CN104384460B - 光谱标样用钢生产工艺及其浇注装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱标样用钢生产工艺及其浇注装置,在中频炉内通过冶炼前优化加料顺序、过程中熔渣脱氧、合金化分批分类加入等工艺,冶炼出成分合格的标样用钢;在浇注过程中控制钢水浇注温度和浇注装置烘烤,在水平浇注装置上浇注出组织致密无疏松、缩孔等缺陷的铸锭;在凝固结晶过程中快速冷却,减少铸锭凝固过程中造成的偏析。该工艺的冶炼周期控制在2.5小时内,特别适合于大批量合金元素的标样用钢;生产的铸锭致密、无疏松缩孔,大幅提高了产品的产量和质量;铸锭的快冷工艺使钢中成分偏析大幅降低,整个生产工艺解决了多达20多项元素的标样用钢的成分控制和成分偏析两大难题,对冶金标样用钢的生产具有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于光谱标样用钢,具体地指一种光谱标样用钢生产工艺及其浇注装置。
背景技术
2013年我国钢铁产品年产量已突破9亿吨,过程和产品均需光谱快分,因此冶金生产时刻离不开光谱标样。加上目前产品更新换代较快,生产中对冶金光谱标样的需求越来越多、质量越来越高,很多高端的光谱标样需要进口。
目前硅钢等新牌号高端产品对光谱标样需求较大,特别对于多元素、含量覆盖范围较宽的成套光谱标样,预计单套价格突破了6千元。根据生产一炉500kg标样钢制作150套光谱标样计算,单炉的产值达到90万元。
此类光谱标样元素要求元素多,成分均匀性好,元素覆盖范围宽,梯度较好,同时要做到组织致密,不得有任何沙眼、裂纹缩孔、疏松等缺陷。光谱标样钢的制造工艺为:熔炼—铸造—轧制或锻造—机加工成型。在生产过程中由于元素多、同时组织性能要求高等因素,存在成分较难控制、成分偏析、组织裂纹缩孔缺陷等难题集中在熔炼和铸造过程中。这些难题造成了目前标样需求量大,同时生产企业少等矛盾,如果能利用目前工艺设备研发出一套多元素光谱标样的生产工艺,将具有巨大的经济效益和工业应用价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明针对高标标样用钢中存在的冶炼难题,提供一种光谱标样用钢生产工艺及其浇注装置,以提高产品成分命中率,利用特定的铸造模具,浇注出成分均匀,无缩孔疏松缺陷的标样钢铸锭。
为实现上述目的,本发明提供的光谱标样用钢生产工艺,它包括如下步骤:
1)标样钢用浇注装置的锭模为内径小于200mm、长度和外径比>3的组合式铸铁结构,用以加快钢液的凝固结晶速度;采用水平式浇注铸锭,同时锭模与水平面呈倾角布置;浇注装置采用的浇注漏斗和分流汤道采用粘土质材料制成,在浇注漏斗和分流汤道内进行钢水凝固补缩;在锭模内上表面设有用以保障钢水浇注过程顺畅的排气孔;
2)浇注装置的浇注底盘、中注管、分流汤道和锭模装配时,接缝部位全部用高温耐火泥密封;装配锭模时控制上部预留缝隙,用于锭模内部烘烤除湿,以及排除铸造过程中产生的高温气体;钢水浇注前控制钢包烘烤温度大于700℃,控制浇注底盘、分流汤道和锭模的烘烤温度大于200℃;
3)中频炉冶炼采用CaO-CaF2渣系,在熔炼前按照w(CaO):w(CaF2)=3:1~5:1的配比配入;以质量分数计,底渣用量为钢液总量的2%~4%,根据目标钢种中P、S等元素含量调整渣量,P、S含量较低时,渣量取上限;
