双相高强钢炼钢工艺技术优化与应用

张永青

（山东钢铁集团日照有限公司 炼钢厂，山东 日照276800）

1 前 言

双相高强钢具有无时效、低屈强比和高加工硬化性能等优异特性。在同等屈服强度水平下，双相高强钢比高强度低合金钢具有更高的强度，是结构类零件首选材料之一。采用双相高强钢冲压汽车零部件，不仅可减轻汽车自重、降低油耗，还可显著提高汽车零部件的使用寿命，保证汽车安全行驶。随着汽车工业向轻量化、绿色化、高强化发展，冲压用材以及高强度钢材得以不断开发应用，双相高强钢也越来越受到汽车用材的青睐。

双相高强钢要求低P、低S、低N、窄成分、高洁净度和铸坯高内部质量，对炼钢冶炼技术要求非常高，如何连续、稳定、低成本、高质量地生产双相高强钢，是炼钢需要尽快解决的问题。

2 炼钢工艺优化

2.1 设备概况

炼钢厂主要生产设备是210 t 转炉，KR 铁水脱硫预处理，在线吹氩喂丝站，双工位LF 精炼炉，双工位RH真空炉，230 mm×1 950 mm双流板坯连铸机。连铸机采用普瑞特技术，具有大包下渣检测、结晶器在线调宽、液位自动控制及自动浇钢、动态二冷配水、动态轻压下等先进技术。

2.2 成分优化设计

双相高强钢要获得高的强度，理论上需要较高的碳和硅。但含碳量增加会损坏钢焊接性能，并导致塑性降低；硅含量增加不利于热镀锌工艺和表面质量控制。从汽车板使用工艺性能考虑，需要按低碳低硅设计，但单一的低碳低硅成分设计，很难得到双相高强钢所要求的组织和力学性能，特别是双相高强钢的马氏体体积分数和强度指标；因此，为得到需要的强度，还要借助于Nb、Ti 微合金化来提高钢的淬透性，除了获得所需组织结构外，还可以通过固溶强化和晶粒细化来实现高强度的要求［1］。

铬元素可以提高双相高强钢的淬透性，提高奥氏体转变温度，使马氏体组织比率降低；同时，铬元素通过改变马氏体形态和分布，还有利于提高钢板的塑性和加工硬化能力［2］。

根据以上分析，结合实验室数据，将双相高强钢成分设计成表1所示。

表1 双相高强钢成分设计明细（质量分数） %

2.3 转炉后搅工艺

转炉终点采用后搅90 s工艺，可降低钢中氧含量，促进碳氧平衡，提高脱氧合金收得率，减少脱氧夹杂。高强双相钢采用后搅工艺后的数据统计分析如表2所示。

表2 高强双相钢后搅数据对比统计（22炉）

从表2 数据可以看出，后搅可以有效促进C-O反应和钢水P、S与炉渣之间反应，从而降低钢水中O、P、S含量。通过后搅，钢水平均碳氧积由原来的25×10-8降低为20×10-8，钢中自由氧由平均386×10-6降低为平均302×10-6。另外，当钢中C较低、自由氧较高时，后搅过程可以促进碳氧平衡，氧含量降低比C高时更加明显，这样就使得即使在钢中终点碳比较低的情况下，钢中自由氧含量仍然较低，不但减少了脱氧合金化后钢中夹杂含量，提高了合金回收率，还减少了炉衬侵蚀。

2.4 低［P］钢冶炼工艺优化

钢中P 的控制只能从转炉冶炼过程来控制。低P钢冶炼采取的措施有：1）转炉采用留渣少渣单渣法冶炼工艺，在石灰消耗30 kg/t、红渣量≤100 kg/t 情况下，可将P 含量稳定控制在0.010%以下。2）使用前期出钢口双挡工艺，出钢时间≥5 min，严格控制下渣量。3）出钢过程加入小颗粒石灰、萤石进行渣洗，根据下渣量不同，顶渣石灰按600～1 000 kg、萤石按200～250 kg来控制。

2.5 低［S］钢冶炼工艺优化

为减少转炉、LF精炼脱硫负担，KR必须将铁水S 含量深脱到≤0.002 0%，扒渣后铁水亮面≥90%；转炉全部采用自产优质废钢，确保转炉出钢S含量≤0.005 0%；LF进站温度≥1 560 ℃，底吹良好，钢包到站后快速成渣，在15 min左右可以将钢水S含量稳定控制在≤0.002 0%。

