CN104745960A

CN104745960A - 21-10Mn7Mo钢锭及其冶炼工艺

Info

Publication number: CN104745960A
Application number: CN201310756138.XA
Authority: CN
Inventors: 于庆莲; 韩萍; 薛玉宝; 蔡玉丽; 厉海艳; 于湘; 许爱文
Original assignee: Tianjin Metallurgy Group Tiancai Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Metallurgy Group Tiancai Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-07-01

Abstract

一种21-10Mn7Mo钢锭及其冶炼工艺,属于气体保护电弧焊之实芯焊丝技术。特别是冶炼的方法及其钢锭。其中，所述钢锭化学成分质量％包括：碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0；Mn/Mo比控制在7-7.5；由此合理的组分配置以及钼、锰成分比的设置，可有效避免金属锰在重熔过程容易烧损的问题。有效提高钢锭的强度和耐腐蚀性，达到细化钢微观晶粒而达到细晶强化的技术效果。由此成分的钢锭，其纯净度和均匀性更好，对焊丝的加工和后面的焊接有良好的影响。

Description

21-10Mn7Mo钢锭及其冶炼工艺

技术领域

本案属于焊接技术领域，涉及气体保护电弧焊之实芯焊丝的制备方法及其产成品及其工艺设备。特别是冶炼的方法及其钢锭。

背景技术

不锈钢焊丝、焊条在自动化技术中的应用越来越多，但是已有技术制备的不锈钢焊丝常见的质量问题是焊丝外观不好、送丝不够稳定，因此难以满足高自动化焊接设备的要求。

一般可知，焊丝质量与炼钢引起的化学成分的细微变化有着紧密的关系，与材料成分的杂质含量有着紧密的关系，重要的是焊丝制备的工艺方法和工艺设备关系着焊丝的半成品、产成品的品质。为此业界在这方面做过很多努力，已有技术包括但不限于：

如中国专利200510109991.8公开了一种气体保护电弧焊接用实芯焊丝，其组成为，含有Si：0.70至1.00质量％、Mn：1.50至1.90质量％、S：0.005至0.025质量％、Ti：0.19至0.25质量％、Mo：0.12至0.35质量％、C：0.020至0.100质量％、B：0.0050质量％以下以及Cu：0.45质量％，限制P：0.020质量％以下、0：0.0160质量％以下，Si/Mn为0.385以上，Mn以及Mo的总含量为2.20质量％以下，S以及O的总含量为0.034质量％以下，此外，C含量(质量％)为[C]、B含量(质量％)为[B]时，[C]和[B]的关系满足给定的条件。此焊丝，对强度为520N/mm2级以下的碳钢进行碳酸气体保护电弧焊接时，高效率并且焊接部的机械性能优异。

再如中国专利200310100196.3公开了一种高强度焊条，该发明属于焊接材料领域。该焊条是一种在焊态下使用具有高强度的焊条，可用于焊接屈服强度大于950MPa级的高强度结构钢。该发明高强度焊条的特征在于组成焊条的熔敷金属化学成分为：C≤0.07％；Si0.1-0.6％；Mn1.2-1.9％；Ni2.6-3.8％；Cr0.41-1.50％；Mo0.66-1.6％；Ti0.003-0.03％；其余为Fe。该焊条的熔敷金属具有良好的综合力学性能，其抗拉强度大于1000MPa；屈服强度在950MPa以上；在-50℃的冲击功大于27J。

又如中国专利200710103490.8公开了一种实芯焊丝，含有C为0.005～0.060质量％、Si为0.60～1.00质量％、Mn为1.10～1.65质量％、S为0.045～0.090质量％、O为0.0015～0.0100质量％、并且所述C和所述S的含量的合计为0.125质量％以下，含有P在0.017质量％以下，余量是Fe及不可避免杂质，在所述杂质中，Ti限制在0.15质量％以下、B限制在0.0050质量％以下、N限制在0.0075质量％以下，此外Cr、Ni、Al、Nb、V、Zr、La及Ce分别限制在0.20质量％以下。

还有已有技术H1Cr21Ni10Mn6焊丝，主要用于重型、大型车辆等自动焊接，本案也是以此为研发背景的进一步改进，目的在于进一步提高焊丝的抗拉强度，提高其熔敷金属的抗拉强度，为此还有包括但不限于下述公开：

如中国专利201110104281.1公开了一种焊丝、盘条及其应用它涉及盘条和焊丝，其按重量百分比计的化学成分为：C≤0.05％，Si：0.10-0.60％，Mn：0.3-1.2％，S≤0.015％，P≤0.020％，Cr：1.0-2.0％，Ni：3.0-5.0％，Cu：0.05-0.40％，Ti：0.03-0.20％，O≤0.010％，N≤0.010％，H≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。焊丝在用于抗拉强度550MPa以上的中合金高耐候结构钢焊接中的应用。

已有的技术存在下述问题亟待解决。

冶炼问题，原材料成分和均匀性是关系焊丝质量的前序关键环节，故通过冶炼工序提供均匀性更好、纯净度更高的钢锭，是制备高质量焊丝的基础工艺环节，也是业界追求不断出新的重要工艺环节。