4)运用中频炉合金操作工艺,其步骤如下:装料—熔化—还原精炼—合金化和合金成分分析与调整—出钢和浇注;在加入合金前对熔渣脱氧、钢液脱氧,合金化反应时先加入对氧亲和力小的元素,再加入亲和力大的元素,相近元素分批归类加入,以缩短合金化时间;其中:
(A)当装料原料为纯铁时,稳定性较Fe强的金属W、Ni、Cu、Mo随炉加入;当装料原料为废钢时,熔清后取初始样,根据成分首先加入对氧亲和力小的元素;当N作为危害元素时,控制金属Cr在钢液熔清后加入,以防止钢中N与Cr形成氮化铬造成钢液中N元素含量过多超标;
(B)中频炉冶炼合金化前采用Si-Ca粉对中频炉氧化性顶渣扩散脱氧,使黑色氧化性顶渣还原为白色还原渣;在顶渣为还原性气氛的渣系下,依次加入C、Si、Mn合金元素;常规脱氧元素加入后,再加入微量元素Sb、P、S、Bi、Sn;取样分析加入的合金在钢中含量,依据结果调整合金元素,在合金化末期,依次加入Al、Ti、B活泼金属;
(C)合金成分经分析合格后,达到特定钢种的出钢温度时,将钢水倾倒钢包中,钢包对中后,在钢水温度为液相线以上60℃~100℃时打开钢包水口进行浇注;浇注全程按照慢—快—慢节奏控制钢水流量,在浇注末期对铸锭进行钢水补缩;
(D)钢水浇注完毕后,对铸锭表面采用水冷装置进行淋水快速冷却,以减少铸锭凝固过程中形成的偏析。
作为优选方案,所述步骤3)中,CaO(w):CaF2(w)=4:1~5:1;以质量分数计,底渣用量为钢液总量的3%。
进一步地,所述步骤(C)中,钢包对中后,在钢水温度为液相线以上80℃时打开钢包水口进行浇注。
更进一步地,所述步骤2)中,采用组合式锭模装配时控制预留的上部缝隙长度为30mm~100mm,宽度为1mm~3mm。
本发明还提供一种为实现上述生产工艺而设计的光谱标样用钢浇注装置,其特征在于:包括漏斗、中注管、设有一个入口和若干出口的分流汤道、耐火砖、浇注底盘、若干设有排气孔的锭模、以及位于锭模上方的水冷装置;
所述漏斗和中注管设置在中间,所述分流汤道、锭模和水冷装置沿周向布置,所述锭模与水平面呈倾角布置;
所述中注管的上下两端分别与漏斗的底部和分流汤道的入口连接;所述分流汤道的每个出口分别与一个锭模的进口连接;所述耐火砖位于分流汤道的下方,所述浇注底盘位于耐火砖的下方,所述耐火砖分别与分流汤道的外壁和浇注底盘的外壁连接。
进一步地,所述锭模与水平面呈小于15°的倾角。
本发明的优点如下:
其一,本发明的生产工艺,合金分批分类加入,操作简便顺畅,冶炼周期控制在2.5小时内,特别适合于大批量合金元素标样用钢。此外,由于采用了良好的造渣、扒渣、造还原渣等工艺,钢中危害元素P、S和气体元素可以控制在较低含量,同时由于熔渣扩散脱氧、钢液沉淀脱氧,钢中合金元素的收得率较高。有利于降低原料消耗,提高品质命中率。
其三,本发明的生产工艺采用的组合式锭模浇注标样钢铸锭,铸锭致密,无疏松缩孔等缺陷,大幅提高了产品质量和材料利用率。此外,由于锭模采用高宽度比设计利于铸锭快速冷却,同时由于外围水冷快速降温作用,铸锭内的元素偏析大幅降低。
其三,本发明的生产工艺采用中频感应炉冶炼标样钢,可以满足很多企业单位拥有中频炉开展标样钢的生产工作,目前500kg数量级以上真空感应炉设备成本大幅高于中频炉,利用现有中频炉就可以冶炼出高难标样钢。因此,采用中频感应炉冶炼标样钢具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明浇注装置的结构示意图。
