CN101328555A - 一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法 - Google Patents
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Abstract
一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法，是将高炉炼出的铁水或生铁装入电炉或转炉进行连续氧化法冶炼，特别是：同时在另一感应炉或电炉中装入铁合金或返回料进行连续装入法冶炼；将前述电炉或转炉炼出的铁水和感应炉或电炉炼出的铁合金在钢包混合进行炉外精炼，钢锭模浇注；本发明操作简单规范，成本低，能高质量连续冶炼合金比大于5％的高合金钢，彻底解决了采用普通冶炼方法生产高合金钢时其钢中磷、五害元素、微量有害元素无法控制的问题；特别适合于冶炼工模具钢、不锈耐热钢、叶片钢、阀门钢、高速工具钢、高温合金等。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及冶金工业，是一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法。
(二)背景技术：
高合金钢主要指工模具钢、不锈钢、耐热钢、叶片钢、阀门钢、高速工具钢、高温合金及其新产品等。这些钢、合金或其电渣母材的冶炼通常采取下列四种方法：
第一种方法：非真空感应炉或真空感应炉。
第二种方法：非真空感应炉或真空感应炉+炉外精练(LF、VD、VOD、RH统称为钢包精炼炉，其操作称二次冶炼或钢包精炼；LF：精炼时钢包底部吹氩气，上部采用三相电极加热；VD：精炼时钢包底部吹氩气，再采用蒸汽喷射泵抽真空，称钢包真空处理；VOD：精炼时钢包底部吹氩气，在真空状态下上部吹氧降碳，可完成真空氧化、真空还原操作；RH：精炼时快速循环的钢液经过真空室达到去气去夹杂的目的)。
第三种方法：电弧炉氧化法、返回吹氧法和装入法。
第四种方法：电弧炉+炉外精练(LF、VD、VOD、RH)。
随着高合金钢的反复使用，高合金钢中的磷(P)、硫(S)、铜(Cu)、锡(Sn)、铅(Pb)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)等微量有害元素愈来愈高，以致于超过国家标准，严重影响到钢材质量和使用寿命，无论采取上述四种方法种的哪一种，要同时降低钢中磷、硫、五害和微量有害元素的含量，技术难度较大，生产成本高，唯一的手段就是电弧炉采用氧化法冶炼，这种冶炼方式只是对磷具有强效作用，对除去钢中微量有害元素及五害元素的作用并不明显，且合金元素的收得率、返回料的利用率、连续生产的作业率、合金元素回收率的稳定性都较低；冶炼成本、操作难度、劳动强度均比电弧炉返回吹氧法和装入法要高。采用返回吹氧法、装入法或感应炉冶炼，虽然返回料的利用率、连续生产的作业率较高，但钢中磷、铜及五害元素都无法去除，由于电弧炉的返回吹氧法和装入法以及感应炉本身功能上的缺陷，钢中磷、铜及五害元素含量的多少取决于返回料及各种铁合金，通过工艺手段是无法控制和降低的，问题的关键恰好这些返回料在反复使用过程中磷、铜、五害元素及有害微量元素的累积越来越高，加上高合金钢中加入的各种铁合金较多，而常用的铁合金中的磷普遍较高，如60％低碳铬铁中最低的磷含量为0.030％，最高为0.060％；60％高碳铬铁中磷为0.040％-0.060％；65％钼铁为0.05％；30％钛铁为0.05％；40％钒铁为0.10％-0.20％；60％铌铁为0.05％-0.30％；80％钨铁为0.030-0.05％。显然按照上述目前常用的四种冶炼方法生产高合金钢，其钢中磷、五害元素、微量有害元素等处于一种无法控制状态，唯一能控制磷含量的氧化法则是一种低产出、高能耗、劳动强度大、生产成本高且不能连续作业的落后方式。要达到同时降低钢中磷、硫、五害及有害微量元素的高合金钢，取代进口材料，必须采用新的冶炼方法。
(三)发明内容：
本发明的目的就是要解决目前常用的四种冶炼方法生产高合金钢，其中磷、五害元素、微量有害元素无法控制的问题，提供一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法。
