烘烤硬化钢炼钢工艺控制实践

张玉秀，张燕平，姜仁波，姜名贞

（唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

超低碳高强度烘烤硬化钢，是在超低碳钢（C<0.005%，N<0.004%）中加入适量的 Nb 或 Ti，使钢中的C、N 原子绝大部分被固定成碳氮化物[Ti（CN）]、[Nb（CN）]来保证其深冲性[1]，再辅助添加 Mn、P 等固溶强化元素来获得一定强度级别的材料。烘烤硬化钢冲压前较软，易于成型加工，在成形后的烤漆过程中强度升高，提高零件的抗凹陷性能[2]。因此，烘烤硬化钢被广泛应用于生产汽车外板。

1 冶炼生产工艺确定

唐钢不锈钢公司研发超低碳烘烤硬化钢CR180BH，冶炼工艺路线为铁水预处理-转炉-RH精炼-连铸（板坯）。目标成分要求如下表1 所示。

在烘烤硬化钢中，烘烤硬化值是烘烤硬化钢的重要性能指标。固溶碳含量对烘烤硬化值影响很大，尤其是超低碳烘烤硬化钢。因此在超低碳烘烤硬化钢的开发过程中，一般对固溶碳含量的要求非常苛刻，目标值的误差范围窄至质量百分含量±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，一般依据碳含量调整Nb 合金的加入量进行控制。

2 生产过程控制

2.1 脱硫过程控制

表1 烘烤硬化钢成分标准/%

S 是对深冲性产生不利影响的元素，应尽量降低其含量，通常可以允许控制在0.05%以下。因此，冶炼过程中，先将铁水依次进行预脱硫和扒渣处理，扒渣后要保证露亮面95%以上。入炉铁水温度要求＞1 300 ℃，铁水 Si 含量在 0.3%～0.8%，C 含量大于4%，铁水不满足要求转炉加硅铁提温，经过预处理后的铁水硫目标值≤0.0030%。

2.2 转炉冶炼过程控制

转炉冶炼烘烤硬化钢对磷、硫和气体含量要求较低，为保证钢水中较低的氮含量水平，转炉底吹供气模式由普通钢种的氮氩切换模式调整为全程吹氩模式。在转炉吹炼前期，底吹采用较大的供气强度，以加强熔池的搅拌，促进碳氧反应的进行；在碳氧反应激烈的中期，生成大量的CO 气泡，适当降低底吹供气强度也可达到较好的脱氮效果；在吹炼中后期，碳氧反应减弱，再适当增加底吹供气强度，通过底吹氩气及时补充熔池中的气泡，以减缓转炉冶炼后期由于碳氧反应减弱造成的增氮的现象[3]。

转炉冶炼终点，采取终点氧位≤750 ppm、终点温度≥1 715 ℃的低氧位高温度出钢的操作，以保证RH 升温吹氧量≤50 Nm3，满足全流程温度需求；出钢量约10 吨时开始加入石灰和萤石；出钢结束关闭底吹后，立即加入炉渣改质剂，让钢包改质所需要的渣料快速熔化，保护钢水液面不裸露，快速吸附夹杂，避免钢水二次氧化，提高钢水洁净度。

2.3 RH 冶炼过程控制

RH 冶炼过程控制是获得合格烘烤硬化钢的关键过程，在该阶段，RH 终点C 控制稳定性和合金元素精准控制至关重要。

2.3.1 RH 终点 C 控制

（1）RH 最佳脱碳时间。对RH 生产过程的脱碳进行取样分析，见图1。由图 1 可以看出，0～5 min 为自然脱碳阶段，碳氧反应比较剧烈，为防止喷溅，一般在前3 min 进行保压操作；5～10 min，钢水中碳含量降低，与钢水中氧发生反应的碳总量降低，此阶段真空度已降至最低，一般进行吹氧脱碳或吹氧升温操作；10 min 以后，钢水中碳含量一般≤50 ppm，为碳氧反应的限制性环节，只能通过延长脱碳时间来进行脱碳[4]。因此，冶炼烘烤硬化钢尽可能缩短脱碳周期，保证最佳脱碳时间。