本案焊丝是在已有的H1Cr21Ni10Mn6焊丝的基础上的创新，包括添加适量的Mo，同时相应的提高Mn的含量，问题在于由此材料成分的改变会对后期的生产带来工艺困难，一般可知，钼在合金钢中的含量在一定范围时，钼会使合金钢的塑性和韧性下降，因此业界亟待通过包括冶炼在内的工艺方法的改善来解决这样的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题在于克服前述技术存在的上述缺陷，而提供一种针对21-10Mn7Mo焊丝的冶炼方法及用该方法制备的钢锭。

本发明解决技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种21-10Mn7Mo钢锭,其中，所述钢锭化学成分质量％包括：碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0；Mn/Mo比控制在7-7.5。

本案解决技术问题还可以采取以下技术方案进一步实现：

前述的21-10Mn7Mo钢锭，其中，所述钢锭化学成分质量％由碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0，和余量为铁Fe和不可避免的杂质组成；Mn/Mo比控制在7-7.5。

前述的21-10Mn7Mo钢锭，其中，Mn/Mo比控制为7-7.1，或7.2-7.3，或7.4-7.5。

由此合理的组分配置以及钼、锰成分比的设置，可有效避免金属锰在重熔过程容易烧损的问题。有效提高钢锭的强度和耐腐蚀性，达到细化钢微观晶粒而达到细晶强化的技术效果。由此成分的钢锭，其纯净度和均匀性更好，对焊丝的加工和后面的焊接有良好的影响。

本发明解决技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种用于制备前述钢锭的冶炼工艺，该工艺是冶炼所述钢锭之用电弧炉返回吹氧法冶炼电渣重熔电极的工艺步骤，其中，该步骤下述统称为第一步骤，其中钢液温度达到1400-1600℃，在高温下实现高铬钢液去碳保铬；所述第一步骤的工艺过程依次是：补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期、出钢、浇铸重熔电极；或/和，在补炉步骤中：补炉材料应用卤水搅拌，不得用清水搅拌；或/和，在装料步骤中：Ni、Mo放在炉内相对高温的区域，不能放在电弧作用区。

本案解决技术问题还可以采取以下技术方案进一步实现：

前述的冶炼工艺，其中，所述第一步骤中熔化期电极的控制是：电极穿井阶段带阻抗，采用大功率送电；或/和，分批加入石灰料、萤石料，用于稳定电弧；或/和，熔化期吹氧的控制：在炉温达到950℃以上时开始吹氧，氧压控制在不大于0.4MPa；或/和，熔化期脱磷的控制：炉料熔化后期，当钢液含碳量满足预设值时，进行低温脱磷，适时补加石灰或碎矿石，炉门自动流渣去磷；或/和，所述补加矿石的时机和量的控制：分批次加入矿石，每批矿量设置为3-4kg或4-5kg，相邻的批次之间间隔3-4分钟或4-5分钟。

由此，可以通过适当加入矿石来控制温度和熔渣流速，所述矿石如萤石。利用矿石升温慢的特点，加入矿石更利于脱磷，不断加矿石可保持渣中（FeO）10～20％，进行自动流渣或扒渣使磷大量被去除。由此解决钢液脱磷及钢渣流动性问题。

前述的冶炼工艺，其中，所述第一步骤中氧化期是脱磷、脱碳；除气：包括除氮、除氢；去除钢液中夹杂物；其氧化期脱磷、脱碳的次序是先脱磷，后脱碳；温度控制次序为：先低温，后高温；造渣次序为：先多量，后少量；供料次序为，先加矿石，后吹氧。

前述的冶炼工艺，其中，氧化期熔渣的控制：通过及时补加矿石、石灰，控制熔渣流动；或/和，熔渣的渣量控制在相当于钢水量的2%～3%；或/和，熔渣碱度控制在相当于2.5～3；或/和，熔渣厚度控制在相当于40mm～60mm；

前述的冶炼工艺，其中，还原期的控制任务包括脱氧、脱硫；以及使得化学成分达到预设工艺条件；使得钢液温度满足浇注的预设工艺条件；扒除氧化渣后，迅速加石灰、萤石，比例为3：1；造出稀薄渣，待稀薄渣形成后，再分批加入石灰，调整炉渣，并加入电解锰；或/和，采用Ca-Si粉、Al粉进行扩散脱氧，待渣白后，充分搅拌，取平行样进行全分析；或/和，保温还原步骤选用小功率升温，出钢前可选用大功率升温。

由此能保证出钢温度和熔渣良好的流动性。

至此前述的材料成分中锰含量的合理配比，在此表现的良好效果包括：可有效降低由硫引起热裂纹的倾向，从而提高焊丝的强度。

前述的冶炼工艺，其中，出钢步骤的控制中：补加合金后，到出钢之间的时间应相对长，控制在大于5分钟；或/和，出钢插Al0.4～0.5㎏/t；或/和，出钢温度选择1580～1590℃或1590℃-1600℃.

前述的冶炼工艺，其中，浇注重熔电极的控制：浇注时机控制在出钢后，静置3～7分钟，测量温度是否满足浇铸温度条件；或/和，控制浇铸温度为1450～1460℃或1460℃～1470℃或1470℃-1480℃.

