CN102534122B - 一种低合金高强度钢的超纯净熔炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空感应熔炼领域，具体为一种低合金高强度钢的超纯净熔炼工艺方法。应用CaO耐火材料成型坩埚，采用真空感应熔炼的方法，获得超纯净低合金高强度钢。在熔化期通过合金原料中的碳前期脱氧、脱氮；精炼期通过提高精炼温度，强化脱氧、硫的热力学和动力学条件，在坩埚壁部和钢液表面进行有效脱氧、脱硫；在脱氧、脱硫期内加入强脱氧、脱硫剂，对合金进行终脱氧、脱硫，进一步降低合金中的氧和硫含量，使之氧含量控制在10ppm以下、硫含量控制在30ppm以下、氮含量控制在30ppm以下。本发明可有效改善低合金高强度钢的低温冲击韧性，进一步降低韧脆转变温度，使低合金高强度钢的应用领域拓展，提高合金的热加工性能，获得高质量低合金高强度钢。
Description
技术领域
本发明涉及真空感应熔炼领域，具体为一种低合金高强度钢的超纯净熔炼工艺方法。
背景技术
低合金高强度钢的含碳量通常小于0.25wt％，比普通碳素结构钢有较高的屈服点σs或屈服强度σ0.2(290～780MPa)和屈强比σs/σb(0.65～0.95)，较好的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。钢中加入较高含量的Si、Mn、Ni、Cr等某一合金元素以改善某一方面的使用性能，但获得高强度的主要手段仍然依赖于较高的含碳量。随着钢结构由铆接向焊接发展，为了提高钢的抗脆断性能，逐步向降低钢中含碳量和复合合金化的方向变化。
通常采用真空感应熔炼工艺制备的低合金高强度钢所使用的是MgO或MgO-Al2O3为耐火材料的坩埚，无法实现精炼期高温脱氧、脱硫，熔炼末期即使有加入一定的强脱氧、脱硫剂。一般制备低合金高强度钢的氧含量在30ppm以上、硫含量60ppm以上、氮含量80ppm以上，无法达到超纯净。因此，低合金高强度钢的低温冲击功较小，韧脆转变温度较高，同时影响低合金高强度钢的热加工性能，使低合金高强度钢的应用环境及应用领域受到很大限制。
发明内容
本发明目的是提供一种低合金高强度钢的超纯净熔炼方法，解决现有技术中存在的无法达到超纯净等问题，采用该方法可获得氧含量低于10ppm、硫含量小于30ppm和氮含量小于30ppm的超纯净低合金高强度钢，降低钢的韧脆转变温度，提高钢的加工性能。
本发明的技术方案是：
一种低合金高强度钢的超纯净熔炼方法，应用高纯度(CaO≥98.5wt％)、热力学稳定性好的CaO耐火材料成型坩埚，采用真空感应熔炼的方法，获得氧含量低于10ppm、硫含量小于30ppm和氮含量小于30ppm的超纯净低合金高强度钢；具体熔炼工艺为：装料→熔化期→精炼期→冷凝→脱氧、脱硫期→浇注；
装料后，在熔化期通过合金原料中的碳前期脱氧。
精炼期：利用坩埚自身的优势，通过提高精炼温度，在1700℃～1750℃进行精炼，保温10-20分钟，较传统的坩埚高出50℃～100℃，强化了脱氧、硫的热力学和动力学条件，使钢通过自身存在的少量碳脱氧，通过坩埚壁和钢液表面接触脱硫。
冷凝：将低合金高强度钢降温至熔点，通过钢中氧、氮溶解度随着温度降低而减小的原理，冷凝过程中实现氧化物的上浮，进一步脱氧、脱氮。
脱氧、脱硫期，在氩气保护性气氛下，通过加入强脱氧、脱硫剂，对低合金高强度钢进行终脱氧脱硫，进一步降低合金中的氧、硫含量；其中，脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金。
在脱氧、脱硫期之后，进行浇注。
本发明提供的真空感应熔炼工艺方法中，工艺过程的机理如下：
(1)合金熔化期：在真空下熔炼主元素，通过此阶段良好的碳-氧反应，达到合金一定的脱氧、脱氮目的。
(2)合金精炼期：采用高温、高真空的精炼制度，利用感应熔炼良好的搅拌，增大钢液中氧、硫的扩散速度，强化脱氧、脱硫的热力学和动力学，通过坩埚壁和钢液表面脱氧、脱硫。
(3)合金冷凝期：随合金液温度的降低，合金中氧、氮的溶解度降低，实现一定的脱氧、脱氮效果。
(4)脱氧、脱硫期：在氩气保护性气氛下，向钢液中加入强脱氧、脱硫剂，进一步实现合金的强化脱氧、脱硫。
本发明中，低合金高强度钢的化学成分(wt％)如下：
C 0.1-0.3；Si 0.1-0.5；Mn 1.0-1.5；P≤0.020；S≤0.0030；Cr 0.2-0.4；Ni≤0.06；O≤0.0010；N≤0.0030。
本发明的优点：
1、本发明应用高纯度(CaO≥98.5wt％)、热力学稳定性好的CaO坩埚作为真空感应熔炼的坩埚材料，保证了超纯净化熔炼工艺得以实现。
2、本发明通过熔化期、精炼期和脱氧、脱硫期相结合的方法，有效降低了合金中的氧、硫和氮含量，确保合金的超纯净。
3、本发明的出现，有效的提高低合金高强度钢的纯度，进而降低低合金高强度钢的韧脆转变温度，提高钢的使用性能。