图中:1、漏斗,2、中注管,3、分流汤道,4、耐火砖,5、浇注底盘,6、排气孔,7、锭模,8、水冷装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图所示的光谱标样用钢浇注装置,包括漏斗1、中注管2、设有一个入口和若干出口的分流汤道3、耐火砖4、浇注底盘5、若干设有排气孔6的锭模7、以及位于锭模7上方的水冷装置8;
漏斗1和中注管2设置在中间,分流汤道3、锭模7和水冷装置8沿周向布置,锭模7与水平面呈倾角布置;
中注管2的上下两端分别与漏斗1的底部和分流汤道3的入口连接;分流汤道3的每个出口分别与一个锭模7的进口连接;耐火砖4位于分流汤道3的下方,浇注底盘5位于耐火砖4的下方,耐火砖4分别与分流汤道3的外壁和浇注底盘5的外壁连接。锭模7与水平面呈小于15°的倾角。
实施例一:
(1)本实施例的1#标样钢成分见表1。成分中碳要求小于0.006%,对于此类超低碳钢,在中频炉冶炼过程中要求严格控制增碳环节,例如合金种类要求加入低碳合金,钢液搅拌用钢筋要用纯铁搅拌,减少测温次数,测温枪用纸筒测温后快速抽出钢液。
表1 1#标样钢成分控制要求
(2)标样钢的冶炼
随炉加入W、Ni、Cu、Mo和工业纯铁,本组标样要求w(N)=0.0045%,对于中频感应炉炉氮含量已经较低,因此冶炼过程中减少增氮环节,金属铬要求在钢液熔清后加入,防止钢中N与Cr形成氮化铬等化合物引起钢液增N。在钢液熔清后,加入硅钙粉对熔渣进行熔渣扩散脱氧(也称熔渣改质),直至顶渣由深黑色变为泛白色,熔渣改质目的一方面可以降低熔渣中氧含量提高合金元素的收得率和命中率,另一方面可以调整熔渣碱度,减少P、S等元素的损失。依次加入加Si、Mn、V、Nb,5分钟后依次加入Sb、P、S、Bi、Sn,对钢液取样,做元素快速分析,成分不合的元素在线快速调整,待已加元素全部合格后依次加入Al、Ti、B,加入Al前要求降温降功率,出钢温度控制在1620℃~1680℃。
(3)标样钢的铸造
浇注标样钢用的锭模型腔长度为1200mm,锭模直径160mm,长径比7.5:1,采用两半组合式结构。浇注前盛钢水钢包烘烤温度800℃,浇注装置底盘、汤道、锭模烘烤大于250℃,组合式锭模装配时上部留长度为100mm、宽度为1mm缝隙用于排气。钢液浇注温度为1590℃,通过两套200kg自耗电极锭模一炉钢水浇注两个自耗电极。浇注全程按照慢—快—慢节奏控制钢水流量,在浇注末期对铸锭进行钢水补缩。
(4)标样钢的快速冷却
待钢水补缩完成,打开锭模周围快速淋水装置,快速冷却10分钟。待锭模冷却至100℃以下后,脱模、取成品样分析。
浇注出的钢锭表面光洁,无缩孔疏松等缺陷。对铸锭纵向5组和横向5组共25个点进行成分分析,成分的均值、标准偏差(SD)和相对标准偏差(RSD)见表2。铸锭元素成分控制范围内,元素的标准偏差较低,铸锭的成分均匀性较好。
表2 1#标样钢铸锭成品值、标准偏差和相对标准偏差
实施例二:
(1)本实施例的2#标样钢,成分见表3。钢中Cr、Ni、Cu、W等稳定元素含量偏低,采用废钢作为原料必须对废钢进行配比,挑选低Cr、Ni等废钢原料。
表3 2#标样钢成分控制要求
(2)标样钢的冶炼
在废钢等原料熔清后,取样,根据C含量决定是否进行吹氧作业,加入Cu、Mo等与氧亲和力弱元素。熔渣还原后依次加入Si、Mn、C,5分钟后依次加入Sb、S、Sn,对钢液取样,做元素快速分析,成分不合的元素在线快速调整,待已加元素全部合格后依次加入Al、Zr,加入Al前要求降温降功率,最终出钢温度控制在1610℃~1670℃。