前述的冶炼工艺，其中，浇铸速度为110～120kg/s；或120～130kg/s或130～140kg/s，或140～150kg/s；或/和，开流可以大些，钢液上升到锭身1/3以上时，或全流快注。

由此可以达到不翻花、不结膜、不截注的工艺效果。

至此合金熔炼，其中各合金元素收得率更好。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，显著优点体现在前述以及实施例中，还有：

本案通过提供的冶炼工艺方法制备的钢锭，为后序制备高质量的焊丝奠定了基础。本案采用电弧冶炼初锭后，再用电渣重熔的方法进行提纯，从而可获得纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、化学成分均匀且钢锭组织均匀致密的铸锭。本案提供的冶炼工艺所得到21-Mn7Mo的金属铸锭具有良好的组织性能，为后期的焊丝加工提供了质量保障。本案完成了前述的技术目的。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是电弧炉冶炼试样的组织照片。

图2是电弧炉冶炼试样的组织中Mn元素的分布照片。

图3是电弧炉+电渣重熔试样的组织照片。

图4是电弧炉+电渣重熔试样的组织中Mn元素的分布照片。

图5是电弧炉+电渣重熔试样的组织中Mo元素的分布照片。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后；为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。

参见图1-5所示，一种21-10Mn7Mo焊丝的冶炼方法及用该方法制备的钢锭。引述的材料成分单位统一为质量％。未予特别描述的量、值单位符合行业一般规定和惯常用法，不予赘述。

一.所述21-10Mn7Mo焊丝的冶炼方法，其中，21-10Mn7Mo钢锭的化学成分质量％应满足：碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0，或/和余量为铁Fe和不可避免的杂质，或/和，Mn/Mo比控制在7-7.5之间，在此合理配置钼锰成分比的效果包括有效避免金属锰在重熔过程容易烧损的问题。

具体描述金属钼、锰元素在不锈钢中的作用，其他成分的作用为一般可知，不再赘述。

1.金属钼Mo元素的作用。

1.1.钼对不锈钢的显微组织及热处理的作用

钼作为合金元素对钢和其他合金有两个重要的作用，即提高强度和耐腐蚀性。钼在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，它是缩小奥氏体相区的元素；具有细化钢微观晶粒而达到细晶强化的作用，当钼含量较低时，与铁、碳形成复合的渗碳体；含量较高时则形成它自己的高硬度特殊碳化物-MoC/Mo2C，是钢中的强化相；钼提高钢的淬透性，其作用较铬强，而稍逊于锰；钼提高钢的回火稳定性。作为单一合金元素存在时，增加钢的回火脆性；与铬或锰等并存时，钼又降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性。

1.2钼对不锈钢的力学性能的作用

钼对铁素体有固溶强化作用，在不锈钢中还能形成沉淀析出相，提高钢的强度，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度；钼对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用；由于钼使形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高，并强烈提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在下的聚集，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢热强性的特别有效的合金元素，钼能改善奥氏体不锈钢的高温力学性能，比如持久、蠕变等性能均可获较大改善。

1.3钼对不锈钢的物理化学及工艺性能的作用

在还原性酸及强氧化性盐溶液中都能使钢表面钝化，因此钼可以普遍提高钢的抗蚀性能，防止钢在氯化物溶液中的点蚀；钼含量较高（＞3质量％）时使钢的抗氧化性恶化；含钼不超过8质量％的钢仍可以锻、轧，但含量较高时，钢对热加工的变形抗力增高。

综上可知，钼是形成和稳定铁素体并扩大铁素体相区的元素。

但是，钼的加入使钢的高温变形抗力增大,加之钢中常常存在少量δ铁素体因而含钼不锈钢的热加工性比不含钼钢为差,而且钼含量越高,热加工性能越坏；钼还促进奥氏体不锈钢中金属间相,比如σ相,κ相,和Laves相等的沉淀,对钢的耐蚀性和力学性能都会产生不利影响,特别是导致塑性,韧性下降。

为使奥氏体不锈钢保持单一的奥氏体组织,随着钢中钼含量的增加,奥氏体形成元素的含量也要相应提高，以保持钢中铁素体与奥氏体形成元素之间的平衡，因此本案在奥氏体不锈钢中加钼后，锰的含量也相应提高。一般可知所述奥氏体形成元素是指镍、氮、锰等。

2.金属锰Mn元素的控制

锰对于奥氏体的作用与镍相似。但锰的重要作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。

在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，实验表明，如钢中的含锰量从0到10.4质量％变化，也不能使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。