4、本发明可有效改善低合金高强度钢的低温冲击韧性，进一步降低韧脆转变温度，使低合金高强度钢的应用领域拓展，提高合金的热加工性能，获得高质量低合金高强度钢。
具体实施方式
实施例1
采用高纯度、热力学稳定CaO的坩埚，进行低合金高强度钢的熔炼，熔炼工艺包括：装料→熔化期→精炼期→冷凝→脱氧、脱硫期→浇注；其中，装料、熔化期、浇注采用常规技术。具体过程为：
(1)熔炼的坩埚50kgCaO成型坩埚，CaO纯度≥98.5wt％；
(2)合金原料：按照成分的要求，工业纯Fe、多晶硅、金属锰和金属铬等钢的组成元素以及脱氧、脱硫剂。
此步骤中，脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金：Si：25wt％，Ca 75wt％。
(3)合金装炉：将主原料Fe、Cr、Si装入坩埚，Mn及脱氧、脱硫剂装入合金加料斗不同格中；
(4)合金熔化：合炉抽真空至小于1Pa开始送电，先在40KW保温5分钟，后60KW至化清；
(5)合金精炼：合金化清后，在45KW下5分钟升温至1710℃，20KW保温20分钟精炼；
(6)合金冷凝：精炼完停电冷凝至合金熔点以下(钢液表面凝固，翻动坩埚无钢液流动)；
(7)合金终脱氧、脱硫：关闭真空阀门，通入氩气保护，将冷凝的钢液送电50KW至化清，降功率至20KW加脱氧、脱硫剂，40KW搅拌1分钟，继续20KW保温，同时抽真空(真空度小于1Pa)10分钟，以去处多余的脱氧、脱硫剂(钢液表面氧化膜完全冲开，达到无膜状态)。
此步骤中，脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金：Si：25wt％，Ca：75wt％。
(8)合金浇注：停电降温，待钢液停止流动时送电50KW，调整温度浇注。
本实施例熔炼的低合金高强度钢的成分见下表：
表1真空感应熔炼低合金高强度钢的化学成分(wt％)
实施例2
采用高纯度、热力学稳定CaO的坩埚，进行低合金高强度钢的熔炼，熔炼工艺包括：装料→熔化期→精炼期→冷凝→脱氧、脱硫期→浇注；其中，装料、熔化期、浇注采用常规技术。具体过程为：
(1)熔炼的坩埚50kgCaO成型坩埚，CaO纯度≥98.5wt％；
(2)合金原料：按照成分的要求，工业纯Fe、多晶硅、金属锰和金属铬等钢的组成元素以及脱氧、脱硫剂。
此步骤中，脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金：Si：25wt％，Ca：75wt％。
(3)合金装炉：将主原料Fe、Cr、Si装入坩埚，Mn及脱氧、脱硫剂装入合金加料斗不同格中；
(4)合金熔化：合炉抽真空至小于1Pa开始送电，先在40KW保温5分钟，后60KW至化清；
(5)合金精炼：合金化清后，在45KW下5分钟升温至1750℃，20KW保温15分钟精炼；
(6)合金冷凝：精炼完停电冷凝至合金熔点以下(钢液表面凝固，翻动坩埚无钢液流动)；
(7)合金终脱氧、脱硫：关闭真空阀门，通入氩气保护，将冷凝的钢液送电50KW至化清，降功率至20KW加脱氧、脱硫剂，40KW搅拌1分钟，继续20KW保温，同时抽真空(真空度小于1Pa)10分钟，以去处多余的脱氧、脱硫剂(钢液表面氧化膜完全冲开，达到无膜状态)。
此步骤中，脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金：Si：25wt％，Ca 75wt％。
(8)合金浇注：停电降温，待钢液停止流动时送电50KW，调整温度浇注。
本实施例熔炼的低合金高强度钢的成分见下表：
表2真空感应熔炼低合金高强度钢的化学成分(wt％)
Claims (2)
1.一种低合金高强度钢的超纯净熔炼方法，其特征在于，应用CaO耐火材料成型坩埚，采用真空感应熔炼的方法，获得氧含量低于10ppm、硫含量小于30ppm和氮含量小于30ppm的超纯净低合金高强度钢；所述真空感应熔炼包括：装料→熔化期→精炼期→冷凝→脱氧、脱硫期→浇注；其中：
合金的精炼期：利用坩埚自身的优势，有效提高精炼温度，在1700℃～1750℃进行精炼，保温10-20分钟，使钢通过自身存在的少量碳脱氧，通过坩埚壁和钢液表面接触脱硫；
低合金高强度钢的脱氧、脱硫期，通过加入强脱氧、脱硫剂，对低合金高强度钢进行终脱氧脱硫，进一步降低合金中的氧、硫含量；该过程具体为：
关闭真空阀门，通入氩气保护，将冷凝的钢液送电50KW至化清，降功率至20KW加脱氧、脱硫剂，40KW搅拌1分钟，继续20KW保温，同时抽真空10分钟，以去处多余的脱氧、脱硫剂；所述脱氧、脱硫剂为Si-Ca中间合金，其中：Si：25wt%，Ca：75wt%。
2.按照权利要求1所述的低合金高强度钢的超纯净熔炼方法，其特征在于，低合金高强度钢的冷凝：将低合金高强度钢降温至熔点，通过钢中氧、氮溶解度随着温度降低而减小的原理，冷凝过程中实现氧化物的上浮，进一步脱氧、脱氮。
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