本發明涉及冶金領域的非調質鋼的生產工藝，具體的說是一種EAF-LF-VD-CCM短流程生產線制造控硫控鋁控氮高檔非調質鋼的生產工藝。
背景技術：
鋼鐵材料有著良好的強度和低溫韌性，因此在機械、汽車、工程制造業中占有重要地位。鋼的質量和壽命以及加工性能直接制約著經濟發展和節能環保。20世紀70年代開始的石油危機，對汽車工業用材和工藝產生了強烈的影響，對能否省去耗能很大的調質工序產生了極大興趣，從而促進了非調質鋼的研制與開發。非調質鋼是熱軋或者熱鍛后的鋼鐵材料不經過正火、淬火和回火的調質處理而直接投入使用的鋼鐵材料，具有簡化生產工藝，取消淬火、回火工序，減少變形開裂，提高產品性能和綠色環保等優點，降低了生產能耗和成本。
目前非調質鋼主要用于汽車工業。為了發揮其節能、節材等優點,逐漸將其應用范圍擴大到建筑用材、重型工程結構、高壓輸送管道、橋梁、高壓容器、集裝箱、船舶等。這些用途的鋼材一般占社會對鋼材總需求量的60％左右,所以非調質鋼應用前景廣闊,將成為現代鋼鐵工業的主力產品之一。但與國外先進水平相比,中國非調質鋼的生產與應用仍處于較低水平。隨著中國現代交通運輸業的快速發展,能源供需矛盾尖銳、環保要求日益迫切,對高品質非調質鋼制品的需求劇增,要求其具有良好的冶金質量和性能水平，在開發高強韌非調質鋼的同時做好非調質鋼生產與應用的基礎工作，是擴大非調質鋼應用的一個重要方面。
細化鋼的晶粒能有效地提高鋼的韌性、保持高強度。非調質鋼中常添加Al、Ti、N等元素，通過析出AlN、TiN來釘扎奧氏體晶界，提高奧氏體晶粒長大激活能量，在加熱時阻止晶粒長大，在形變過程中抑制奧氏體再結晶，從而細化奧氏體晶粒。增氮可提高T iN的穩定性,阻止奧氏體晶粒粗化，試驗表明，每增加10ppm的氮可以提高非調質鋼6～10MPa的屈服強度。加Ti與不加Ti鋼斷裂試驗對比結果表明，其裂紋產生能量相近，而含Ti鋼因其組織精細裂紋擴展阻力加大，裂紋擴展能量提高，因而韌性提高。為了提高非調質鋼的切削性能,在非調質鋼中通常加入0.02％～0.08％的硫，同時又能起到奧氐體晶粒細化的作用。因此控鋁控氮控硫非調質鋼成為汽車用非調質鋼的主流鋼種。
為了保證非調質鋼零部件的服役壽命,對鋼材的潔凈度提出了越來越嚴格的要求，非調質鋼的生產研發大多開始于電爐短流程生產線，但絕大多數電爐短流程生產線配以EAF-LF-VD-CCM流程。VD工藝具有鋼渣混沖，去氣去夾雜的作用，生產低硫鋼具備得天獨厚的條件。對于控鋁控氮控硫非調質鋼來說，難度巨大，主要原因為提高鋼水潔凈度,采用鋼包精煉加VD真空脫氣工藝,以盡可能降低鋼中氧含量；精煉渣采用高堿度渣系而形成還原性氣氛,以改善夾雜物上浮條件,避免鋼液二次氧化。然而,上述工藝形成的還原性氣氛、低氧含量也促進了鋼水的脫硫,加之VD中鋼渣接觸面積加大，同時VD處理后加入大量的氮化合金、鋁鐵等調整成分，極大地污染了鋼水，使得高檔非調質鋼要求的高潔凈度和控硫控氮在煉鋼生產上存在較大矛盾，較長時期無法生產出高品質的非調質鋼。
技術實現要素：
本發明涉及的控硫控鋁控氮高檔非調質鋼主要應用于汽車發動機系統，如曲軸用鋼38MnSiVS5等、連桿用鋼C70S6、46MnVS6等；汽車轉向系統，如轉向節用鋼F40MnVS等；汽車行駛系統，如控制臂用鋼20MnCrS5等；汽車傳動系統，如傳動軸用鋼F45MnVS、銷軸用鋼C38MnNS5等等，它們有一個共同特點就是絕大多數汽車用鋼的基本要求，即零缺陷高純凈高強韌性，對于EAF-LF-VD-CCM工序流程來說，其關鍵技術就是確定最佳的精煉脫氧造渣工藝、增硫增氮工藝、鈣處理工藝以及連鑄全保護、電磁攪拌、二冷配水和輕壓下工藝技術，實現穩定澆鑄。
因此，本發明所要解決的技術問題是：如何在不需要進行調質處理下提高控硫控鋁控氮高檔非調質鋼的純凈度，使其具有優異的抗疲勞性能。
本發明解決以上技術問題的技術方案是：
