CN103611892B - 一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法 - Google Patents

Abstract

一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法，属于铸锭冶炼浇注技术领域。浇注步骤为：钢水采用真空浇注，钢锭模安放在真空室内；中间包钢水浇注过程中在到达钢锭模底部前在真空环境下被处理成细小液滴进行脱氧、脱气，初始真空度为0.1-0.5乇；用顶吹氩气的方式将包裹铝片或铝/硅片的胶囊通过一个管道系统注入钢锭模内的钢液中，控制吹入氩气流量在100-300Nl.min^-1以使得胶囊在上浮到钢液表面前完全溶解。每注入一粒胶囊在2s内真空度最高允许升至3乇。优点在于，用于生产Si含量≤0.4%的真空碳脱氧细晶粒钢，铝和硅的收得率可以达到95%以上，并且可以降低氧化物和铝硅酸盐等夹杂物的含量，降低A型偏析。

Description

一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法

技术领域

本发明属于铸锭冶炼浇注技术领域，特别是涉及一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法，通过真空碳脱氧工艺生产细晶粒钢，浇注过程中添加铝和硅。

背景技术

真空碳脱氧工艺是利用碳与氧反应生成一氧化碳，从而达到脱氧的目的。在大气环境下，元素的脱氧能力的顺序为Al＞Si＞C，但在特定的温度和高真空状态下，碳的脱氧能力比铝/硅更有效。众所周知，真空碳脱氧工艺有以下优点：(1)降低大型钢锭中的微观偏析和宏观偏析，尤其是A型偏析；(2)降低氧化物类和硅酸盐类夹杂物含量，提高钢锭的洁净度；(3)在脱气过程中提高脱氢能力，等。最初，真空碳脱氧工艺是用于冶炼3.5NiCrMoV低压转子锻件钢，为降低转子钢中氧化物夹杂的含量和氢的含量。由于真空碳脱氧工艺采用的是碳脱氧，而不是硅/铝脱氧，因此采用该工艺生产的锻件标准中一般规定Al＜0.01wt％，Si＜0.1wt％，也就是说真空碳脱氧工艺主要用于生产硅含量＜0.1wt％且对细晶粒没有特别要求的钢种。而通常在此类大锻件炼钢时不用铝脱氧的原因主要为Al脱氧难以避免形成铝酸盐型夹杂物，在超声波探伤时会有显示。因此近年来，真空碳脱氧工艺也应用于其他锻件钢的制造，如核电压力容器用A508-3锻件钢、加氢反应器锻件2.25Cr1Mo锻件钢等。目前对于含硅含铝的钢，一般通过铝/硅脱氧进行冶炼浇注，或者是在精炼时利用真空碳脱氧和铝/硅脱氧结合，这种工艺对于铝/硅含量较难控制，并且会形成较多的Al₂O₃、SiO₂或铝硅酸盐型的夹杂物。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法，解决利用真空碳脱氧生产硅含量≤0.4％的本质细晶粒钢的难题，同时能更加有效地控制钢中铝和硅的含量，有效控制钢锭中的氧化物和铝/硅酸盐类夹杂物的等级和含量，显著减少直至消除A偏析缺陷。

本发明在国家科技重大专项资金的资助下，开展一种浇注工艺技术的开发，即在浇注过程中，高真空状态下真空碳脱氧工艺完成后，添加铝或者硅/铝到钢液中进行合金化，从而获得偏析低、夹杂物含量少的本质细晶粒真空碳脱氧钢。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

首先精选杂质元素含量低的优质原材料在碱性电炉内冶炼无硅钢水，进行脱磷操作，要求Si≤0.05wt％，P≤0.005wt％；粗炼钢水倒入钢包内精炼，进行脱硫操作和调整合金成分，要求S≤0.003wt％，采用碳粉脱氧剂进行真空碳脱氧，避免采用常规的铝/硅脱氧；精炼钢水通过中间包在真空罐中进行浇注，钢水被处理成小液滴状进行脱气和脱氧，同时用压氩的方式将包裹铝片或铝/硅片的胶囊通过一个管道系统周期间断地注入钢锭模内的钢液中，进而在真空状态下浇注成含铝及硅含量≤0.4％质量良好的真空碳脱氧钢锭。浇注的具体步骤为：

