烘烤硬化鋼煉鋼工藝控制實踐

張玉秀，張燕平，姜仁波，姜名貞

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

超低碳高強度烘烤硬化鋼，是在超低碳鋼（C<0.005%，N<0.004%）中加入適量的 Nb 或 Ti，使鋼中的C、N 原子絕大部分被固定成碳氮化物[Ti（CN）]、[Nb（CN）]來保證其深沖性[1]，再輔助添加 Mn、P 等固溶強化元素來獲得一定強度級別的材料。烘烤硬化鋼沖壓前較軟，易于成型加工，在成形后的烤漆過程中強度升高，提高零件的抗凹陷性能[2]。因此，烘烤硬化鋼被廣泛應用于生產汽車外板。

1 冶煉生產工藝確定

唐鋼不銹鋼公司研發超低碳烘烤硬化鋼CR180BH，冶煉工藝路線為鐵水預處理-轉爐-RH精煉-連鑄（板坯）。目標成分要求如下表1 所示。

在烘烤硬化鋼中，烘烤硬化值是烘烤硬化鋼的重要性能指標。固溶碳含量對烘烤硬化值影響很大，尤其是超低碳烘烤硬化鋼。因此在超低碳烘烤硬化鋼的開發過程中，一般對固溶碳含量的要求非常苛刻，目標值的誤差范圍窄至質量百分含量±0.0003%。固溶碳含量主要受碳含量和Nb、Ti 等合金元素含量控制，一般依據碳含量調整Nb 合金的加入量進行控制。

2 生產過程控制

2.1 脫硫過程控制

表1 烘烤硬化鋼成分標準/%

S 是對深沖性產生不利影響的元素，應盡量降低其含量，通常可以允許控制在0.05%以下。因此，冶煉過程中，先將鐵水依次進行預脫硫和扒渣處理，扒渣后要保證露亮面95%以上。入爐鐵水溫度要求＞1 300 ℃，鐵水 Si 含量在 0.3%～0.8%，C 含量大于4%，鐵水不滿足要求轉爐加硅鐵提溫，經過預處理后的鐵水硫目標值≤0.0030%。

2.2 轉爐冶煉過程控制

轉爐冶煉烘烤硬化鋼對磷、硫和氣體含量要求較低，為保證鋼水中較低的氮含量水平，轉爐底吹供氣模式由普通鋼種的氮氬切換模式調整為全程吹氬模式。在轉爐吹煉前期，底吹采用較大的供氣強度，以加強熔池的攪拌，促進碳氧反應的進行；在碳氧反應激烈的中期，生成大量的CO 氣泡，適當降低底吹供氣強度也可達到較好的脫氮效果；在吹煉中后期，碳氧反應減弱，再適當增加底吹供氣強度，通過底吹氬氣及時補充熔池中的氣泡，以減緩轉爐冶煉后期由于碳氧反應減弱造成的增氮的現象[3]。

轉爐冶煉終點，采取終點氧位≤750 ppm、終點溫度≥1 715 ℃的低氧位高溫度出鋼的操作，以保證RH 升溫吹氧量≤50 Nm3，滿足全流程溫度需求；出鋼量約10 噸時開始加入石灰和螢石；出鋼結束關閉底吹后，立即加入爐渣改質劑，讓鋼包改質所需要的渣料快速熔化，保護鋼水液面不裸露，快速吸附夾雜，避免鋼水二次氧化，提高鋼水潔凈度。

2.3 RH 冶煉過程控制

RH 冶煉過程控制是獲得合格烘烤硬化鋼的關鍵過程，在該階段，RH 終點C 控制穩定性和合金元素精準控制至關重要。

2.3.1 RH 終點 C 控制

（1）RH 最佳脫碳時間。對RH 生產過程的脫碳進行取樣分析，見圖1。由圖 1 可以看出，0～5 min 為自然脫碳階段，碳氧反應比較劇烈，為防止噴濺，一般在前3 min 進行保壓操作；5～10 min，鋼水中碳含量降低，與鋼水中氧發生反應的碳總量降低，此階段真空度已降至最低，一般進行吹氧脫碳或吹氧升溫操作；10 min 以后，鋼水中碳含量一般≤50 ppm，為碳氧反應的限制性環節，只能通過延長脫碳時間來進行脫碳[4]。因此，冶煉烘烤硬化鋼盡可能縮短脫碳周期，保證最佳脫碳時間。

