CN103981449A - 一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，是选用低硫磷炉料、利用酸性电弧炉冶炼钢液、炉外精炼，高温退火、一次淬火+回火的制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，本方法工序少，效率高，成本低，制备的低合金铸钢硬度高、耐磨性好，同时韧性好，可用于水泥建材、矿山和燃煤电力等领域中使用的工件，如磨机衬板、篦板和盲板等。这些工件不仅受磨料的冲击力作用，而且受磨料的摩擦力，经常因为韧性不足而断裂，由于耐磨性不足而快速磨损失效现象。本方法制备的高韧耐磨低合金钢材料，可有效预防工件的断裂和快速磨损失效问题，且制备工序少，效率高，成本低，具有较好的推广应用前景。

Description

一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种低合金耐磨铸钢的制备方法，特别是一种利用电弧炉制备低合金耐磨铸钢的方法，用该方法制备的是一种高韧耐磨铸钢。
背景技术：
低合金耐磨铸钢在水泥建材、矿山和燃煤电力等领域中得到广泛应用，在高韧性前提下提高钢的硬度和高硬度前提下提高钢的韧性是低合金耐磨铸钢研究的两大难点。采用不同合金化和优化热处理工艺，可以获得马氏体+残余奥氏体、马氏体+贝氏体、贝氏体+残余奥氏体、马氏体+残余奥氏体+碳化物等不同组织，得到一定范围的力学性能。而采用适当的熔炼和精炼方法得到高纯净的钢液是进一步提高钢的综合力学性能的另一关键因素。炼钢方法一般有电弧炉、感应炉、转炉和电渣重熔等，其中电弧炉和感应炉为应用最广泛的两种方法。
感应炉熔炼温度不够高，炉渣温度低，没有冶金反应，不能脱硫磷，对炉料品质的要求较高。电弧炉可以大量使用废钢和回炉料，有很强的熔化、氧化和还原能力，冶金能力很强，能有效地除去气体和夹杂物，调质非常方便，每个炉次都能很好地控制，钢材质量能得到保证，适于优质合金钢的熔炼。
电弧炉依照炉渣和炉衬耐火材料的性质分为酸性和碱性两种：酸性电弧炉和碱性电弧炉的优缺点为：(1)碱性电弧炉能有效地去除钢中的有害元素磷、硫；酸性炉无去除磷硫的能力，对炉料质量要求高，要用含磷硫低的原材料。(2)碱性电弧炉衬MgO炉衬的耐急冷、急热性差，在间歇式熔炼条件下，炉衬寿命短，导致熔炼成本高；酸性电弧炉SiO2炉衬耐急冷、急热性好，炉衬寿命长，熔炼成本低。(3)酸性炉渣阻止气体透过的能力大于碱性渣，侵入气体少，FeO少，弱碱性，脱氧剂加入量少，杂质少，因此钢液的气体夹杂物少。(4)酸性炉由于不脱磷硫，冶炼时间短，熔炼工艺简单，熔炼效率高，经济性好。(5)酸性炉钢液升温快，热效率高，造渣少，节能。
国内采用酸性电弧炉熔炼高韧耐磨钢的研究报道较少。铸造技术2006,27(7)公开了采用中频感应炉熔炼钢液，比较了生产的ZG42Cr2MnSi2MoRE铸钢衬板铸件经二次淬火回火和一次淬火回火的力学性能，冲击韧性值采用无缺口试样进行检测。中国专利1989年1月25日公开的“中合金变质耐磨铸钢”，采用感应电炉熔炼钢液，采用罐装强制方法加入0.05％-0.08％的稀土铈(Ce)，生产的衬板铸件经900-940℃淬火、230-270℃回火具有高强度、高硬度和高韧性。可以看出，此两种方法均采用感应电炉熔炼钢液。
发明内容：
综上所述，为了克服现有技术问题的不足，本发明提供了一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，是选用低硫磷炉料、利用酸性电弧炉冶炼钢液、炉外精炼，高温退火、一次淬火+回火的制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，本方法工序少，效率高，成本低，制备的低合金铸钢硬度高、耐磨性好，同时韧性好，可用于水泥建材、矿山和燃煤电力等领域中使用的工件，如磨机衬板、篦板和盲板等。这些工件不仅受磨料的冲击力作用，而且受磨料的摩擦力，经常因为韧性不足而断裂，由于耐磨性不足而快速磨损失效现象。本方法制备的高韧耐磨低合金钢材料，可有效预防工件的断裂和快速磨损失效问题，且制备工序少，效率高，成本低，具有较好的推广应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用电弧炉制备的低合金高韧耐磨铸钢，包括以下质量百分比的原料：
C：0.38％～0.45％，Si：1.40％～1.70％，Mn：0.80％～1.10％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.60％～2.00％，Mo：0.30％～0.40％，RE：0.20％，余量为Fe。
一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，包括以下步骤：
第一步、利用电弧炉制备的低合金高韧耐磨铸钢包括以下质量百分比的原料：C：0.38％～0.45％，Si：1.40％～1.70％，Mn：0.80％～1.10％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.60％～2.00％，Mo：0.30％～0.40％，RE：0.20％，余量为Fe；
第二步、采用电弧炉熔炼钢液：将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液，所用炉料为37％～42％的40Cr锻边废钢，20％～23％的冲压废钢料边，2％～2.5％的Z14优质生铁，余量为一般碳素废钢；