还有，添加Mn可以使更多的氮溶入奥氏体，而氮是强奥氏体形成元素，含0.25质量％的氮，形成奥氏体的能力相当于7.5质量％的镍。

提高焊丝中锰的含量，除了脱氧作用外，还能和硫化合生成了硫化锰（MnS），并被除去（即：脱硫），故可降低由硫引起的热裂纹的倾向，同时可以提高焊丝的强度。

但锰的含量需要有效控制，锰的含量过高容易使材料凝固时或高温使用过程中材料组织粗大，增加材料的脆性。

3.本案21-10Mn7Mo与已有技术的材料化学成分质量％对比，见表1。

参见图1-5，试验表明，适宜确定添加量，形成新合金，这样的合金制成焊丝后，其强度会明显提高。

二、冶炼方法的描述

1.冶炼出21-10Mn7Mo钢锭，其化学成分质量％应满足如下，

它包括：碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0。

进一步，或/和，Mn/Mo比控制在7-7.5之间；

还可以，Mn/Mo比控制为7-7.1，或7.2-7.3，或7.4-7.5。

或，所述21-10Mn7Mo钢锭，其化学成分质量％由碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0，或/和余量为铁Fe和不可避免的杂质组成。

进一步，或/和，Mn/Mo比控制在7-7.5之间。

还可以，Mn/Mo比控制为7-7.1，或7.2-7.3，或7.4-7.5。

所述的21-10Mn7Mo钢锭，其纯净度和均匀性，对21-10Mn7Mo焊丝的加工和后面的焊接影响很大，为此在冶炼工艺中对于保障21-10Mn7Mo钢锭的纯净度和均匀性应该有相应的工艺措施。

2.冶炼的基本方法是采用电弧炉冶炼+电渣重熔（ESR），具体步骤包括：

2.1冶炼的第一步骤，采用电弧炉返回吹氧法冶炼电渣重熔电极。

所述冶炼的第一步骤，其中，钢液温度达到1400-1600℃，在高温下实现高铬钢液去碳保铬。

2.2冶炼的第二步骤，采用电渣重熔进行精炼。

进一步，冶炼的第一步骤的工艺过程依次是：补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期、出钢、浇铸重熔电极。

2.1.1补炉：补炉材料应用卤水搅拌，严禁用清水拌。

补炉材料用100目的镁砂粉65%，其余用1-5mm粒度的镁砂粒。

补炉要点：炉温高、操作快、补层薄。

2.1.2.装料：

2.1.2.1装料顺序：石灰、小料、大块料、小料、四周中小料或/和小料。

一般可知：小料尺寸约为100*100*100mm，中料尺寸约100*100*100～250*250*250mm，大料尺寸约250*250*250～600*350*250mm。

2.1.2.2布料要求：（1）底紧上松（2）中心高，四周低（3）Ni、Mo放在炉内高温区，但不能放在电弧作用区，以免烧损。

2.1.2.3炉料要求：允许加入适量的回炉料，原料中严禁混入Pb、Sn等有害元素，原料必须清洁干燥。

入炉料包括但不限于是纯铁长度≯400mm，方坯长度≯500mm，钢锭≯3支。

2.1.3.熔化期

a.熔化期任务包括：（1）熔化成钢液（2）脱部分磷（3）防止吸气、金属挥发（4）达到所需温度。

b.提高熔化速度的措施包括：（1）吹氧助燃（2）炉外预热废钢及其他炉料。

c.熔化期的控制措施包括：

c1.电极的控制：电极穿井阶段带阻抗，采用大功率送电；分批加入石灰料、萤石料，用于稳定电弧。

c2.吹氧前渣量的控制：熔化期渣量占钢水量的5～7%。一般可知，渣量可通过渣层的厚度表示。

c3.吹氧的控制：在炉温达到950℃以上时开始吹氧，氧压控制在不大于0.4MPa。还有，氧压不宜过大，吹氧要注意防止吹坏炉墙，防止炉料搭桥、喷溅。控制好炉料坍塌方向，减少大沸腾、防止断电极。

c4.脱磷的控制：炉料熔化后期，当钢液含碳量满足预设值时，进行低温脱磷，适时补加石灰或碎矿石，炉门自动流渣去磷；

炉料熔化后期渣量控制：补加石灰或碎矿石，渣量占钢水量的比例控制为相当于3%～4%，此作业也可以是一般技术实现，不再赘述。

c5.炉料全部熔化后，搅拌选取熔清样分析，取样后连续送电并调整炉渣，为氧化期创造条件。

2.1.4.氧化期

2.1.4.1氧化期任务：（1）脱磷、脱碳；（2）除气：包括除氮、除氢；（3）去除钢液中夹杂物。

2.1.4.2氧化期操作次序

（1）先脱磷后脱碳；(2)温度：先低温后高温；(3)造渣：先多后少；(4)供料，先加矿石后吹氧。

2.1.4.3氧化期控制措施

A.氧化期熔渣的控制：通过及时补加矿石、石灰，控制熔渣流动。具体措施包括：a.熔渣的渣量控制在相当于钢水量的2%～3%；b.熔渣碱度控制在相当于2.5～3；c.熔渣厚度控制在相当于40mm～60mm。由此，保障熔渣有预期的良好流动性。

