CN103924030B - 一种超低氧纯净钢的冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶炼领域，具体为一种超低氧纯净钢的冶炼方法。采用真空电炉或真空感应炉冶炼并真空浇注，真空度要求在0.05～100Pa；金属炉料熔化后保持真空下金属液沸腾5～30min，通过真空碳氧反应降低氧含量，且不添加任何脱氧剂或脱氧合金。合金化后静置20～30min，将金属液在真空下沸腾5～30min。氧含量在10ppm以下时，添加0.5～3kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂，添加后静置1～10min进行真空浇注可获得全氧含量在4ppm以下纯净钢。本发明拟解决目前钢锭、铸坯内部夹杂物尺寸较大，数量较多，纯净度不高，通道偏析严重问题。同时，通过采用稀土复合添加剂对钢中夹杂物变质处理，减小夹杂物的尺寸，减少钢中的夹杂物数量，为钢液的纯净化冶炼提供了新的有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及冶炼领域，具体为一种超低氧纯净钢的冶炼方法，采用真空熔炼与浇注，以及添加稀土复合添加剂实现减少钢中夹杂物与氧的含量。
背景技术
中国是世界稀土资源大国，稀土储量和产量都远远超过其它国家，如何在钢中更好的利用成为研究热点。稀土具有较好的净化钢液、减少夹杂、细化晶粒的作用，从而能够大大提高钢水的纯净度。近年来，随着我国电力工业，核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸件的需求量越来越大，进而对大型铸件的纯净度要求越来越高。大型钢锭、连铸坯是大型锻件的先期产品，对提高大型锻件质量尤为重要。
各种大型钢锭内部几乎均存在通道偏析缺陷。而大型钢锭的通道偏析，控制不当可能极为严重，从而导致锻件探伤不合格，甚至报废。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，从几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度物质在凝固前沿富集，加上其它物理作用，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，致使凝固组织分布不均匀，铸件晶粒粗大，性能不均。
目前，实验观察A偏析附近存在大量氧化物和硫化物聚集，且尺寸较大，常在20～30微米左右。此类非金属夹杂物对钢的性能具有一定的有害影响，然而，对于大型钢锭产品来讲，以低廉的成本生产高纯净的铸钢产品几乎是不可能的，尽管冶金工业者尝试了各种工艺方法，在许多高强钢中依然存在大尺寸的夹杂物。因此，对于高质量的铸钢产品而言，控制钢中的夹杂物形态、尺寸、分布成为一个重要的指标。稀土在钢中变质夹杂物以及对其形态、数量和尺寸大小的控制上具有较强的作用。此外，稀土在钢中尚有微合金化、与低熔点有害夹杂反应、捕氢及弥散强化等作用；同时具有改善铸态组织、抑制晶粒长大、影响组织转变、改善热塑性和热强性、提高抗氢致脆性以及提高抗氧化性等功能。
大型钢锭、铸件、连铸坯的内部缺陷问题备受科研工作者和企业界关注。通道偏析起源于凝固过程中的糊状区，并以富集溶质呈A型或V型分布于凝固锭中。关于通道偏析形成的研究已有半个多世纪，形成A型或V型偏析的前提条件是凝固合金糊状区中的富集溶质的液相沿枝晶间隙流动，虽然在通道偏析形成机理方面取得很大的进展，但还未从根本上消除或减轻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低氧纯净钢的冶炼方法，解决目前钢锭、铸件、连铸坯内部夹杂物尺寸较大、数量较多，纯净度不高，通道偏析严重问题。
本发明的技术方案是：
一种超低氧纯净钢的冶炼方法，包括以下步骤：
1）采用真空电炉或真空感应炉冶炼，金属液面距离炉口200mm以上，防止后续金属液飞溅，冶炼过程的真空度要求在0.1～100Pa；
2）金属炉料熔化后，保持真空下金属液沸腾5～30min，通过真空碳氧反应降低氧含量，且不添加任何脱氧剂或脱氧合金，温度为1540℃～1560℃；
3）合金化静置20～30min后，将金属液在真空下再沸腾5～30min，通过真空碳氧反应降低氧含量，且不添加任何脱氧剂或脱氧合金，温度为1560℃～1580℃；
4）氧含量在10ppm以下时，温度在1560℃～1600℃时，添加0.5～3kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂；按重量百分比计，Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂的成分为，Si：40～50%，Ca：10～12%，Al：3～4%，Mg：1～1.5%，RE：10～20%，其余为Fe；
5）添加Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂后，静置1～5min进行真空浇注，获得全氧含量在4ppm以下的纯净钢。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，步骤1）中，金属熔化后飞溅剧烈时，将真空度保持在10～50Pa，适当增加金属液面距离炉口的高度在200～300mm。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，通过两次高真空下金属液沸腾实现真空碳脱氧的功能，降低金属液中氧的含量：
步骤2）金属炉料熔化后，保持真空度保持在20～30Pa下金属液沸腾5～30min，防止金属液飞溅，温度为1540℃～1560℃，利用真空条件下碳与氧的反应形成CO减少金属液中的夹杂物；