第三步、在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，向每吨钢液中加入1～1.5kg的碳化硅进行充分还原；钢液温度达到1710～1740℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1730～1750℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液温度达到1710～1730℃时即可翻炉出钢；
第四步、熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，加入铝锭终脱氧，加入量为1kg/t钢水，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入200kg小包，同时在小包中加入称量好的稀土，小包中脱氧铝加入量为45g/包，小包转包到造型工位浇注，浇注温度控制为1560～1600℃；
第五步、热处理方法：浇注的铸件需进行热处理，包括高温退火、一次淬火+回火；高温退火工艺为：铸件加热到960℃，保温7h出炉，在炉中冷却至500℃时出炉空冷；淬火+回火工艺为：铸件加热到920℃，保温4h出炉，在20～90℃油中冷却，然后将铸件加热到260℃保温4h回火；
第六步、制备得到的铸钢经检测，组织为马氏体，有时有少量残余奥氏体，硬度大于50HRC,标准U型夏比缺口冲击韧性值ak大于20J/cm2。
进一步、所述的电弧炉熔炼钢液是采用酸性电弧炉熔炼钢液。
进一步、所述的第二步中所用炉料为37％的40Cr锻边废钢、20％的冲压废钢料边、2％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液。
进一步、所述的第二步中所用炉料为42％的40Cr锻边废钢、23％的冲压废钢料边、2.5％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液。
进一步、所述的第二步中所用炉料为40％的40Cr锻边废钢、22％的冲压废钢料边、2.3％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液。
本发明中选用的化学成分作用如下：
碳(C)是对钢的组织性能影响最大的基本元素，是决定钢力学性能，如强度、硬度、塑性和韧性的主要因素，提高钢的淬透性，淬火热处理后形成的马氏体硬度高，碳与铁形成的渗碳体(Fe3C)硬度高，可提高钢的耐磨性；随着钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度、硬度升高，韧性和塑性降低。含碳量是决定韧性和硬度匹配的关键元素。
硅(Si)在我国资源丰富，增大钢液的流动性，缩小钢的奥氏体区间，具有固溶强化和脱氧作用，能提高钢的硬度和强度。
锰(Mn)在我国资源丰富，在炼钢过程中，是良好的脱氧剂和脱硫剂，提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。锰具有固溶强化作用，为低合金钢的重要合金化元素之一，并为无镍及少镍奥氏体钢的主要奥氏体化元素。锰提高钢的淬透性的作用强。
磷(P)是钢中的有害元素，使钢的脆性转折温度急剧上升，提高钢的冷脆性，使冷弯性能变坏，磷在钢中存在较大的偏析，一般钢中要求其含量在0.080％以下，优质钢要求小于0.040％。
硫(S)是有害元素，引起钢在热加工时开裂，降低钢的延展性和韧性，硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。
铬(Cr)是钢中的重要合金化元素，能提高钢的耐磨性、耐热性和耐蚀性。在耐磨钢中，铬提高钢的淬透性，与碳和铁形成(Fe,Cr)3C化合物显著提高强度、硬度和耐磨性。
钼(Mo)对铁素体有固溶强化的作用，同时也提高碳化物的稳定性，还能强烈地提高钢中铁素体的蠕变抗力。钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。
稀土(RE)具有脱氧去硫、清除有害杂质的能力，可细化晶粒、防止枝晶偏析,改善韧性效果好。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用电弧炉制备的低合金耐磨铸钢硬度可达到大于50HRC，标准U型夏比缺口冲击韧性值ak大于20J/cm2。
2、利用本发明制备的低合金耐磨铸钢韧性好、硬度高，有好的韧硬性匹配，可用于水泥建材、矿山和燃煤电力等领域中使用的工件，如磨机衬板、篦板和盲板等。使用本方法制备的的高韧耐磨低合金钢材料，可有效预防工件的断裂和快速磨损失效问题，且制备工序少，效率高，成本低，具有较好的推广应用前景。
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1(本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉)
一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，包括以下步骤：
第一步、利用电弧炉制备的低合金耐磨铸钢包括以下质量百分比的原料：