圖1 RH 脫碳量統計

（2）RH 終點C 的主要控制點。生產過程中，對RH 整個生產過程進行微觀流程梳理，找出RH 終點C 的主要控制點，主要包括：RH 真空度、提升氣體孔、真空室冷鋼、下料溜槽粘渣、合金中的殘余碳以及RH 過程取樣等。因此，制定詳細的RH 標準操作流程，開發適用的溫度模型，優化冶煉周期，通過調整進站鋼水條件、氣體流量、終脫氧位、真空度、脫碳時間等參數，保證RH 在15 min 內穩定控碳≤15 ppm。

2.3.2 成分的精準控制

（1）使用專用合金以控制殘余元素對鋼水成分的影響。烘烤硬化鋼對合金殘余元素含量要求嚴格，因此要針對工藝生產要求下發烘烤硬化鋼專用合金的技術條件，對殘余元素含量及氧氮含量均做出嚴格要求，對合金生產組裝批次也進行了規定，降低合金元素含量波動對實際生產造成的不利影響。

（2）合金化操作的精準控制。Nb 含量的多少直接影響鋼水過剩碳，故當碳成分接近上限時，鈮也要按上限控制，以保證過剩碳合格。要求對RH 合金化操作精準控制，使用金屬錳調錳、磷鐵調磷、高碳錳鐵調碳、鈮鐵調鈮、鈦鐵調鈦、硼鐵調硼。RH 操作合金化流程圖如圖2 所示。

圖2 RH 操作合金化流程圖

2.4 連鑄過程控制

連鑄過程的增碳也是烘烤硬化鋼的控制重點。為保證連鑄過程碳的穩定，對連鑄工序耐材進行優化控制，以提高控制增碳的能力。

2.4.1 全流程耐材控碳

（1）使用鋼包澆注料。對鋼包磚進行檢測，結果如下表2 所示。為控制增碳，冶煉烘烤硬化鋼鋼包由鋼包磚換為鋼包澆注料，保證渣線、包壁、包底均為無碳材料。

表2 鋼包磚中心檢測結果 /%

（2）使用無碳涂抹料中間包和無碳中包覆蓋劑。干式料與中間包涂抹料成分對比如表3 所示。由表3 可知，涂抹料大大降低了C 成分含量。因此，為減少中間包增碳，冶煉烘烤硬化鋼使用無碳中包涂抹料配合無碳中包覆蓋劑。

表3 干式料與涂抹料成分對比 /%

2.4.2 保證化驗準確性

烘烤硬化鋼 C 含量低且范圍窄，Nb、Ti、B 含量分析精度要求高，因此光譜分析難度較大。為保證化驗準確性，化驗室通過細化分析流程，對光譜儀的Nb、Ti、B 等的工作曲線進行分析，將參數優化并對現有超低碳標樣值進行碳硫分析驗證，對部分生產樣品進行光譜與碳硫比對分析，驗證檢測結果，以減少檢測偏差帶來的影響，保證成分化驗的準確性。

3 生產情況跟蹤

經過各工序的相互配合，以及各項措施的實施，從2019 年5 月至今，唐山不銹鋼公司生產烘烤硬化鋼情況如表4 所示。由表4 可知，烘烤硬化鋼過剩C、N 和T.O 水平控制良好，通過生產試制后的烘烤硬化值完全滿足客戶的使用需求。

4 結論

烘烤硬化鋼CR180BH 開發的重點和難點是鋼中碳含量的控制，其對CR180BH 鋼烘烤硬化值影響很大。通過采取以下措施，有效控制了冶煉的過程增碳，最終實現了超低碳烘烤硬化鋼的生產。

表4 烘烤硬化鋼生產情況

（1）轉爐冶煉過程中全程底吹氬、低終點氧位、高終點溫度的操作有利于降低烘烤硬化鋼氧、氮含量的水平，保證烘烤硬化鋼冶煉合格率；

（2）RH 生產過程中，盡可能縮短脫碳周期，通過調整進站鋼水條件、氣體流量、終脫氧位、真空度、脫碳時間等參數，保證RH 在15 min 內穩定控碳≤15 ppm；

（3）使用專用合金控制鋼中殘余合金元素，并對合金化操作進行精準控制，降低了合金殘余元素對烘烤硬化鋼成分的影響；

（4）加強對全流程耐材的管理，使用渣線、包壁、包底均為無碳材料的鋼包，無碳涂抹料中間包和無碳中包覆蓋劑，能夠有效控制過程增碳。