一種控硫控鋁控氮非調質鋼的生產工藝，其工藝流程為：廢鋼+熱裝鐵水→電弧爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→大方坯連鑄成坯(EAF-LF-VD-CCM工序流程)，所述非調質鋼中S、Alt和N的質量百分比含量分別為：S：0.020-0.055，Alt：0.015-0.055％，N：0.070-0.150％；
⑴電爐出鋼前通過二次補加鐵水脫氧，將鋼水氧含量控制在300ppm以下；
⑵在電弧爐冶煉出鋼過程中鋼包底攪正常吹氬氣，主要元素除S、Alt、N外，使用相應種類合金及增碳劑調整到判定范圍下限的85％，Alt到精煉爐第一個樣達判定成分范圍中上限；
⑶精煉過程如果成品成分氮含量在100ppm以上，則全程吹氮氣35-50分鐘，如果氮含量在70-100ppm，縮短吹氮時間，吹氮氣時間控制在25-40分鐘，并切換為氬氣攪拌；除鋼中N和S成分外，對其它成分按判定中限進行點成分控制，分別使用硅錳、硅鐵、高純石墨碳材和釩鐵調整Mn、C、V元素至判定范圍中限，Si至中下限；精煉結束進真空前用鋁線微調Alt達0.040-0.055％，S≤0.008％；鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.2-0.3kg，其它成分調整至規定范圍，首爐溫度達鋼種液相線溫度以上150-160℃，連澆爐在鋼種液相線溫度以上140-150℃后進真空處理；
⑷VD真空處理過程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分鐘切換底攪氣為氬氣，在真空度≤1毫巴下處理10-12min，破真空后用鋁線微調Al至目標值，弱鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.05-0.1kg，無明確要求不添加Ti的鋼種，喂入鈦鐵包芯線0.5kg/t鋼，同時用氮化硅鐵包芯線微調氮含量至前后爐次成分相近，成分偏差在10ppm內，軟吹氬時間5-10min，后用硫磺包芯線調整S至目標值，調整S后的軟吹氬時間控制為8～15min，加硫后嚴禁返回升溫，軟吹氬過程中取樣分析全元素，所有元素滿足判定范圍且軟吹氬時間滿足工藝要求后即可進行連鑄澆注；
⑸連鑄澆注全程采用中間包灌氬操作進行保護澆注，選擇鋼水死區比例小于10％的優化流場型專用中間包，非調質鋼使用中間包鋼水平均停留時間850-920s，無短路流。
本發明的有益效果是：⑴本發明的控硫控鋁控氮高檔非調質鋼純凈度高，成分和低倍組織均勻，各向異性小，有淬透性要求的可實現帶寬在4HRC以內，交貨前的A級聯合探傷一次合格率內傷穩定在100％；⑵本發明可確保冶煉、連鑄過程順行，滿足用戶大批量訂單需要；⑶本發明生產的汽車用鋼不需要進行調質處理，用戶可直接用于車削加工，且切削性能好，同時具有優異的疲勞性能，可替代部分進口產品，實現國產化。
具體實施方式
實施例1
本實施例是一種控硫控鋁控氮非調質鋼的生產工藝，利用EAF-LF-VD-CCM工序流程生產出控硫控鋁控氮高檔非調質鋼的工藝方法，非調質鋼中S、Alt和N的質量百分比含量分別為：S：0.020-0.055，Alt：0.015-0.055％，N：0.070-0.150％，本實施例生產工藝在以下工藝流程中開展：廢鋼+熱裝鐵水→100t EBT電弧爐冶煉→100t LF精煉→100t VD真空脫氣→大方坯連鑄成坯。
本發明所述內容在上述工藝流程中通過以下技術措施來實現的：
⑴電爐出鋼前通過二次補加1～3噸鐵水脫氧將鋼水氧含量控制在300ppm以下，這是實現穩定澆鑄及高純凈度的關鍵工藝技術之一。
⑵在100t EBT電弧爐冶煉出鋼過程中鋼包底攪正常吹氬氣，主要元素除S、Alt、N外使用相應種類合金及增碳劑調整到判定范圍下限的85％，Alt到精煉爐第一個樣達判定成分范圍中上限。
