擋工藝，出鋼時間≥5 min，嚴格控制下渣量。3）出鋼過程加入小顆粒石灰、螢石進行渣洗，根據下渣量不同，頂渣石灰按600～1 000 kg、螢石按200～250 kg來控制。

2.5 低［S］鋼冶煉工藝優化

為減少轉爐、LF精煉脫硫負擔，KR必須將鐵水S 含量深脫到≤0.002 0%，扒渣后鐵水亮面≥90%；轉爐全部采用自產優質廢鋼，確保轉爐出鋼S含量≤0.005 0%；LF進站溫度≥1 560 ℃，底吹良好，鋼包到站后快速成渣，在15 min左右可以將鋼水S含量穩定控制在≤0.002 0%。

2.6 轉爐脫氧合金化工藝優化

成分采用低碳低硅設計，則轉爐終點碳低氧高。采用常規方式脫氧，脫氧劑回收率低，脫氧夾雜產物量大，且精煉處理后鋼水Al、Ti燒損大，回硅明顯，成分也無法精確控制。因此，優化出鋼脫氧工藝，出鋼時采用焦末+碳化鈣預脫氧再加鋁錳鐵脫氧的新工藝，CAS 站根據取樣成分喂入鋁線調整，保證鋼水到LF時Als≥0.015%，為高效精煉和快速脫硫創造條件。

2.7 鋼水［O］、［N］控制工藝優化

由于LF 處理過程中，電弧沖擊區處于高溫狀態，O、N 在鋼水中平衡溶解度增加，加之電弧作用下氣體分子電離，造成鋼水增氮和鋼水自由氧濃度增加。另外，加熱過程中，一方面電弧作用下熔池表面形成凹坑，如果埋弧效果不好，凹坑處鋼水裸露，吸氮明顯。另一方面，加熱過程中電弧強大的射流會將周圍的大量氣體吸入弧柱中，并電離成單原子狀態，加劇氮原子在鋼液中的溶解。

LF冶煉采用石灰+鋁鎂鈣+螢石大氬氣攪拌造渣新工藝，同時加熱過程中還加入30～50 kg CaC發泡精煉渣，提高精煉渣發泡埋弧效果。另外，LF精煉除塵采用全自動微正壓控制，減少鋼水裸露吸氮［3］。冶煉過程中，鋼包底吹采用中低強度攪拌，電極升溫采用6 檔化渣、4 檔升溫的高效精煉新工藝，使得LF精煉周期可穩定控制在32 min左右。

2.8 連鑄增氮、增氧控制

連鑄機采用高堿度（R≥3.5）覆蓋劑，提高了夾雜吸附效果，鋼板夾雜評級全部≤1.5級。中間包開澆前采用2 min 預吹氬排空氣工藝，減少開澆鋼水二次氧化。大包保護套管采用膨脹石棉墊，并將大包保護澆注氬氣流量由70 L/min優化到100 L/min，提高密封保護效果，使得大中包增氮、增氧≤3×10-6，大中包Als燒損≤0.005 0%。中包上線后，先連接氬氣管，打開氬氣3 L/min，測試氬氣上水口環封透氣情況，確認管路無堵塞后，再使用耳塞堵住上水口環封透氣孔，觀察背壓是否正常。水口抽風過程中，氬氣流量設置為10 L/min，防止板間吸氣氧化。通過以上措施采取，連鑄機開澆后板間背壓＞10 kPa。

2.9 保護渣優化

針對雙相高強鋼微合金元素種類多、鋁含量高、含銅、鋼種裂紋敏感性強等特點，經過多次試驗、對比和優化，最終選擇堿度為1.28～1.30、熔點1 202 ℃、黏度0.20 Pa·s的保護渣，銅板與坯殼之間傳熱良好，液渣補充及時，有效防止了鑄坯表面裂紋的產生，鑄坯一次合格率控制在98%以上。

2.10 溫度拉速制度優化

針對雙相高強鋼微合金元素多、裂紋敏感性強、內部質量要求嚴的特點，通過實際數據對比，將雙相高強鋼過熱度由20～35 ℃調整為15～30 ℃，連鑄機拉速由1.3～1.4 m/min 調整到1.2～1.3 m/min，采用低過熱度恒速澆注工藝，提高了連鑄機結晶器液面穩定性，減少了結晶器液面卷渣。

2.11 二冷配水模型優化

根據雙相高強鋼裂紋敏感性強這一特點，連鑄機二冷配水模型需采用弱冷。通過不斷摸索、對比，確定采用APeri包晶鋼動態配水，且將二冷比水量由0.65 L/kg優化為0.58 L/kg，重點減少了矯直段及弧形段水量。通過現場測溫對比發現，矯直段溫度提高了近50 ℃（由原來的860 ℃左右提高到了910 ℃左右），避開了裂紋敏感性強的脆性區，連鑄坯內弧矯直橫裂紋缺陷也未再發生。

2.12 ASTC動態輕壓下優化

根據雙相高強鋼成分特點，通過對比試驗，將連鑄機動態輕壓下模型由Dyn ALowC 調整為Dyn APeri模型，壓下量由3.2 mm提高至3.5 mm，壓下區間對應在糊狀區的固相率為0.7左右。對比調整前后的低倍結果，低倍偏析、疏松缺陷得到明顯改善，具體如圖1、圖2所示。

圖1 雙相高強鋼Dyn ALowC輕壓下模型時偏析、疏松情況

圖2 雙相高強鋼Dyn APeri 輕壓下模型時偏析、疏松情況

3 結 語

通過雙相高強鋼煉鋼工藝的優化與實踐，2020年1#、2#連鑄機已生產了16 152 t 高強雙相鋼，成分控制合格率100%，平均磷含量0.010%，平均硫含量0.001 5%，平均氮含量0.002 5%，平均氧含量0.002 4%，連鑄坯一次合格率高達98%，鑄坯軋制后冶煉改判率僅有0.25%，最終實現了雙相高強鋼在煉鋼廠的高質量連續穩定生產。