资料报告显示：当钢中磷含量在0.015％以下时，冷作模具钢的力学性能和使用寿命提高近一倍；钢中硫含量控制在0.005％以下，化工用304L、316L不锈钢的休氏试验合格率能达到90％以上；制管用H11芯棒，其Sn+Sb+As≤0.035％、Cu≤0.07％、H+O≤22×10-6作为材料的重要验收指标；高压锅炉管用T91、T92管坯，对钢中微量元素的要求极为严格，五害要求As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035％、H+O≤0.008％、Cu≤0.16％、P+S≤0.030％，这些我国主要依赖进口的材料，采用目前常用的四种高合金钢冶炼方法是难以满足要求的。“一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法”冶炼高合金钢的主要任务是主控元素(C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、W、Nb、Ti等)符合国家标准、行业标准、国际标准的要求；充分降低标准中有明确要求的微量元素(如P、S、Cu等)、标准中未作具体要求的五害元素(Sn、Sb、As、Pb、Bi)及微量有害元素(如Al、Ti等)和气体元素(N、H、O)在钢中的含量，以便提高钢或合金的综合力学性能、材料的等向性和使用寿命。
本发明的具体方案是：首先选用矿石装入高炉冶炼，再将高炉炼出的铁水或生铁装入电炉或转炉进行连续氧化法冶炼，其特征是：同时在另一感应炉或电炉中装入铁合金或返回料进行连续装入法冶炼；将前述电炉或转炉炼出的铁水和感应炉或电炉炼出的铁合金在钢包混合进行炉外精炼，钢锭模浇注。
本发明的设计原理是建立在冶金热力学、动力学理论基础上，提高钢铁产品冶金质量、合金元素回收率和利用率。节能降耗，降低生产成本和人工劳动强度，充分发挥“混炼”设备优势，弥补上述四种冶炼方法的各自不足，操作简单规范。以高炉铁水热装或冷装生铁为主要钢铁料，稀释铁合金或返回料中的微量元素；利用转炉或电炉氧化法具有较强脱磷降碳的功能，充分除去铁水中的磷、碳；在氧化碳磷的过程中形成沸腾，去夹杂和气体，并释放出大量的热能(节约电炉的电极消耗和电耗)最终获取碳、磷小于0.05％，温度大于1670℃的纯净钢液。同时另一炉体感应炉或电弧炉按两冶炼炉体的钢水量熔化经计算后的铁合金或返回料，这样一炉体经过熔化、氧化、还原冶炼纯净钢水，另一炉体仅是熔化低廉的高碳合金(对于易氧化的合金钛、铝、硼均在钢包精炼后期加入，经VOD真空吹氧的高合金钢除钛、铝、硼不能在此合金化外，其硅、锰还需控制)，将两炉体的熔融液体在经烘烤具有吹氩功能的钢包中混合，进行炉外钢包精炼，当高合金钢中的碳要求小于0.30％时，可采取VOD精炼(真空吹氧降碳保铬)，当碳大于0.30％时可采取LF/VD精炼。各自炉体均可单独连续生产，其冶炼时间约为150-180分钟，基本上能匹配，达到提高冶金质量和合金元素回收率的目的。
本申请人采用本发明对4Cr5MoSiV1模具钢进行了工业化批量生产，其后扩大到521、Cr12、Cr12MoV等牌号上，均获得成功，钢中微量及五害元素的控制水平、合金元素回收率大幅度提高；生产成本，劳动强度明显降低，采取本发明生产的4Cr5MoSiV1(H13)电炉钢、电渣钢成品材与采用电炉+炉外精炼+电渣生产的521(4Cr5MoSiV1加稀土)进行对比分析，结果如下：
1、化学成分
4Cr5MoSiV1(H13)和521(4Cr5MoSiV1加稀土)标准和成品材化学成分如表1-表3。
表1 4Cr5MoSiV1模具钢标准化学成分，％
| 牌号 | 代号 | 标准 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V | Cu | Re |
| 4Cr5MoSiV1 | H13 | GB/T1299-2000 | 0.320.45 | 0.801.20 | 0.200.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | 4.755.50 | 1.101.75 | 0.801.20 | ≤0.30 | |
| 4Cr5MoSiV1加稀土 | 521 | Q/HY11-2000 | 0.370.45 | 0.801.15 | 0.150.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | 4.505.30 | 1.001.40 | 0.801.10 | ≤0.30 | 0.01 |
表2 不同冶炼方法生产的4Cr5MoSiV1模具钢化学成分(主要元素)，％
| 代号 | 冶炼方法 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V | Cu | Re |
| H13 | 本发明电炉钢 | 0.38 | 0.99 | 0.33 | 0.013 | 0.002 | 5.31 | 1.24 | 1.03 | 0.007 | |
| 521 | ″单炼″电渣钢 | 0.42 | 1.02 | 0.44 | 0.025 | 0.010 | 4.98 | 1.23 | 1.00 | 0.14 |