A1.所述补加矿石的时机和量的控制：分批次加入矿石，每批矿量设置为3-4kg或4-5kg，相邻的批次之间间隔3-4分钟或4-5分钟。

分批补加矿石工艺要领包括高温加矿、少加慢加，高温沸腾，自动流渣。

A2.采用先矿后氧，在去磷达到要求时，吹氧脱碳。氧化期总脱碳量不少于0.3%。

2.1.4.4吹氧后立即取样分析C、P、Cr、Ni、Mo等，然后加脱氧剂Fe-Si粉15kg，推渣搅拌，插Al1～4kg/t。

2.1.4.5补加的微碳铬铁，所述微碳铬铁在烘烤至600～700℃方可加入，加入时应去除夹在其中的杂物、碎末等，并应过磅称重。

2.1.4.6氧化末期，当碳含量降低到低于生产规范下限0～0.08%、磷达到符合出钢要求，停止氧化操作，开始净沸腾。此过程中，控制好终点碳，防止钢液过氧化。

2.1.5还原期,在此期间主要任务是脱氧、脱硫；最终调整成分满足要求；调整钢液温度，正常浇注。因由前述的材料成分中锰含量的合理配合，在此表现的良好效果包括：可有效降低由硫引起热裂纹的倾向，从而提高焊丝的强度。

2.1.5.1控制要点：

(1)扒除氧化渣后迅速加石灰、萤石（3：1），造稀薄渣，待稀薄渣形成后再分批加入石灰，调整炉渣，并加入电解锰。

(2)采用Ca-Si粉、Al粉进行扩散脱氧，渣白后充分搅拌取平行样进行全分析。

(3)用小功率保温还原，出钢前可用大功率升温以保证出钢温度和熔渣良好的流动性。

(4)还原期应及时查看熔渣情况；及时测温，控制好熔渣的碱度和流动性，保持白渣到出钢，控制炉内的还原气氛。

(5)出钢样合金成分低于生产规范下限时，补加合金，搅拌取样分析合格后才能出钢。

2.1.6.出钢控制要点

(1)补加合金后到出钢时间必须大于5分钟，加入量大时还需延长出钢时间，保证全部熔化。

(2)出钢插Al0.4～0.5㎏/t,出钢温度1580～1600℃。

2.1.7.浇注重熔电极控制要点

(1)出钢后要镇静3～7分钟，视钢水温度高低而定。

(2)控制好浇铸温度1450～1480℃、浇铸速度110～150kg/s，做到不翻花、不结膜、不截注。

(3)开流要大些，钢液上升到锭身1/3以上时可适当全流快注。

综上，合金熔炼中各合金元素加入时间及收得率见表1

2.冶炼的第二步骤，采用电渣重熔进行精炼。

本案采用双臂交替连续抽锭式电渣重熔设备，实现连续抽锭，其中，

钢锭设置为细长锭型，钢锭直径Di与钢锭长度的比例为1：5或1:5.3。

结晶器直径D_结与Di钢锭直径的关系满足：D_结=1.03*Di。

结晶器高度H与结晶器直径D_结的关系满足：H≈(1.5～2.0)*D_结。

电极直径d_极与电极长度的关系满足：填充系数满足d_极/D_结。

2.1参数的控制

2.1.1关于渣系：

渣系的选择：其中渣系熔点的选择，较好的是选择渣系的熔点应当比重熔钢的熔点低100～200℃为宜，由此钢锭的成形性更好。

还有，要考虑具有足够的比电阻，良好的流动性（粘度），熔渣中变价不稳定氧化物含量尽量控制低些（如FeO、SiO2、MnO等），应考虑它的碱度、表面张力以及透气性，渣系的选择还应考虑其经济性和安全性，这些可以通过一般措施解决，多不赘述。

电渣重熔熔渣的工艺作用其中，不仅有作为热源的电阻发热体作用，还有形成渣壳对于铸锭成形性的作用。

电渣重熔熔渣的冶金作用其中，不仅可以实现对钢质的净化功效，还可以实现对元素的氧化与还原功效。

本案渣系包括但不限于如下选择：选用元渣系CaF2－Al2O3－CaO渣系的渣号ANF-8，配比是CaF2:Al2O3:CaO=60%：20%：20%

所述渣熔点相当于1250℃左右，借用这种渣熔点较低的特点，用于电渣重熔铸锭，可以达到锭子表面光洁好，成型良好的技术效果。

还借用该渣具有一定脱硫、脱氧、去除非金属夹杂物的能力特点，以及该渣在高温达到600～1200℃时，渣皮的强度及塑性都更好的特点，由此选择可以实现在抽锭或抬结晶器时渣皮不易破裂。

渣池深度H_渣与极间距离H_极间的关系符合公式：H_极间=0.87H_渣-31.4

2.1.2渣量：引用的渣量计算的经验公式可以是：G_渣=（4～5％）G_锭；

或计算公式还可以是：G=π/2×D²hσ。

其中，D表示结晶器直径，单位米；h表示渣层高度，单位米；σ表示渣比重。

一般可知，从渣量的大小可以获知炉渣电阻大小。

惯常用渣层的厚度表示渣量，如果炉渣厚度增加，则电极插入深度增加，减少了电极的氧化，从而使得钢中氧化物夹杂降低。

如果在结晶器、电极尺寸一定的条件下随渣厚的增加，会降低生产率，增加电耗。

2.1.3冶炼电流：在渣系和电压确定的前提下，重熔电流的选取，主要依据熔化速度和金属熔池形状的要求而定。本案选用的最佳冶炼电流为8000安。

一般可知电流与结晶器直径之间满足下述关系式：I_ESR=k₀·Dm

其中，k₀—称为结晶器线电流密度，其值可选为15-25A/mm。此值的选取主要依据熔池深度大小和不同渣系。k₀值越大，熔池越深。

在工作电压一定的条件下，随着电流增加，金属元素烧损量减小，这是由于电极埋入深度增加，改善了被氧化的条件所致。而电流继续增加，氧的传递更为方便，元素烧损量反而增大，同时对夹杂物的去除和低倍质量都是不利的。