步骤3）静置20～30min时间内，真空度保持在30～40Pa，通过第二次金属液沸腾减少夹杂物与氧的含量，温度为1560℃～1580℃。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为12～20ppm，第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为8～10ppm。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，步骤3）静置20～30min时间内，进行合金化，加入其它合金。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，在加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂之前，Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂预热到350～500℃，避免因加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂而使金属液中气体含量增加。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，通过在钢中加入稀土合金，变质并减少钢中夹杂物，同时消除钢中的低熔点杂质的有害作用，减轻偏析，最终达到纯净化的目的，通过加入稀土元素，使金属液中的氧含量降低到3～4ppm。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，步骤4）加入的稀土合金为尺寸在5～10mm的碎块，或者稀土合金为φ5～φ10mm、长度为5～10mm的合金丝，金属液温度在1560℃～1600℃时加入。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，浇注之前，浇包中的金属液需静止放置1～5min，真空度保持在50～100Pa。
所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，最终获得纯净钢的夹杂物中，夹杂物尺寸<1μm的数量占50～60%，1≤夹杂物尺寸<3μm的数量占30～40%，3≤夹杂物尺寸≤5μm的数量占5～10%，夹杂物尺寸>5μm的数量占1～5%。
本发明的设计思想是：
本发明采用真空电炉或真空感应炉熔炼与浇注，并且添加稀土纯净化冶炼的方法，有效改善钢锭中夹杂物的形态、大小，降低金属液中的氧的含量，实现超低氧高纯净金属液，进而对钢锭中通道偏析的减轻具有促进作用。本发明通过两次真空沸腾和两次真空碳脱氧，无需添加任何脱氧剂或脱氧合金，利用高真空下碳氧的反应减少钢锭中氧的含量，避免其它脱氧剂进行脱氧而形成的夹杂物，第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为12～20ppm，第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为8～10ppm。再通过加入稀土元素，可使金属液中的氧含量降低到3～4ppm。从而，将特定的工艺过程和工艺参数有机地结合为一个整体，获得超低氧含量、高纯净的金属液。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明工艺设计合理，通过真空熔炼与真空浇注，在高真空下碳氧的反应降低金属液中的氧含量，不添加其他的脱氧剂或合金，通过添加0.5～3kg/t（公斤/吨钢水）的稀土元素，大大减小钢锭中氧的含量，同时较少夹杂物的数量，改善夹杂物的分布，减轻通道偏析。
2、本发明操作工艺简单，设计合理，稀土脱氧加入工艺合理，安全性高，可操作性强，企业容易实现。
3、本发明适用于各种材质的钢锭、铸件、铸坯的制造，利用本发明生产钢锭、铸件、铸坯具有夹杂物少、金属液纯净、高质量的特点。
附图说明
图1为本发明加入稀土合金的形貌。
图2为本发明50kg钢锭中加入稀土的夹杂物形貌。
图3为本发明50kg钢锭中加入稀土的夹杂物能谱扫描结果。
图4为本发明50kg钢锭中加入稀土的铸坯铸态金相组织。
图5为本发明50kg钢锭中加入稀土的夹杂物尺寸统计分布图。
具体实施方式
本发明超低氧纯净钢的冶炼方法，有效减少钢锭、铸坯夹杂物的数量，提高金属液的纯净度，减轻钢锭中通道偏析，其操作方法如下：
1、本发明采用真空熔炼与真空浇注的方式，真空度要求在0.1～100Pa（优选为0.1～60Pa），通过两次真空沸腾，利用高真空下碳氧的反应减少钢锭中氧的含量，避免其它脱氧剂进行脱氧而形成的夹杂物。
2、通过上述两次真空碳脱氧，将氧的含量降低到10ppm左右，第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为12～20ppm，第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为8～10ppm。再通过加入稀土元素，可使金属液中的氧含量降低到3～4ppm，获得超低氧含量、高纯净的金属液。同时，显著减少钢锭中的及杂物数量，改变钢中的非金属夹杂物的种类及数量，进而消除或减轻钢锭、铸件、铸坯料内部通道偏析，提高产品的内在质量与合格率。
3、稀土元素的加入是在炉内添加稀土合金（Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂），稀土合金用量为0.5～3kg/t。按重量百分比计，稀土合金成分为，Si：40～50%，Ca：10～12%，Al：3～4%，Mg：1～1.5%，RE：10～20%，其余为Fe（参见中国发明专利，专利号：ZL201210381847.X）。