⑶100t LF精煉過程正常生產狀況下成品成分在100ppm以上氮含量的全程吹氮氣(壓力流量同氬氣使用)，35～50分鐘，氮含量在70～100ppm，適當縮短吹氮時間，切換為氬氣攪拌。除鋼中N和S成分外，對其它成分按判定中限進行點成分控制，分別使用硅錳、硅鐵、高純石墨碳材、釩鐵等調整Mn、C、V等元素至判定范圍中限，Si至中下限；精煉結束進真空前用鋁線微調Alt達：(0.040-0.055)％，S：≤0.008％，鈣處理，噸鋼喂鈣量控制在(0.2-0.3)kg，其它成分調整至規定范圍、溫度合適后進真空處理。
⑷100t VD真空處理過程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分鐘切換底攪氣為氬氣，在真空度≤1毫巴下處理(10-12)min，破真空后用鋁線微調Al至目標值，弱鈣處理，噸鋼喂鈣量控制在(0.05-0.1)kg，無明確要求不準添加Ti的鋼種，可喂入鈦鐵包芯線0.5kg/t鋼，同時用氮化硅鐵包芯線微調氮含量至前后爐次成分相近，軟吹氬時間≥5min，后用硫磺包芯線調整S至目標值，調整S后的軟吹氬時間控制在8-15min，加硫后嚴禁返回升溫，軟吹氬過程中取樣分析全元素，所有元素滿足判定范圍且軟吹氬時間滿足工藝要求后即可進行連鑄澆注。這是實現穩定澆鑄及高純凈度的關鍵工藝技術之三。
⑸連鑄澆注全程采用中間包灌氬操作進行保護澆注，根據鋼種需要選擇使用流場優化型中包，高檔非調質鋼可使用中間包鋼水平均停留時間大于850s，無短路流，鋼水死區比例小于10％的優化流場型專用中間包。結晶器電磁攪拌參數選擇350A*2Hz，輕壓下使用2332模式。
本實施例的控硫控鋁控氮高檔非調質鋼純凈度高，成分和低倍組織均勻，各向異性小，有淬透性要求的可實現帶寬在4HRC以內，交貨前的A級聯合探傷一次合格率內傷穩定在100％；可確保冶煉、連鑄過程順行，滿足用戶大批量訂單需要；生產的汽車用鋼不需要進行調質處理，用戶可直接用于車削加工，且切削性能好，同時具有優異的疲勞性能，可替代部分進口產品，實現國產化。
實施例2
本實施例是一種控硫控鋁控氮非調質鋼的生產工藝，具體為：
⑴電爐出鋼前通過二次補加鐵水脫氧，將鋼水氧含量控制在300ppm以下；
⑵在電弧爐冶煉出鋼過程中鋼包底攪正常吹氬氣，主要元素除S、Alt、N外，使用相應種類合金及增碳劑調整到判定范圍下限的85％，Alt到精煉爐第一個樣達判定成分范圍中上限；
⑶精煉過程如果成品成分氮含量在100ppm以上，則全程吹氮氣35分鐘，如果氮含量在70ppm，縮短吹氮時間，吹氮氣時間控制在25分鐘，并切換為氬氣攪拌；除鋼中N和S成分外，對其它成分按判定中限進行點成分控制，分別使用硅錳、硅鐵、高純石墨碳材和釩鐵調整Mn、C、V元素至判定范圍中限，Si至中下限；精煉結束進真空前用鋁線微調Alt達0.040-0.055％，S≤0.008％；鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.2kg，其它成分調整至規定范圍，首爐溫度達鋼種液相線溫度以上150℃，連澆爐在鋼種液相線溫度以上140℃后進真空處理；
⑷VD真空處理過程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分鐘切換底攪氣為氬氣，在真空度≤1毫巴下處理10min，破真空后用鋁線微調Al至目標值，弱鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.05-0.1kg，無明確要求不添加Ti的鋼種，喂入鈦鐵包芯線0.5kg/t鋼，同時用氮化硅鐵包芯線微調氮含量至前后爐次成分相近，成分偏差在10ppm內，軟吹氬時間5min，后用硫磺包芯線調整S至目標值，調整S后的軟吹氬時間控制為8min，加硫后嚴禁返回升溫，軟吹氬過程中取樣分析全元素，所有元素滿足判定范圍且軟吹氬時間滿足工藝要求后即可進行連鑄澆注；
⑸連鑄澆注全程采用中間包灌氬操作進行保護澆注，選擇鋼水死區比例小于10％的優化流場型專用中間包，非調質鋼使用中間包鋼水平均停留時間850s，無短路流。
實施例3