第一步：精炼钢水采用真空浇注，钢锭模安放在真空室内。真空室盖子上安放中间包，钢水先进入中间包，再通过中间包下部的水口进入真空室内的钢锭模中。钢水温度为1500-1650℃，浇注速度为3-8t/min。

第二步：在中间包水口处有个通入氩气的装置，氩气的压力为0.2-0.4MPa，氩气与钢水混合后通过中间包水口进入真空室内，在负压下爆破破碎成小液滴，进行脱氧、脱气处理。真空罐的真空度控制为0.1-0.5乇的高真空状态。

第三步：在浇注过程中，用顶吹氩气的方式将包裹铝片或铝/硅片的胶囊通过一个管道系统注入钢锭模内的钢液中，控制吹入氩气流量在100-300Nl.min^-1以使得胶囊在上浮到钢液表面前完全溶解。每注入一粒胶囊在2s内真空度最高允许升至3乇。

本发明发明用于生产Si含量≤0.4wt％的真空碳脱氧细晶粒钢，铝和硅的收得率可以达到95％以上，并且可以降低氧化物和铝硅酸盐等夹杂物的含量，降低A型偏析。

本发明抑制钢锭的成分偏析和减少夹杂物和气体含量，较好控制硅和铝含量，获得细晶粒的工作原理：

在炼钢中，碳是最理想的脱氧剂，因为其脱氧产物为一氧化碳，不会沾污钢液，而且在气体逸出的过程中，可以有效地去除钢中气体和夹杂物。但在常压下，碳的脱氧能力并不强，故需要在真空状态下进行。

真空碳脱氧的反应机理

[C]+[O]＝{CO}

$Kc=\frac{\frac{P_{CO}}{P^0}}{a_C{a}_O}=\frac{\frac{P_{CO}}{P^0}}{f_C\[\%C\]f_O\[\%O\]}$

式中P_CO——一氧化碳的分压，单位Pa或kPa

P⁰——常压,101.325Pa

a_C,a_O——钢液中碳和氧的活度，a_C＝f_C[％C]a_O＝f_O[％C]

f_C，f_O——碳和氧的活度系数

设碳和氧的活度系数＝1，则：

$\lg Kc=\lg \frac{\frac{P_{CO}}{P^0}}{\[\%C\]\[\%O\]}=\frac{1860}{T}+1.643$

当T＝1600℃时，Kc≈432，则：

$\[\%C\]=\frac{1}{Kc\[\%C\]}\frac{P_{CO}}{P^0}=\frac{2.3\×{10}^{-3}}{\[\%C\]}\frac{p_{CO}}{P^0}$

由上式可见，在一定温度下，钢中的碳含量不变时，钢中氧含量将随着P_CO的减少而降低，即碳的脱氧能力随着真空度的提高而提高。

在真空碳脱氧后加入铝和硅合金化，钢液中的氧含量较低，在高真空度和一定的温度下，氧优先于碳结合成一氧化碳，这样形成的Al₂O₃和SiO₂夹杂物以及硅铝酸盐的夹杂物大大降低，因此可以添加的铝和硅的收得率很高。另外，由于真空碳脱氧后氧气含量低，加入铝合金化，主要形成AlN颗粒来细化晶粒，最终得到纯净度高的本质细晶粒钢。

本发明的有益效果：

利用本发明冶炼的钢锭能够很好地控制铝和硅含量，铝和硅的收得率在95％以上，同时得到晶粒度7级以上的本质细晶粒钢。另外，钢锭中的宏观偏析显著降低，特别是A偏析；冶金质量有了明显改善，特别是硅酸盐夹杂降低了1-2级，Al₂O₃夹杂降低了0.5-1级，基本可以避免SiO₂夹杂物。