C：0.38％，Si：1.50％，Mn：0.83％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.98％，Mo：0.32％，RE：0.20％，余量为Fe；
第二步、采用电弧炉熔炼钢液：所用炉料为37％的40Cr锻边废钢、20％的冲压废钢料边、2％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液；
第三步、在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，向每吨钢液中加入1～1.5kg的碳化硅进行充分还原；钢液温度达到1710～1740℃，按下限计算，加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1730～1750℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入锰铁，并搅拌；钢液温度达到1710～1730℃时即可翻炉出钢；
第四步、熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，加入铝锭终脱氧，加入量为1kg/t钢水，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入200kg小包，同时在小包中加入称量好的稀土，小包中脱氧铝加入量为45g/包，小包转包到造型工位浇注，浇注温度控制为1560～1600℃；
第五步、热处理方法：浇注的铸件需进行热处理，包括高温退火、淬火+回火；高温退火工艺为：铸件加热到960℃，保温7h出炉，在炉中冷却至500℃时出炉空冷；淬火+回火工艺为：铸件加热到920℃，保温4h出炉，在20～90℃油中冷却，然后将铸件加热到260℃保温4h回火；
第六步、制备得到的铸钢经检测，组织为马氏体+少量残余奥氏体，硬度51.5HRC,冲击韧性值ak28.3J/cm2。
实施例2(本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉)
一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，包括以下步骤：
第一步、利用电弧炉制备的低合金耐磨铸钢包括以下质量百分比的原料：其中，C：0.45％，Si：1.70％，Mn：1.02％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.62％，Mo：0.40％，RE：0.20％，余量为Fe；
第二步、采用电弧炉熔炼钢液：所用炉料为42％的40Cr锻边废钢、23％的冲压废钢料边、2.5％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液；
第三步、在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在稀薄渣下进行7～10分钟的静沸腾；在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，向每吨钢液中加入1～1.5kg的碳化硅进行充分还原；钢液温度达到1710～1740℃，按下限计算，加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1730～1750℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入锰铁，并搅拌；钢液温度达到1710～1730℃时即可翻炉出钢；
第四步、熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，加入铝锭终脱氧，加入量为1kg/t钢水，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入200kg小包，同时在小包中加入称量好的稀土，小包中脱氧铝加入量为45g/包，小包转包到造型工位浇注，浇注温度控制为1560～1600℃；
第五步、热处理方法：浇注的铸件需进行热处理，包括高温退火、淬火+回火；高温退火工艺为：铸件加热到960℃，保温7h出炉，在炉中冷却至500℃时出炉空冷；淬火+回火工艺为：铸件加热到920℃，保温4h出炉，在20～90℃油中冷却，然后将铸件加热到260℃保温4h回火；
第六步、制备得到的铸钢经检测，组织为马氏体+少量残余奥氏体，硬度54.5HRC,冲击韧性值23.1/cm2。
实施例3(本实施例熔炼钢液是采用酸性电弧炉)
一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，包括以下步骤：
第一步、利用电弧炉制备的低合金耐磨铸钢包括以下质量百分比的原料：其中，C：0.42％，Si：1.61％，Mn：1.05％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.82％，Mo：0.35％，RE：0.20％，余量为Fe；
第二步、采用电弧炉熔炼钢液：所用炉料为40％的40Cr锻边废钢、22％的冲压废钢料边、2.3％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料、钼铁和电极粉(按上述质量百分比的原料要求)加入电弧炉中熔炼钢液；