图1 RH 脱碳量统计

（2）RH 终点C 的主要控制点。生产过程中，对RH 整个生产过程进行微观流程梳理，找出RH 终点C 的主要控制点，主要包括：RH 真空度、提升气体孔、真空室冷钢、下料溜槽粘渣、合金中的残余碳以及RH 过程取样等。因此，制定详细的RH 标准操作流程，开发适用的温度模型，优化冶炼周期，通过调整进站钢水条件、气体流量、终脱氧位、真空度、脱碳时间等参数，保证RH 在15 min 内稳定控碳≤15 ppm。

2.3.2 成分的精准控制

（1）使用专用合金以控制残余元素对钢水成分的影响。烘烤硬化钢对合金残余元素含量要求严格，因此要针对工艺生产要求下发烘烤硬化钢专用合金的技术条件，对残余元素含量及氧氮含量均做出严格要求，对合金生产组装批次也进行了规定，降低合金元素含量波动对实际生产造成的不利影响。

（2）合金化操作的精准控制。Nb 含量的多少直接影响钢水过剩碳，故当碳成分接近上限时，铌也要按上限控制，以保证过剩碳合格。要求对RH 合金化操作精准控制，使用金属锰调锰、磷铁调磷、高碳锰铁调碳、铌铁调铌、钛铁调钛、硼铁调硼。RH 操作合金化流程图如图2 所示。

图2 RH 操作合金化流程图

2.4 连铸过程控制

连铸过程的增碳也是烘烤硬化钢的控制重点。为保证连铸过程碳的稳定，对连铸工序耐材进行优化控制，以提高控制增碳的能力。

2.4.1 全流程耐材控碳

（1）使用钢包浇注料。对钢包砖进行检测，结果如下表2 所示。为控制增碳，冶炼烘烤硬化钢钢包由钢包砖换为钢包浇注料，保证渣线、包壁、包底均为无碳材料。

表2 钢包砖中心检测结果 /%

（2）使用无碳涂抹料中间包和无碳中包覆盖剂。干式料与中间包涂抹料成分对比如表3 所示。由表3 可知，涂抹料大大降低了C 成分含量。因此，为减少中间包增碳，冶炼烘烤硬化钢使用无碳中包涂抹料配合无碳中包覆盖剂。

表3 干式料与涂抹料成分对比 /%

2.4.2 保证化验准确性

烘烤硬化钢 C 含量低且范围窄，Nb、Ti、B 含量分析精度要求高，因此光谱分析难度较大。为保证化验准确性，化验室通过细化分析流程，对光谱仪的Nb、Ti、B 等的工作曲线进行分析，将参数优化并对现有超低碳标样值进行碳硫分析验证，对部分生产样品进行光谱与碳硫比对分析，验证检测结果，以减少检测偏差带来的影响，保证成分化验的准确性。

3 生产情况跟踪

经过各工序的相互配合，以及各项措施的实施，从2019 年5 月至今，唐山不锈钢公司生产烘烤硬化钢情况如表4 所示。由表4 可知，烘烤硬化钢过剩C、N 和T.O 水平控制良好，通过生产试制后的烘烤硬化值完全满足客户的使用需求。

4 结论

烘烤硬化钢CR180BH 开发的重点和难点是钢中碳含量的控制，其对CR180BH 钢烘烤硬化值影响很大。通过采取以下措施，有效控制了冶炼的过程增碳，最终实现了超低碳烘烤硬化钢的生产。

表4 烘烤硬化钢生产情况

（1）转炉冶炼过程中全程底吹氩、低终点氧位、高终点温度的操作有利于降低烘烤硬化钢氧、氮含量的水平，保证烘烤硬化钢冶炼合格率；

（2）RH 生产过程中，尽可能缩短脱碳周期，通过调整进站钢水条件、气体流量、终脱氧位、真空度、脱碳时间等参数，保证RH 在15 min 内稳定控碳≤15 ppm；

（3）使用专用合金控制钢中残余合金元素，并对合金化操作进行精准控制，降低了合金残余元素对烘烤硬化钢成分的影响；

（4）加强对全流程耐材的管理，使用渣线、包壁、包底均为无碳材料的钢包，无碳涂抹料中间包和无碳中包覆盖剂，能够有效控制过程增碳。