附图说明：

图1本发明真空碳脱氧细晶粒钢冶炼浇注方法的示意图。

图2传统Al/Si脱氧工艺生产的大型钢锭的宏观偏析低倍组织。

图3本发明工艺生产的大型钢锭的宏观偏析低倍组织。

具体实施方式

实施例：核用A508-3钢，采用本发明工艺冶炼浇注120t和140t钢锭。

第一步：精炼钢水采用真空浇注，钢锭模安放在真空室内。真空室盖子上安放中间包，精炼钢水先进入中间包，再通过中间包下部的水口进入真空室内的钢锭模中。钢水温度控制在1600℃。浇注速度控制在4t/min。

第二步：在中间包水口处有个通入氩气的装置，氩气的压力为0.15MPa，氩气与钢水混合后通过中间包水口进入真空室内，在负压下爆破破碎成小液滴，进行真空碳脱氧、脱气处理。真空度为0.1乇。

第三步：在浇注过程中，用顶吹氩气的方式将包裹铝片或铝/硅片的胶囊通过一个管道系统注入钢锭模内的钢液中，控制吹入氩气流量在120Nl.min^-1以使得胶囊在上浮到钢液表面前完全溶解。每注入一粒胶囊在2s内真空度最高升至2.3乇。

解剖本发明生产的钢锭，钢锭锭身中的Si和Al成分分布均匀，Si和Al的偏析分别为Δ0.03和Δ0.004。利用本发明生产的大钢锭制造的大型锻件的化学成分、非金属夹杂物及晶粒度检测结果如表1所示，可以看出利用本发明生产核用大锻件的主要合金成分可以得到很好的控制，可以获得Si含量≤0.4％及晶粒度为7级以上的真空碳脱氧钢，可以显著降低钢锭中的氧化物和铝/硅酸盐类夹杂物的等级。另外，本发明工艺生产的钢锭显著减少宏观偏析，基本消除A偏析缺陷，如图2和图3对比所示。因此利用本发明工艺生产细晶粒钢可以得到很好的效果。

表1本发明与现有工艺生产A508-3钢大锻件的化学成分、夹杂物及晶粒度检测结果

Claims (1)

1.一种真空碳脱氧细晶粒钢的冶炼浇注方法，浇注前选杂质元素含量低的原材料在碱性电炉内冶炼无硅钢水，进行脱磷操作，要求Si≤0.05wt％，P≤0.005wt％；粗炼钢水倒入钢包内精炼，进行脱硫操作和调整合金成分，要求S≤0.003wt％，在钢水中加入碳粉进行真空碳脱氧，采用碳粉脱氧剂进行真空碳脱氧，之后在真空状态下进行浇注；其特征在于，浇注的工艺步骤及控制的技术参数如下：

(1)精炼钢水采用真空浇注，钢锭模安放在真空室内；真空室盖子上安放中间包，钢水先进入中间包，再通过中间包下部的水口进入真空室内的钢锭模中；钢水温度为1500-1650℃，浇注速度为3-8t/min；

(2)在中间包水口处有个通入氩气的装置，氩气的压力为0.2-0.4MPa，氩气与钢水混合后通过中间包水口进入真空室内，在负压下爆破破碎成小液滴，进行脱氧、脱气处理；真空罐的真空度控制为0.1-0.5乇的高真空状态；

(3)在浇注过程中，用顶吹氩气的方式将包裹铝片或铝/硅片的胶囊通过一个管道系统注入钢锭模内的钢液中，控制吹入氩气流量在100-300Nl.min^-1以使得胶囊在上浮到钢液表面前完全溶解；每注入一粒胶囊在2s内真空度最高允许升至3乇。