表3 不同冶炼方法生产的4Cr5MoSiV1模具钢化学成分(五害、气体及微量元素)，106
| 冶炼方法 | Sn | Pb | As | Sb | Bi | N | H | O | Al | Ti | Co | Nb | Ca |
| 本发明电炉钢 | 5 | 22 | 224 | 26 | 8 | 190 | 2.11 | 16.4 | 420 | 40 | 400 | 100 | 5 |
| ″单炼″电渣钢 | 51 | 30 | 250 | 40 | 10 | 138 | 1.78 | 16.9 | 160 | 20 | 800 | 200 | 8 |
2、力学性能
试样取自φ190mm锻制成品，压缩比6.2。毛坯试样进行热处理后制成标准拉伸和“V”型冲击试样，无缺口冲击试样尺寸为7×10(冲击面)×55mm，分别在Instron 5500R1186电子材料试验机、JB30B冲击试验机和HB3000布氏硬度计进行拉伸、冲击和硬度试验，结果如表4。
表4不同冶炼方法生产的4Cr5MoSiV1模具钢力学性能(试验温度25℃)
3、低倍组织及夹杂物
低倍试样取自钢锭头部横截面(帽口端)，按GB1299-2000进行评级；夹杂物取自钢锭头部横截面半径1/2处纵向面，按JK图评级，结果如表5。
表5不同冶炼方法生产的4Cr5MoSiV1模具钢低倍组织及夹杂物评定结果，级
综上所述，采用本发明生产的4Cr5MoSiV1(H13)电炉钢中微量有害元素(％)磷0.013、硫0.002、铜0.07、锡0.0005、铅0.0022、砷0.0224、锑0.0026、铋0.0008，夹杂物含量以及材料的综合力学性能和等向性均优于“单炼”的521电渣钢，达到国外同类产品的水平；合金元素回收率(％)：铬93、钼98、钒96、硅89、锰100，分别比电弧炉返回吹氧法提高17％、3.5％、50％、16％和22％；吨钢冶炼成本比电炉氧化法降低6300元、比电炉返回法降低850元。
(四)具体实施方式：
采用本发明生产H13钢管芯棒电渣钢，其工艺操作工序如下：
计划冶炼一炉，技术标准执行GB1299-2000。两盘浇注，3t×4钢锭一盘。剩余钢水浇1.2t电极棒。
一、化学成份(％)
用户对成品基本成分要求(％)：
| 牌号 | C | Mn | Si | P+S | S | Cr | Mo | V |
| 4Cr5MoSiV1(电渣) | 0.300.39 | ≤0.60 | 0.701.20 | ≤0.020 | ≤0.008 | 4.505.50 | 1.001.50 | 0.781.20 |
| GB1299-2000 | 0.320.45 | 0.200.50 | 0.801.20 | P≤0.030 | ≤0.030 | 4.755.50 | 1.101.75 | 0.801.20 |
对微量元素的要求(10-6)：
| 元素 | H | O | Cu | Sn | Sb | As |
| 含量 | ≤2 | ≤20 | ≤700 | ≤100 | ≤50 | ≤200 |
精炼炉熔炼成品成分按下表要求控制(％)：
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V | Cu | Sn | Sb | As | Al |
| 0.340.36 | 0.200.40 | 0.901.10 | ≤0.012 | ≤0.010 | 5.205.40 | 1.201.30 | 0.951.15 | ≤0.07 | ≤0.01 | ≤0.005 | ≤0.02 | ≤0.08 |
二、材料准备
1、炉料公司：冶炼前准备优质生铁20t(As≤0.010％、Sn≤0.010％、Sb≤0.005％、Cu≤0.010％)、优质20管切头10t。
2、铁合金：高Cr 1t、低Cr 1.5t(P、S含量要求：P≤0.025％、S≤0.020％)；Fe-Mo 600kg、Fe-V 500kg、中Mn 200kg、Fe-Si 600kg(选用P低的)。
3、造渣材料用东钢一级活性石灰(CaO≥90％、活性度≥300)，5～10kg包装2t提前一天到位，春天做好防潮；Ca-Si粉200kg、Ca-Si块200kg；一级萤石。各种铁合金及渣料的块度要求在50～80mm，粉末不得使用，且必须烘烤干燥。
三、主要工艺流程
10t感应炉与9#EAF炉同步冶炼→9#EAF炉装20管切头6t+10t优质生铁氧化法冶炼(控制P≤0.005％、C≤0.07％、S≤0.020％)→感应炉合金化→LF加热调整温度脱氧脱硫→或扒渣→换新渣按母材成品成分调整加合金→LF精炼→VD脱气脱氧→净处理出钢→母材成品分析(微量及气体元素符合要求后电渣，超过太多或超过的元素太多改H13)→电渣时采取Ar气保护→锭缓冷→退火、精整→转一轧成材→退火精整→取100～200mm试验用料→外委整体调质处理→矫直→砂轮扒皮→酸洗→精整→砂轮磨光→包装入库。