4、加入的稀土合金为尺寸在5～10mm的碎块，或者稀土合金为φ5～φ10mm、长度为5～10mm的合金丝，金属液温度在1560℃～1600℃时。通过在钢中加入稀土合金，变质并减少钢中夹杂物，同时消除钢中的低熔点杂质的有害作用，减轻偏析，最终达到纯净化的目的。
5、浇注之前，浇包中的金属液需静止放置1～5min，真空度保持在50～100Pa。
下面结合附图和实施例进一步详述本发明。
实施例1
浇注50kg钢锭，钢锭材质为H13号钢。采用真空感应炉冶炼和普通合金料，尺寸在30～60mm。感应炉采用氧化钙坩埚，金属液熔化后金属液面距离炉口距离为260mm，冶炼过程的感应炉的真空度要求在10Pa。金属料熔化后，保持真空度为30Pa下金属液沸腾25min，温度为1540℃，目的在于利用真空条件下碳与氧的反应形成CO减少金属液中的夹杂物，通过第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为15ppm，无添加任何脱氧剂或脱氧合金。静置25min后，将金属液在真空度40Pa下再沸腾15min，目的在于减少夹杂物与氧的含量，通过第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为9ppm。将温度提升到1570℃时，添加1.5kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂（按重量百分比计，Si：45%，Ca：11%，Al：3.5%，Mg：1.2%，RE：15%，其余为Fe），Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂预热到400℃，避免因加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂而使金属液中气体含量增加。添加复合脱氧剂静置3min后，进行真空浇注（真空度保持在60Pa），获得全氧含量4ppm纯净钢。
如图1所示，本实施例中的稀土合金为尺寸在5～10mm的碎块。
如图2所示，从50kg钢锭中加入稀土的夹杂物形貌可以看出，夹杂物数量少，夹杂物的尺寸小，表明金属液纯净。
如图3所示，从50kg钢锭中加入稀土的夹杂物能谱扫描结果可以看出，夹杂物中含有稀土元素，含有稀土的夹杂物具有细化晶粒的作用，含有稀土的夹杂物与氧、硫结合使金属液纯净。
如图4所示，从50kg钢锭中加入稀土的铸坯铸态金相组织可以看出，铸态晶粒细小，组织均匀，同时显示夹杂物（如：A）尺寸小，数量少，钢锭纯净。
如图5所示，纯净钢的夹杂物中，夹杂物尺寸<1μm的数量占55.5%，1≤夹杂物尺寸<3μm的数量占32.5%，3≤夹杂物尺寸≤5μm的数量占8.4%，夹杂物尺寸>5μm的数量占3.6%。从50kg钢锭中加入夹杂物尺寸统计分布图可以看出，显著减少钢锭中的及杂物数量，改变钢中的非金属夹杂物的种类及数量，进而消除或减轻钢锭、铸件、铸坯料内部通道偏析，提高产品的内在质量与合格率。
实施例2
浇注25kg钢锭，钢锭材质为H13号钢。采用真空感应炉冶炼和普通合金料，尺寸在20～60mm。感应炉采用氧化钙坩埚，金属液熔化后金属液面距离炉口距离为270mm，冶炼过程的感应炉的真空度要求在20Pa。金属料熔化后，保持真空度为20Pa下金属液沸腾20min，温度为1550℃，目的在于利用真空条件下碳与氧的反应形成CO减少金属液中的夹杂物，通过第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为18ppm，无添加任何脱氧剂或脱氧合金。静置30min后，将金属液在真空度30Pa下再沸腾20min，目的在于减少夹杂物与氧的含量，通过第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为8ppm。将温度提升到1560℃时，添加2kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂（按重量百分比计，Si：40%，Ca：12%，Al：3%，Mg：1.5%，RE：10%，其余为Fe），Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂预热到450℃，避免因加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂而使金属液中气体含量增加。添加复合脱氧剂静置4min后，进行真空浇注（真空度保持在50Pa），获得全氧含量3.8ppm纯净钢。
实施例3
浇注500kg钢锭，钢锭材质为45号钢。采用真空感应炉冶炼和普通合金料，尺寸在40×60×300mm。感应炉采用氧化镁坩埚，金属液熔化后金属液面距离炉口距离为320mm，冶炼过程的感应炉的真空度要求在25Pa。金属料熔化后，保持真空度为25Pa下金属液沸腾30min，温度为1560℃，目的在于利用真空条件下碳与氧的反应形成CO减少金属液中的夹杂物，通过第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为14ppm，无添加任何脱氧剂或脱氧合金。静置20min后，将金属液在真空度35Pa下再沸腾20min，目的在于减少夹杂物与氧的含量，通过第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为10ppm。将温度提升到1580℃时，添加2.2kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂（按重量百分比计，稀土合金成分为，Si：50%，Ca：10%，Al：4%，Mg：1%，RE：20%，其余为Fe），Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂预热到480℃，避免因加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂而使金属液中气体含量增加。添加复合脱氧剂静置5min后，进行真空浇注（真空度保持在55Pa），获得全氧含量3.9ppm纯净钢。
