CN107299272A - 一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺 - Google Patents

一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，通过配料和加料、真空熔炼、精炼、充气加压、加入铋粉粒料和浇注得到含铋易切削不锈钢。本发明通过粉粒料加料机构将铋粉粒料在压缩惰性气体的作用下，快速均匀地喷射到真空炉内的熔液内部，可以有效抑制铋的沸腾和挥发，提高铋的收得率，从而获得铋含量均匀分布的含铋易切削不锈钢。本发明提供的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，加料速度快，熔料效率高，元素收得率高，烧损率显著降低。本发明得到的含铋易切削不锈钢，具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能，环保性好，有利于推广利用。

Description

一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，涉及不锈钢的熔炼，具体涉及一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺。
背景技术
含铅易切削不锈钢因其优越的切削加工性能而广泛应用于机械与汽车行业，用于切削加工各种零部件，但因其含有高污染的铅而必将被取代，因此寻找替代产品是其发展潮流。由于金属铋无毒，且具有与金属铅相近的低熔点和高柔韧性，目前，金属铋被公认为是替代铅的最佳环保易切削元素之一。采用金属铋替代铅，并复配其他化学成分，使得该无铅易切削钢既具有铅系易切削钢的易切削性能，又无毒无害。
在熔炼时需要加入铋元素，目前铋的加入方式是以中间合金或纯金属的方式加入，纯金属的加入方式是将铋块或铋粒在真空或充气状态下通过控制多级料斗来加入，铋在重力作用下自上而下从料斗落入金属液表面。如果加入的料块过大，则不利于物料的快速熔化，导致铋烧损和元素分布不均匀。若以粉粒料加入，虽然熔化速度较快，但由于金属铋的熔点比铅更低，密度也较小，加入后会漂浮于液体的表面上，容易引起沸腾和高挥发，大大影响其收得率。因此，亟需要一种将铋的粉粒料快速送入熔融金属熔液内部的加料技术。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，克服目前铋的粉粒料加入后会漂浮于熔液的表面，不能快速送入熔融金属熔液内部，容易引起沸腾和高挥发，大大影响其收得率的缺陷。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料和加料：
将废钢、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁、碳、硅和铋粉粒料进行称量，将碳、硅和铋粉粒料各自单独称量好备用，然后将配制好的由废钢、铬铁、钼铁、硅铁和锰铁组成的炉料加入真空炉内；
步骤二，真空熔炼：
真空条件下，将炉料加热至熔融；
步骤三，精炼：
真空条件下，待炉料全熔，熔液液面平静，开始按照常规步骤加碳，加碳后加硅，加硅后，进行充分搅拌；
步骤四，充气加压：
将惰性气体充入真空炉内，充气压力为20～30kPa；
步骤五，加入铋粉粒料：
通过真空炉的粉粒料加料机构将铋粉粒料在压缩惰性气体的作用下，快速均匀地喷射到真空炉内的熔液内部，所述的压缩惰性气体的压力为40～60kPa；
步骤六，浇注：
熔液中加入铋粉粒料后，保持3～5min，然后浇注成钢锭。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的钢锭，以重量百分比计，钢锭中的元素组成为，C：0.026％，Si：0.5～1.0％，Mn：1.15～1.5％，Cr：19.0～21％，Mo：1.5～2.4％，P：＜0.03％，S：0.18～0.35％，Bi：0.1～0.2，其余为铁和杂质，钢锭中的元素的总重量为100％。按照钢锭中的元素的组成进行原料的配料。
步骤三中，所述的熔液温度为1540～1570℃。
步骤三中，加碳后10～12min加硅，加硅4～5min后，大功率进行充分搅拌。
步骤二和三中，真空熔炼和精炼期的真空炉内的压力控制为小于等于3Pa。
所述的惰性气体为氮气或氩气。
步骤五中，所述的铋粉粒料为铜或镍包覆的铋颗粒，其中铋的颗粒度为1～3mm，铜或镍包覆层的厚度为8～12μm。
所述的真空炉包括炉盖和炉体，炉盖与炉体的上口可拆卸密封连接，所述的粉粒料加料机构与炉体密封连通；
所述的炉体包括炉壁和炉腔，所述的炉壁上连通有抽真空管，抽真空管上设有真空阀，所述的炉腔内部下方固定有坩埚，坩埚的外壁包裹一层炉衬，炉衬外壁设有感应线圈，炉体底部安装有炉脚；
所述的粉粒料加料机构包括粉粒料料仓，粉粒料料仓的上口设有可拆卸密封连接的顶盖，粉粒料料仓上通过通气管连通有惰性气体储气罐，粉粒料料仓的下部连通有上进料管，所述的上进料管上设有进料阀，所述的上进料管下端密封连通有导料硬管，所述的导料硬管穿过所述的炉壁的上部并且延伸进所述的炉体内，所述的导料硬管的外管壁与炉壁密封连接，所述的导料硬管的下端通过内部装有弹簧的导料软管密封连通有下进料管，所述的下进料管能够通过导料软管自由旋转，下进料管的下端能够伸进所述的坩埚内部。
所述的下进料管的上端固定有控制杆，所述的控制杆穿出所述的炉壁，控制杆伸出炉壁外的端部上固定有手柄。
所述的导料软管由聚氨酯制成，所述的弹簧为不锈钢弹簧。
所述的下进料管的材质为耐高温陶瓷。