2.1.4工作电压：熔炼工作电压又称炉口电压或有效工作电压，是指电极端部与低结晶器之间的电压。惯常引用的公式是：

工作电压V_工作=0.6D_结+26其中：D_结单位是cm。

2.2目标参数

2.2.1控制熔化速度与锭直径之比不超过1，用于保证钢锭结晶质量。

金属熔池深度H_金：金属熔池深度直接影响着产品冶金质量，熔池愈是浅平就愈易生成轴向性大的结晶，对去除夹杂愈有利。

H_金愈大，其结晶速度愈慢，二次枝晶间距就增大，则易造成化学成分的显微偏析和低倍偏析缺陷。

通常H_金是结晶器直径的1/2～1/3。在实际生产中主要是通过控制电极的熔化速度V_熔来控制金属熔池深度的，关系式：V_熔=（0.7～0.85）D_结，式中V_熔单位是kg/h。

冷却的控制措施：

钢锭与结晶器之间具有间隙，用于形成渣皮。

所述渣皮层厚为1～2mm，且渣皮厚度均匀一致。

渣皮厚度均匀一致的措施：冷却强度控制为冷却和缓，冷却不应突然变化，以免造成渣皮突然变厚或变薄，由此保证钢锭与结晶器之间形成厚度均匀一致的渣皮层构造。

结晶器出水温度控制在40-50℃或50-60℃，进水温度应低于30℃。优选的采用循环软水，水量控制在30～45m3/t。

循环软水的选择可避免矿物质沉淀，在结晶器内形成水垢。

水冷结晶器是电渣重熔区别于一般冶炼方法的一个重要工艺特点。一般可知，冷却强度的大小，对结晶结构和晶粒取向有一定的影响，但如果增大冷却强度，激冷层却增加的很少，设置渣皮层厚为1～2mm，它具有很好的绝热作用，由此使得冷却强度对结晶结构很难有决定性作用。需要注意的是冶炼过程中冷却强度不应突然变化，以免造成渣皮突然变厚或变薄，避免钢锭表面产生环形渣沟。

综述工艺过程，冶炼完成了脱硫任务，同一般熔炼方法相比较，电渣重熔最重要的优点之一是能使重熔金属进行极为强烈的脱硫。

电渣重熔去硫反应均发生在以下几个阶段：电极熔化末端－熔滴形成阶段；金属熔滴穿过渣层进入金属熔池阶段；金属熔池和渣池界面上的物理化学反应；硫自渣相向气相中转移。

金属熔池和渣池界面接触比面积小，但由于反应时间较长，所以对去硫也起一定作用。

冶炼还完成了去气（氢、氮、氧）任务，钢中的氢不仅会使钢产生氢脆，还会使钢产生白点缺陷，降低钢的抗拉强度，塑性和断面收缩率。

实践证明电渣重熔金属含氢量与以下因素有关：

重熔金属的牌号；炉渣成份及渣料干燥状况；重熔气氛。

冶炼还完成了合金元素的氧化和还原，重熔过程中，钢中活泼元素往往因氧化而损失。前述的冶炼方法有效防止了活泼元素氧化，解决了电渣重熔的重要冶金问题。比如：

本案的电渣重熔工艺过程中氧通过下述途径进入熔渣及钢液：

a.原始电极钢中溶解的氧及钢中不稳定氧化物在高温分解放出氧；

b.电极表面氧化皮带入渣中的氧；

c.渣中不稳定氧化物FeO、MnO、SiO2、Cr2O3等所含的氧；

d.渣中变价氧化物传递供氧作用，如渣中Fe、Mn、Cr等低价氧化物，在渣池表面吸收大气中的氧，形成高价氧化物。这些元素的高价氧化物，在渣池和金属熔池界面，放出氧，变成低价氧化物，氧从而进入钢中，这一反应是一个循环过程。

进一步，降低炉渣的氧化性的措施：a.减少氧的来源，电极要充分脱氧，去除氧化皮；炉渣，减少渣中的FeO、MnO等；惰性气体保护。b.重熔过程脱氧：加硅铁、硅钙、铝脱氧。

进一步，电流控制不稳定时的工艺措施

①适当的增加设定电流（限制：I≤允许值）

②适当降低电压（限制：U_ESR≥最小值）

③适当增加Hs(即渣量)

进一步，钢锭表面质量不好（渣沟严重）时采用的工艺措施

①适当减小电流（在电流过大时，即U/I过小，Lem过小）

②适当减少渣量（渣量过大）

进一步，熔化速度过大，熔池太深时采用的工艺措施

①减小电流

②减小电压

③减小渣量

冶炼原料的控制

1）自耗电极的要求：表面应清洁、干燥、无泥、无夹杂。

2）铁铝棒的化学成分必须满足C≯0.06%，Al：10-15%

3）生萤石：CaF₂≥95%，SiO₂≤5%，粒度≤5mm，块状萤石使用前需用水冲洗干净。

4）提纯萤石：SiO₂≤0.5%，S≤0.1%，粒度≤5mm。

5）氧化铝粉：Al₂O₃≥98%，SiO₂≤1.0%.