第三步、在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，向每吨钢液中加入1～1.5kg的碳化硅进行充分还原；钢液温度达到1710～1740℃，按下限计算，加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1730～1750℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入锰铁，并搅拌；钢液温度达到1710～1730℃时即可翻炉出钢；
第四步、熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，加入铝锭终脱氧，加入量为1kg/t钢水，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入200kg小包，同时在小包中加入称量好的稀土，小包中脱氧铝加入量为45g/包，小包转包到造型工位浇注，浇注温度控制为1560～1600℃；
第五步、热处理方法：浇注的铸件需进行热处理，包括高温退火、淬火+回火；高温退火工艺为：铸件加热到960℃，保温7h出炉，在炉中冷却至500℃时出炉空冷；淬火+回火工艺为：铸件加热到920℃，保温4h出炉，在20～90℃油中冷却，然后将铸件加热到260℃保温4h回火；
第六步、制备得到的铸钢经检测，组织为马氏体+少量残余奥氏体，硬度53.8HRC,冲击韧性值27.6J/cm2。

Claims (6)

1.一种利用电弧炉制备的低合金高韧耐磨铸钢，其特征在于，包括以下质量百分比的原料：
C：0.38％～0.45％，Si：1.40％～1.70％，Mn：0.80％～1.10％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.60％～2.00％，Mo：0.30％～0.40％，RE：0.20％，余量为Fe。
2.一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、利用电弧炉制备的低合金高韧耐磨铸钢包括以下质量百分比的原料：
C：0.38％～0.45％，Si：1.40％～1.70％，Mn：0.80％～1.10％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：1.60％～2.00％，Mo：0.30％～0.40％，RE：0.20％，余量为Fe；
第二步、采用电弧炉熔炼钢液：将称量好的炉料和按第一步成分要求的钼铁、电极粉加入电弧炉中熔炼钢液，所用炉料为37％～42％的40Cr锻边废钢，20％～23％的冲压废钢料边，2％～2.5％的Z14优质生铁，余量为一般碳素废钢；
第三步、在氧化期，加入铁矿石或吹氧气进行氧化操作，在还原期，扒除全部氧化渣，加入少量石灰和萤石造稀薄渣，稀薄渣形成后，向每吨钢液中加入1～1.5kg的碳化硅进行充分还原；钢液温度达到1710～1740℃，按下限计算加入烘烤至红热状态的高碳铬铁及四分之一的硅铁，并搅拌；高碳铬铁化清，钢液温度达到1730～1750℃时，加入剩余的四分之三硅铁及按下限控制加入的锰铁，并搅拌；钢液温度达到1710～1730℃时即可翻炉出钢；
第四步、熔炼好的钢液全部出炉到柱塞包，加入铝锭终脱氧，加入量为1kg/t钢水，柱塞包内吹氩气镇静一段时间进一步去除夹杂物，然后钢液加入200kg小包，同时在小包中加入称量好的稀土，小包中脱氧铝加入量为45g/包，小包转包到造型工位浇注，浇注温度控制为1560～1600℃；
第五步、热处理方法：浇注的铸件需进行热处理，包括高温退火、一次淬火+回火；高温退火工艺为：铸件加热到960℃，保温7h出炉，在炉中冷却至500℃时出炉空冷；淬火+回火工艺为：铸件加热到920℃，保温4h出炉，在20～90℃油中冷却，然后将铸件加热到260℃保温4h回火；
第六步、制备得到的铸钢经检测，组织为马氏体，有时有少量残余奥氏体，硬度大于50HRC,标准U型夏比缺口冲击韧性值ak大于20J/cm2。
3.根据权利要求2所述的一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，其特征在于，所述的电弧炉熔炼钢液是采用酸性电弧炉熔炼钢液。
4.根据权利要求2所述的一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，其特征在于，所述的第二步中所用炉料为37％的40Cr锻边废钢、20％的冲压废钢料边、2％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢。
5.根据权利要求2所述的一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，其特征在于，所述的第二步中所用炉料为42％的40Cr锻边废钢、23％的冲压废钢料边、2.5％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的炉料和按第一步成分要求的钼铁、电极粉加入电弧炉中熔炼钢液。
6.根据权利要求2所述的一种利用电弧炉制备的低合金高韧耐磨铸钢的方法，其特征在于，所述的第二步中所用炉料为40％的40Cr锻边废钢、22％的冲压废钢料边、2.3％的Z14生铁，余量为一般碳素废钢，将称量好的上述炉料和按第一步成分要求的钼铁、电极粉加入电弧炉中熔炼钢液。
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