2.6 转炉脱氧合金化工艺优化

成分采用低碳低硅设计，则转炉终点碳低氧高。采用常规方式脱氧，脱氧剂回收率低，脱氧夹杂产物量大，且精炼处理后钢水Al、Ti烧损大，回硅明显，成分也无法精确控制。因此，优化出钢脱氧工艺，出钢时采用焦末+碳化钙预脱氧再加铝锰铁脱氧的新工艺，CAS 站根据取样成分喂入铝线调整，保证钢水到LF时Als≥0.015%，为高效精炼和快速脱硫创造条件。

2.7 钢水［O］、［N］控制工艺优化

由于LF 处理过程中，电弧冲击区处于高温状态，O、N 在钢水中平衡溶解度增加，加之电弧作用下气体分子电离，造成钢水增氮和钢水自由氧浓度增加。另外，加热过程中，一方面电弧作用下熔池表面形成凹坑，如果埋弧效果不好，凹坑处钢水裸露，吸氮明显。另一方面，加热过程中电弧强大的射流会将周围的大量气体吸入弧柱中，并电离成单原子状态，加剧氮原子在钢液中的溶解。

LF冶炼采用石灰+铝镁钙+萤石大氩气搅拌造渣新工艺，同时加热过程中还加入30～50 kg CaC发泡精炼渣，提高精炼渣发泡埋弧效果。另外，LF精炼除尘采用全自动微正压控制，减少钢水裸露吸氮［3］。冶炼过程中，钢包底吹采用中低强度搅拌，电极升温采用6 档化渣、4 档升温的高效精炼新工艺，使得LF精炼周期可稳定控制在32 min左右。

2.8 连铸增氮、增氧控制

连铸机采用高碱度（R≥3.5）覆盖剂，提高了夹杂吸附效果，钢板夹杂评级全部≤1.5级。中间包开浇前采用2 min 预吹氩排空气工艺，减少开浇钢水二次氧化。大包保护套管采用膨胀石棉垫，并将大包保护浇注氩气流量由70 L/min优化到100 L/min，提高密封保护效果，使得大中包增氮、增氧≤3×10-6，大中包Als烧损≤0.005 0%。中包上线后，先连接氩气管，打开氩气3 L/min，测试氩气上水口环封透气情况，确认管路无堵塞后，再使用耳塞堵住上水口环封透气孔，观察背压是否正常。水口抽风过程中，氩气流量设置为10 L/min，防止板间吸气氧化。通过以上措施采取，连铸机开浇后板间背压＞10 kPa。

2.9 保护渣优化

针对双相高强钢微合金元素种类多、铝含量高、含铜、钢种裂纹敏感性强等特点，经过多次试验、对比和优化，最终选择碱度为1.28～1.30、熔点1 202 ℃、黏度0.20 Pa·s的保护渣，铜板与坯壳之间传热良好，液渣补充及时，有效防止了铸坯表面裂纹的产生，铸坯一次合格率控制在98%以上。

2.10 温度拉速制度优化

针对双相高强钢微合金元素多、裂纹敏感性强、内部质量要求严的特点，通过实际数据对比，将双相高强钢过热度由20～35 ℃调整为15～30 ℃，连铸机拉速由1.3～1.4 m/min 调整到1.2～1.3 m/min，采用低过热度恒速浇注工艺，提高了连铸机结晶器液面稳定性，减少了结晶器液面卷渣。

2.11 二冷配水模型优化

根据双相高强钢裂纹敏感性强这一特点，连铸机二冷配水模型需采用弱冷。通过不断摸索、对比，确定采用APeri包晶钢动态配水，且将二冷比水量由0.65 L/kg优化为0.58 L/kg，重点减少了矫直段及弧形段水量。通过现场测温对比发现，矫直段温度提高了近50 ℃（由原来的860 ℃左右提高到了910 ℃左右），避开了裂纹敏感性强的脆性区，连铸坯内弧矫直横裂纹缺陷也未再发生。

2.12 ASTC动态轻压下优化

根据双相高强钢成分特点，通过对比试验，将连铸机动态轻压下模型由Dyn ALowC 调整为Dyn APeri模型，压下量由3.2 mm提高至3.5 mm，压下区间对应在糊状区的固相率为0.7左右。对比调整前后的低倍结果，低倍偏析、疏松缺陷得到明显改善，具体如图1、图2所示。

图1 双相高强钢Dyn ALowC轻压下模型时偏析、疏松情况

图2 双相高强钢Dyn APeri 轻压下模型时偏析、疏松情况

3 结 语

通过双相高强钢炼钢工艺的优化与实践，2020年1#、2#连铸机已生产了16 152 t 高强双相钢，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%，连铸坯一次合格率高达98%，铸坯轧制后冶炼改判率仅有0.25%，最终实现了双相高强钢在炼钢厂的高质量连续稳定生产。