(3)标样钢的铸造
浇注标样钢用的锭模型腔长度为1200mm,锭模直径160mm,长径比7.5:1,采用两半组合式结构。浇注前盛钢水钢包烘烤温度780℃,浇注装置底盘、汤道、锭模烘烤大于250℃,组合式锭模装配时上部留长度为100mm、宽度为1mm缝隙用于排气。钢液浇注温度为1570℃,通过两套200kg自耗电极锭模一炉钢水浇注两个自耗电极。浇注全程按照慢—快—慢节奏控制钢水流量,在浇注末期对铸锭进行钢水补缩。
(4)标样钢的快速冷却
待钢水补缩完成,打开锭模周围快速淋水装置,快速冷却10分钟。待锭模冷却至100℃以下后,脱模、取成品样分析。
浇注出的钢锭表面光洁,无缩孔疏松等缺陷。对铸锭纵向5组和横向5组共25个点进行成分分析,成分的均值、标准偏差(SD)和相对标准偏差(RSD)见表4。铸锭的成分控制范围内,元素的标准偏差较低,铸锭的成分均匀性较好。
表4 2#标样钢铸锭成品值、标准偏差和相对标准偏差
实施例三:
(1)本实施例的3#标样钢,成分见表5。
表5 3#标样钢成分控制要求
(2)标样钢的冶炼
在废钢等原料熔清后,扒除氧化渣造新渣,根据初始样成分加入Cr、Ni、Cu、Mo、V、W等于氧元素。顶渣脱氧造还原渣,然后依次加入Si、Mn、C,5分钟后依次加入Nb、Sb、P,对钢液取样,做元素快速分析,成分不合的元素在线快速调整,待已加元素全部合格后依次加入Al、Ti、B,加入Al前降温降功率,最终出钢温度控制在1610℃~1670℃。
(3)标样钢的铸造
浇注标样钢用的锭模型腔长度为1200mm,锭模直径160mm,长径比7.5:1,采用两半组合式结构。浇注前盛钢水钢包烘烤温度810℃,浇注装置底盘、汤道、锭模烘烤大于250℃,组合式锭模装配时上部留长度为100mm、宽度为1mm缝隙用于排气。钢液浇注温度为1570℃,通过两套200kg自耗电极锭模一炉钢水浇注两个自耗电极。浇注全程按照慢—快—慢节奏控制钢水流量,在浇注末期对铸锭进行钢水补缩。
(4)标样钢的快速冷却
待钢水补缩完成,打开锭模周围快速淋水装置,快速冷却。待锭模冷却至100℃以下后,脱模、取成品样分析。
浇注出的钢锭表面光洁,无缩孔疏松等缺陷。对铸锭纵向5组和横向5组共25个点进行成分分析,成分的均值、标准偏差(SD)和相对标准偏差(RSD)见表6。铸锭元素成分控制范围内,元素的标准偏差较低,铸锭的成分均匀性较好。
表6 3#标样钢铸锭成品值、标准偏差和相对标准偏差
Claims (6)
1.一种光谱标样用钢生产工艺,它包括如下步骤:
1)标样钢用浇注装置的锭模(7)为内径小于200mm、长度和外径比>3的组合式铸铁结构,用以加快钢液的凝固结晶速度;采用水平式浇注铸锭,同时锭模(7)与水平面呈倾角布置;浇注装置采用的浇注漏斗(1)和分流汤道(3)采用粘土质材料制成,在浇注漏斗(1)和分流汤道(3)内进行钢水凝固补缩;在锭模(7)内上表面设有用以保障钢水浇注过程顺畅的排气孔(6);
2)浇注装置的浇注底盘(5)、中注管(2)、分流汤道(3)和锭模(7)装配时,接缝部位全部用高温耐火泥密封;装配锭模(7)时控制上部预留缝隙,用于锭模(7)内部烘烤除湿,以及排除铸造过程中产生的高温气体;钢水浇注前控制钢包烘烤温度大于700℃,控制浇注底盘(5)、分流汤道(3)和锭模(7)的烘烤温度大于200℃;