四、装入量
感应炉装入量：合金+20管切头共6t；EAF炉装入量：20管切头6t+10t优质生铁共16t；进LF炉钢水量21t，合金配料按21t。
五、感应炉
1、感应炉炉底垫活性石灰21kg，莹石8kg。加料，加入顺序优质20管切头→Fe-Cr→Fe-V→中Mn→Mo-Fe→Fe-Si→20管切头，金属总加入量控制在6t。
2、总配料C 0.25％(EAF炉出钢C按0.07％考虑)、Si 0.70％，其余合金元素按下限配，由技术中心复算。具体要求如下：
感应炉配料单，kg
| 元素 | 钢水量 | C | 高Cr | 低Cr | Mo-Fe | V-Fe | Si-Fe | 中Mn |
| 重量 | 61 | 600 | 1200 | 370 | 350 | 200 | 80 | |
| 合金含量 | 62％ | 60％ | 60％ | 55％ | 75％ | 75％ | ||
| 感应炉成分 | 0.88 | 18.2 | 3.70 | 3.15 | 2.50 | 1.05 | ||
| 混冲后成分 | 21t | 0.30 | 5.20 | 1.05 | 0.90 | 0.70 | 0.30 |
3、化70％后分批加Ca-Si粉，间隔时间5～8分钟，每次用量2kg、每炉≥5次，精炼。
4、炉前取样分析，满足感应炉成分要求，出钢温度1600℃～1620℃。
六、9#EAF：
1、炉底垫活性石灰300kg。
2、熔炼、形成熔池后停电吹氧、脱P、脱C、流渣，终点氧化渣要扒净，取样分析，当C≤0.07％、P≤0.007、还原。
3、还原时加Fe-Si 70kg、Ca-Si 80kg、用Ca-Si粉扩散脱氧。
4、渣白、取样全分析、作为与感应炉成分混合后验算依据，C≤0.07、P≤0.007、S≤0.015、温度达到1630℃～1650℃才能出钢，出钢量控制在15t。
5、感应炉合金化。
七、精炼炉(本实施例采用LF+VD，当高合金钢中的碳要求小于0.30％时可采取VOD精炼)
1、充Ar加温，用Ca-Si粉、活性石灰、萤石调整渣白和流动性，力争碱度大于3。
2、渣白，测温，取样全分析。视情况扒全渣或部分渣，造新渣，控制S≤0.010％。当P大于0.012％小于0.015％时，控制S≤0.008％，确保电渣后P+S≤0.020％。按下表熔炼母材成品成分进行微调。
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V |
| 0.36 | 1.00 | 0.35 | ≤0.012 | ≤0.010 | 5.30 | 1.20 | 1.05 |
3、成分进入规格，温度大于1620℃，喂Ca-Si线1kg/t，换盖抽真空，真空度抽至极限，真空度≤10乇保持时间大于15分钟。
4、净沸腾(调整Ar气以钢液不裸露渣面为准)，渣面用Ca-Si粉进行扩散脱氧，每次用量3～5kg，吹Ar静沸腾至温度到T＝1550～1560℃(熔点T＝1488℃)，起坑浇钢。
八、浇铸
1、浇铸系统清洁、干燥；
2、浇3t×4钢锭一盘，剩余钢水浇1.2t电极棒一盘，铸速不得过快；
3、严防短尺及打断。
九、其它
1、炉前分析提前准备接近感应炉成分的标钢，为合金化的感应炉作炉中分析(参考)。
2、感应炉和9#EAF炉前必须达到工艺要求的出钢成分和出钢量，确保混冲后成分。
3、各自炉体均可单独连续生产，其冶炼时间为150-180分钟。
4、未尽事项同基本操作规程。
Claims (3)
1.一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法，首先选用矿石装入高炉冶炼，再将高炉炼出的铁水或生铁装入电炉或转炉进行连续氧化法冶炼，其特征是：同时在另一感应炉或电炉中装入铁合金或返回料进行连续装入法冶炼；将前述电炉或转炉炼出的铁水和感应炉或电炉炼出的铁合金在钢包混合进行炉外精炼，钢锭模浇注。
2.根据权利要求1所述的一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法，其特征是：当高合金钢中的碳要求小于0.30％时，可采取VOD精炼，当碳大于0.30％时可采取LF/VD精炼。
3.根据权利要求1所述的一种高质量低磷硫高合金钢的混炼方法，其特征是：各自炉体均可单独连续生产，其冶炼时间为150-180分钟。
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