6）石灰块：CaO≥90%，S≤0.4%烘烤后应在红热状态下使用。

7）二氧化钛粉采用工业纯。

8）渣料应保持干燥清洁，使用前需经700-800℃烘烤3小时。石灰石块应单独烘烤。

9）导电渣：TiO₂：CaF₂=55:45，经炼制而成，导电渣应保持清洁干燥。

冶炼原料中萤石的提纯方法

1）渣料：萤石块或萤石粉经600-800℃烘烤2-3小时，粉状萤石要求每隔半小时停电翻料一次。

2）提纯萤石采用液渣起弧。化渣炉熔化起弧液渣，化渣时，允许插Al100-150克，用于满足应对渣喷溅的情况。

3）提纯过程渣料优选的方法是：勤加少加；加料时机为：每批渣料加完后，见亮面（亮面为业内通用工业俗语），再加新料。

4）根据铁铝棒质量情况，允许在渣料中加入适量的干燥铝粉，搅拌均匀使用。

5）渣料加完后，必须进行精炼5-10分钟。

电渣炉的操作方法

1）在水冷系统畅通，结晶器、底水箱、化渣炉无渗水、漏水现象，设备运转正常时方可冶炼。

2）应将底水箱、结晶器上的残钢、残渣剔除干净使之平整。

3）要注意围好石棉绳，将结晶器平稳放好，以防打弧漏钢。石棉绳要经过80-120℃，8小时以上烘烤。

4）自耗电极要上牢上正，调整电极，使电极深入到结晶器内，距底水箱上沿40-60mm的位置。

5）用化渣炉化好渣后把渣倾入渣勺，液渣注入结晶器时动作要迅速、准确。严禁渣罐与自耗电极和结晶器同时接触，以防放电击穿结晶器。

6）起弧，按要求供电，手动操作5-10分钟，电流稳定后即可转入自动。

7）重熔过程要随时注意调整自耗电极和结晶器间隙。如发现结晶器底部打火，应及时处理。必要时允许采用底水箱和结晶器短接的办法，保障继续冶炼

8）补缩采用连续性和间断性相结合，总补缩时间不小于10分钟。待电流值为零时，停电提升电极。

9）脱锭时间：停电20分钟后方可脱锭。

至此，本案电弧炉冶炼+电渣重熔（ESR）的冶炼方法具备如下特别效果：

21-Mn7Mo是在H1Cr₂1Ni10Mn₆的基础上添加了Mo和Mn而得，钢中加Mo可细化晶粒，使钢具有均匀的细晶组织。而且在炼钢生产中为了控制冶炼的杂质成分，Mn的添加采用电解锰，含锰量为97.25%，Cr元素的添加采用纯度为99.22%的微碳铬铁。Ni元素的加入采用纯度为99.98%的电解镍，钼元素也采用纯度为99.96%的金属钼，硅元素的添加采用纯度为99.6%的工业硅。因此从原来方面减少了杂质加入的可能性。另一方面，采用电弧冶炼初锭后再用电渣重熔的方法进行提纯。电渣重熔工业具有纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、化学成分均匀且钢锭组织均匀致密的特点。因此，通过上述冶炼方面的控制及工艺的选择所得到的21-Mn7Mo的金属铸锭具有良好的组织性能，保证了后期的加工质量。

化学成分的比较

下表是21-Mn7Mo采用电弧冶炼与电弧炉冶炼+电渣重熔两种方法冶炼的化学成分对比。

采用电弧炉+电渣重熔冶炼与电弧炉冶炼21-10Mn₇Mo的化学成分对比

由上表可以看出碳的含量比单纯用电弧炉冶炼降低了33%，硫的含量降低了90%，因此在加工性能方面与单纯用电弧炉相比有了明显的改善。

金相组织的比较，参见图1-5，图示分别从电弧炉冶炼和电弧炉冶炼+电渣重熔两种方法冶炼的21-10Mn7Mo的钢锭上截取金相试样，经过抛光、腐蚀后在电子扫描电镜下观察。

通过观察电弧炉冶炼的组织与电弧炉+电渣重熔的组织可以看出，经过电渣重熔后的组织其晶粒相对较小，没有大尺寸的夹杂物，而且析出物也相对较小。

单纯用电弧炉冶炼的组织中有尺寸相对较大的黑色块状夹杂物，通过对Mn元素分布的扫描发现黑色的夹杂物中有明显的Mn的偏聚中聚集的白点呈块状，通过XRD分析发现此物为MnS。而通过对电弧炉+电渣重熔的Mn元素的分布和Mo元素的分布的扫描发现，Mn和Mo元素都是很均匀的分布在基体中，没有偏聚现象。由此说明经电弧炉冶炼的钢锭组织中含有较大尺寸的MnS夹杂物，而经过电渣重熔提纯后，组织比较纯净且合金元素分布均匀。