本實施例是一種控硫控鋁控氮非調質鋼的生產工藝，具體為：
⑴電爐出鋼前通過二次補加鐵水脫氧，將鋼水氧含量控制在300ppm以下；
⑵在電弧爐冶煉出鋼過程中鋼包底攪正常吹氬氣，主要元素除S、Alt、N外，使用相應種類合金及增碳劑調整到判定范圍下限的85％，Alt到精煉爐第一個樣達判定成分范圍中上限；
⑶精煉過程如果成品成分氮含量在100ppm以上，則全程吹氮氣40分鐘，如果氮含量在80ppm，縮短吹氮時間，吹氮氣時間控制在30分鐘，并切換為氬氣攪拌；除鋼中N和S成分外，對其它成分按判定中限進行點成分控制，分別使用硅錳、硅鐵、高純石墨碳材和釩鐵調整Mn、C、V元素至判定范圍中限，Si至中下限；精煉結束進真空前用鋁線微調Alt達0.045％，S≤0.008％；鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.25kg，其它成分調整至規定范圍，首爐溫度達鋼種液相線溫度以上155℃，連澆爐在鋼種液相線溫度以上145℃后進真空處理；
⑷VD真空處理過程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分鐘切換底攪氣為氬氣，在真空度≤1毫巴下處理11min，破真空后用鋁線微調Al至目標值，弱鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.08kg，無明確要求不添加Ti的鋼種，喂入鈦鐵包芯線0.5kg/t鋼，同時用氮化硅鐵包芯線微調氮含量至前后爐次成分相近，成分偏差在10ppm內，軟吹氬時間8min，后用硫磺包芯線調整S至目標值，調整S后的軟吹氬時間控制為10min，加硫后嚴禁返回升溫，軟吹氬過程中取樣分析全元素，所有元素滿足判定范圍且軟吹氬時間滿足工藝要求后即可進行連鑄澆注；
⑸連鑄澆注全程采用中間包灌氬操作進行保護澆注，選擇鋼水死區比例小于10％的優化流場型專用中間包，非調質鋼使用中間包鋼水平均停留時間900s，無短路流。
實施例4
本實施例是一種控硫控鋁控氮非調質鋼的生產工藝，具體為：
⑴電爐出鋼前通過二次補加鐵水脫氧，將鋼水氧含量控制在300ppm以下；
⑵在電弧爐冶煉出鋼過程中鋼包底攪正常吹氬氣，主要元素除S、Alt、N外，使用相應種類合金及增碳劑調整到判定范圍下限的85％，Alt到精煉爐第一個樣達判定成分范圍中上限；
⑶精煉過程如果成品成分氮含量在100ppm以上，則全程吹氮氣50分鐘，如果氮含量在100ppm，縮短吹氮時間，吹氮氣時間控制在40分鐘，并切換為氬氣攪拌；除鋼中N和S成分外，對其它成分按判定中限進行點成分控制，分別使用硅錳、硅鐵、高純石墨碳材和釩鐵調整Mn、C、V元素至判定范圍中限，Si至中下限；精煉結束進真空前用鋁線微調Alt達0.055％，S≤0.008％；鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.3kg，其它成分調整至規定范圍，首爐溫度達鋼種液相線溫度以上160℃，連澆爐在鋼種液相線溫度以上150℃后進真空處理；
⑷VD真空處理過程中，真空保持前全程吹氮，破真空前3分鐘切換底攪氣為氬氣，在真空度≤1毫巴下處理12min，破真空后用鋁線微調Al至目標值，弱鈣處理，噸鋼喂鈣量控制為0.1kg，無明確要求不添加Ti的鋼種，喂入鈦鐵包芯線0.5kg/t鋼，同時用氮化硅鐵包芯線微調氮含量至前后爐次成分相近，成分偏差在10ppm內，軟吹氬時間10min，后用硫磺包芯線調整S至目標值，調整S后的軟吹氬時間控制為15min，加硫后嚴禁返回升溫，軟吹氬過程中取樣分析全元素，所有元素滿足判定范圍且軟吹氬時間滿足工藝要求后即可進行連鑄澆注；
⑸連鑄澆注全程采用中間包灌氬操作進行保護澆注，選擇鋼水死區比例小于10％的優化流場型專用中間包，非調質鋼使用中間包鋼水平均停留時間920s，無短路流。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。