3)中频炉冶炼采用CaO-CaF2渣系,在熔炼前按照w(CaO):w(CaF2)=3:1~5:1的配比配入;以质量分数计,底渣用量为钢液总量的2%~4%,根据目标钢种中P、S元素含量调整渣量,P、S含量较低时,渣量取上限;
4)运用中频炉合金操作工艺,其步骤如下:装料—熔化—还原精炼—合金化和合金成分分析与调整—出钢和浇注;在加入合金前对熔渣脱氧、钢液脱氧,合金化反应时先加入对氧亲和力小的元素,再加入亲和力大的元素,相近元素分批归类加入,以缩短合金化时间;其中:
(A)当装料原料为纯铁时,稳定性较Fe强的金属W、Ni、Cu、Mo随炉加入;当装料原料为废钢时,熔清后取初始样,根据成分首先加入对氧亲和力小的元素;当N作为危害元素时,控制金属Cr在钢液熔清后加入,以防止钢中N与Cr形成氮化铬造成钢液中N元素含量过多超标;
(B)中频炉冶炼合金化前采用Si-Ca粉对中频炉氧化性顶渣扩散脱氧,使黑色氧化性顶渣还原为白色还原渣;在顶渣为还原性气氛的渣系下,依次加入C、Si、Mn合金元素;常规脱氧元素加入后,再加入微量元素Sb、P、S、Bi、Sn;取样分析加入的合金在钢中含量,依据结果调整合金元素,在合金化末期,依次加入Al、Ti、B活泼金属;
(C)合金成分经分析合格后,达到特定钢种的出钢温度时,将钢水倾倒钢包中,钢包对中后,在钢水温度为液相线以上60℃~100℃时打开钢包水口进行浇注;浇注全程按照慢—快—慢节奏控制钢水流量,在浇注末期对铸锭进行钢水补缩;
(D)钢水浇注完毕后,对铸锭表面采用水冷装置(8)进行淋水快速冷却,以减少铸锭凝固过程中形成的偏析。
2.根据权利要求1所述的光谱标样用钢生产工艺,其特征在于:所述步骤3)中,CaO(w):CaF2(w)=4:1~5:1;以质量分数计,底渣用量为钢液总量的3%。
3.根据权利要求1或2所述的光谱标样用钢生产工艺,其特征在于:所述步骤(C)中,钢包对中后,在钢水温度为液相线以上80℃时打开钢包水口进行浇注。
4.根据权利要求1或2所述的光谱标样用钢生产工艺,其特征在于:所述步骤2)中,采用组合式锭模装配时控制预留的上部缝隙长度为30mm~100mm,宽度为1mm~3mm。
5.一种为实现权利要求1所述生产工艺而设计的光谱标样用钢浇注装置,其特征在于:包括漏斗(1)、中注管(2)、设有一个入口和若干出口的分流汤道(3)、耐火砖(4)、浇注底盘(5)、若干设有排气孔(6)的锭模(7)、以及位于锭模(7)上方的水冷装置(8);
所述漏斗(1)和中注管(2)设置在中间,所述分流汤道(3)、锭模(7)和水冷装置(8)沿周向布置,所述锭模(7)与水平面呈倾角布置;
所述中注管(2)的上下两端分别与漏斗(1)的底部和分流汤道(3)的入口连接;所述分流汤道(3)的每个出口分别与一个锭模(7)的进口连接;所述耐火砖(4)位于分流汤道(3)的下方,所述浇注底盘(5)位于耐火砖(4)的下方,所述耐火砖(4)分别与分流汤道(3)的外壁和浇注底盘(5)的外壁连接。
6.根据权利要求5所述的光谱标样用钢浇注装置,其特征在于:所述锭模(7)与水平面呈小于15°的倾角。
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- 2014-11-11 CN CN201410629856.5A patent/CN104384460B/zh not_active Expired - Fee Related
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