因此说明采用电弧炉+电渣重熔冶炼（ESR）的方式能够提高原材料成分的均匀性和纯净度且组织比较致密，晶粒细小。

组织的洁净均匀致密有利于力学性能的提高。因为组织中存在较大尺寸的夹杂物，对基体有明显的割裂作用，而且在大尺寸的夹杂物附近容易产生微裂纹，对力学性能有严重的影响，会导致其力学性能较低。在经过电渣重熔后的组织中金属间化合物Cr₂Ni₃和Fe₃Ni₂特别是MoNi₄以细小弥散的颗粒析出，对基体起到了弥散强化的作用。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚的了解，在不脱离本案所述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，且本发明亦不受限于说明书中所举实施例的实施方式。

Claims

1.一种21-10Mn7Mo钢锭,其中，所述钢锭化学成分质量％包括：碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0；Mn/Mo比控制在7-7.5；

或，所述钢锭化学成分质量％由碳C≤0.10、硅Si≤0.8、锰Mn5.5-8.0、磷P≤0.030、硫S≤0.020、镍Ni9.0-11.0、铬Cr19.0-22.0、钼Mo0.5-2.0，和余量为铁Fe和不可避免的杂质组成；Mn/Mo比控制在7-7.5。

2.根据权利要求1所述的21-10Mn7Mo钢锭，其中，Mn/Mo比控制为7-7.1，或7.2-7.3，或7.4-7.5。

3.一种用于制备权利要求1或2所述钢锭的冶炼工艺，所述冶炼工艺下述统称为第一步骤，其中，钢液温度达到1400-1600℃，在高温下实现高铬钢液去碳保铬；所述第一步骤的工艺过程依次是：补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期、出钢、浇铸重熔电极；或/和，在补炉步骤中：补炉材料应用卤水搅拌，不得用清水搅拌；或/和，在装料步骤中：Ni、Mo放在炉内相对高温的区域，不能放在电弧作用区。

4.根据权利要求3所述的冶炼工艺，其中，所述第一步骤中熔化期电极的控制是：电极穿井阶段带阻抗，采用大功率送电；或/和，分批加入石灰料、萤石料，用于稳定电弧；或/和，熔化期吹氧的控制：在炉温达到950℃以上时开始吹氧，氧压控制在不大于0.4MPa；或/和，熔化期脱磷的控制：炉料熔化后期，当钢液含碳量满足预设值时，进行低温脱磷，适时补加石灰或碎矿石，炉门自动流渣去磷；或/和，所述补加矿石的时机和量的控制：分批次加入矿石，每批矿量设置为3-4kg或4-5kg，相邻的批次之间间隔3-4分钟或4-5分钟。

5.根据权利要求3-4之一所述的冶炼工艺，其中，所述第一步骤中氧化期是脱磷、脱碳；除气：包括除氮、除氢；去除钢液中夹杂物；其氧化期脱磷、脱碳的次序是先脱磷，后脱碳；温度控制次序为：先低温，后高温；造渣次序为：先多量，后少量；供料次序为，先加矿石，后吹氧。

6.根据权利要求3-5之一所述的冶炼工艺，其中，氧化期熔渣的控制：通过及时补加矿石、石灰，控制熔渣流动；或/和，熔渣的渣量控制在相当于钢水量的2%～3%；或/和，熔渣碱度控制在相当于2.5～3；或/和，熔渣厚度控制在相当于40mm～60mm。

7.根据权利要求3-6之一所述的冶炼工艺，其中，还原期中石灰、萤石的加入是在扒除氧化渣后迅速加入的，比例为3：1；造出稀薄渣，待稀薄渣形成后，再分批加入石灰，调整炉渣，并加入电解锰；或/和，采用Ca-Si粉、Al粉进行扩散脱氧，待渣白后，充分搅拌，取平行样进行全分析；或/和，保温还原步骤选用小功率升温，出钢前可选用大功率升温。

8.根据权利要求3-7之一所述的冶炼工艺，其中，出钢步骤的控制中：补加合金后，到出钢之间的时间应相对长，控制在大于5分钟；或/和，出钢插Al0.4～0.5㎏/t；或/和，出钢温度选择1580～1590℃或1590℃-1600℃。

9.根据权利要求3-8之一所述的冶炼工艺，其中，浇注重熔电极的控制：浇注时机控制在出钢后，静置3～7分钟，测量温度是否满足浇铸温度条件；或/和，控制浇铸温度为1450～1460℃或1460℃～1470℃或1470℃-1480℃。

10.根据权利要求3-9之一所述的冶炼工艺，其中，浇铸速度为110～120kg/s；或120～130kg/s或130～140kg/s，或140～150kg/s；或/和，开流可以大些，钢液上升到锭身1/3以上时，或全流快注。