本发明工作过程及结果：
本发明通过真空电炉或感应炉真空熔炼与真空浇注，通过两次真空沸腾降低金属液中的氧，并在金属液中加入新型Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂（作为稀土元素的添加剂），减少了钢中非金属杂物数量，减轻或消除钢锭、铸件、铸坯内部通道偏析缺陷，从而提高产品的内在质量与产品合格率。利用本发明生产坯料具有夹杂物少，金属液纯净、高质量的特点。
实施例的结果表明，本发明在钢锭中只加入微量稀土元素，通过两次真空碳氧反应降低金属液中的氧含量，通过稀土将金属液中的氧含量降低到4ppm左右。并且，显著减少了金属液中夹杂物的数量，纯净钢的夹杂物尺寸达到10μm以下，纯净钢的夹杂物达到0.0005wt%以下，提高了金属液的纯净度，有利于细化凝固组织，减轻了通道偏析缺陷。本发明通过采用稀土复合添加剂对钢中夹杂物变质处理，减小夹杂物的尺寸，减少钢中的夹杂物数量，为钢液的纯净化冶炼提供了新的有效途径。
Claims (10)
1.一种超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用真空电炉或真空感应炉冶炼，金属液面距离炉口200mm以上，防止后续金属液飞溅，冶炼过程的真空度要求在0.1～100Pa；
2）金属炉料熔化后，真空度保持在20～30Pa，金属液沸腾5～30min，通过真空碳氧反应降低氧含量，且不添加任何脱氧剂，温度为1540℃～1560℃；
3）合金化静置20～30min后，真空度保持在30～40Pa，将金属液在真空下再沸腾5～30min，通过真空碳氧反应降低氧含量，且不添加任何脱氧剂，温度为1560℃～1580℃；
4）氧含量在10ppm以下时，温度在1560℃～1600℃时，添加0.5～3kg/t 的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂；按重量百分比计，Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂的成分为，Si：40～50%，Ca：10～12%，Al：3～4%，Mg：1～1.5%，RE：10～20%，其余为Fe；
5）添加Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂后，静置1～5min进行真空浇注，获得全氧含量在4ppm以下的纯净钢。
2.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，步骤1）中，金属熔化后飞溅剧烈时，将真空度保持在10～50Pa，适当增加金属液面距离炉口的高度在200～300mm。
3.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，通过两次高真空下金属液沸腾实现真空碳脱氧的功能，降低金属液中氧的含量：
步骤2）利用真空条件下碳与氧的反应形成CO减少金属液中的夹杂物；
步骤3）在真空条件下，通过第二次金属液沸腾减少夹杂物与氧的含量。
4.按照权利要求3所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，第一次真空碳氧反应使氧的含量降低为12～20ppm，第二次真空碳氧反应使氧的含量降低为8～10ppm。
5.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，步骤3）静置20～30min时间内，进行合金化，加入其它合金。
6.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，在加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂之前，Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂预热到350～500℃，避免因加入Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂而使金属液中气体含量增加。
7.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，通过在钢中加入稀土合金，变质并减少钢中夹杂物，同时消除钢中的低熔点杂质的有害作用，减轻偏析，最终达到纯净化的目的，通过加入稀土元素，使金属液中的氧含量降低到3～4ppm。
8.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，步骤4）加入的稀土合金为尺寸在5～10mm的碎块，或者稀土合金为φ5～φ10mm、长度为5～10mm的合金丝，金属液温度在1560℃～1600℃时加入。
9.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，浇注之前，浇包中的金属液需静止放置1～5min，真空度保持在50～100Pa。
10.按照权利要求1所述的超低氧纯净钢的冶炼方法，其特征在于，最终获得纯净钢的夹杂物中，夹杂物尺寸<1μm的数量占50～60%，1μm≤夹杂物尺寸<3μm的数量占30～40%，3μm≤夹杂物尺寸≤5μm的数量占5～10%，夹杂物尺寸>5μm的数量占1～5%。
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