所述的炉盖上设有透明的观察窗口。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明提供的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，加料速度快，熔料效率高，元素收得率高，烧损率显著降低。通过粉粒料加料机构将铋粉粒料在压缩惰性气体的作用下，快速均匀地喷射到真空炉内的熔液内部，可以有效抑制铋的沸腾和挥发，提高铋的收得率，从而获得铋含量均匀分布的含铋易切削不锈钢。
(Ⅱ)本发明得到的含铋易切削不锈钢，具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能，环保性好，有利于推广利用。
附图说明
图1是真空炉和粉粒料加料机构整体结构示意图。
图中各个标号的含义为：1-炉盖，2-炉体，3-粉粒料加料机构；4-坩埚，5-炉衬，6-感应线圈，7-炉脚，8-粉粒料料仓，9-顶盖，10-通气管，11-惰性气体储气罐；
(2-1)-炉壁，(2-2)-炉腔，(2-1-1)-抽真空管，(2-1-2)-真空阀；
(8-1)-上进料管，(8-2)-导料硬管，(8-3)-导料软管，(8-4)-下进料管，(8-1-1)-进料阀，(8-4-1)-控制杆，(8-4-2)-手柄。
以下结合实施例对本发明作进一步的详细解释说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例给出一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料和加料：
将废钢、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁、碳、硅和铋粉粒料进行称量，将碳、硅和铋粉粒料各自单独称量好备用，然后将配制好的由废钢、铬铁、钼铁、硅铁和锰铁组成的炉料加入真空炉内，其中，铋粉粒料为铜或镍包覆的铋颗粒，其中铋的颗粒度为1mm，铜包覆层的厚度为8μm；
按照钢锭中的元素的组成进行原料的配料。
所述的钢锭，以重量百分比计，钢锭中的元素组成为，C：0.026％，Si：0.5％，Mn：1.15％，Cr：19％，Mo：1.5％，P：0.025％，S：0.18％，Bi：0.1，其余为铁和杂质，钢锭中的元素的总重量为100％。
步骤二，真空熔炼：
打开炉盖1，将炉料放入坩埚4内，关紧炉盖1，同时关闭进料阀8-1-1，打开真空阀2-1-2，当压力达到3Pa后，关闭真空阀2-1-2，进行熔炼；
步骤三，精炼：
待炉料全熔，熔液液面平静，熔液温度达到1540℃时，开始加步骤一中称量好的碳脱氧，加碳后10min加硅，加硅后4min，进行充分搅拌，精炼期真空炉内的压力控制为3Pa；
步骤四，充气加压：
盖紧顶盖9，打开进料阀8-1-1，打开氮气储气罐11，将惰性气体氮气充入真空炉内，充气压力为20kPa，然后关闭进料阀8-1-1，以抑制铋的沸腾和挥发；
步骤五，加入铋粉粒料：
打开粉粒料料仓8的上口密封连接的顶盖9，将铋粉粒料放入粉粒料料仓内8，然后盖紧顶盖9，转动手柄8-4-2，将下进料管8-4插入熔液液面以下，打开进料阀8-1-1，打开氮气储气罐11，将铋粉粒料在惰性压缩气体氮气的作用下，快速喷射入熔液内部，所述的压缩惰性气体氮气的压力为40kPa；
步骤六，浇注：
熔液中加入铋粉粒料后，保持3min，然后浇注成钢锭。
得到的含铋易切削不锈钢，具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能。
将本实施例熔炼的含铋易切削不锈钢和商用含铅易切削不锈钢SF20T进行切削性能对比试验，测试条件为：切削速度100m/min、切削深度0.5mm、切削进给量0.2mm/r，检测结果为含铋易切削不锈钢主切削力为258N，接近SF20T的250N，表明用该熔炼工艺生产的含铋易切削不锈钢具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能。
实施例2：
本实施例给出一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料和加料：
将废钢、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁、碳、硅和铋粉粒料进行称量，将碳、硅和铋粉粒料各自单独称量好备用，然后将配制好的由废钢、铬铁、钼铁、硅铁和锰铁组成的炉料加入真空炉内；其中，铋粉粒料为铜或镍包覆的铋颗粒，其中铋的颗粒度为2mm，铜包覆层的厚度为10μm；
按照钢锭中的元素的组成进行原料的配料。
所述的钢锭，以重量百分比计，钢锭中的元素组成为，C：0.026％，Si：0.75％，Mn：1.3％，Cr：20％，Mo：1.95％，P：0.02％，S：0.26％，Bi：0.15，其余为铁和杂质，钢锭中的元素的总重量为100％。
步骤二，真空熔炼：
打开炉盖1，将炉料放入坩埚4内，关紧炉盖1，同时关闭进料阀8-1-1，打开真空阀2-1-2，当压力达到2Pa后，关闭真空阀2-1-2，进行熔炼；
步骤三，精炼：
待炉料全熔，熔液液面平静，熔液温度达到1555℃时，开始加步骤一中称量好的碳脱氧，加碳后11min加硅，加硅后4.5min，进行充分搅拌，精炼期真空炉内的压力控制为2Pa；
步骤四，充气加压：
盖紧顶盖9，打开进料阀8-1-1，打开氮气储气罐11，将惰性气体氮气充入真空炉内，充气压力为30kPa，然后关闭进料阀8-1-1，以抑制铋的沸腾和挥发；
步骤五，加入铋粉粒料：
打开粉粒料料仓8的上口密封连接的顶盖9，将铋粉粒料放入粉粒料料仓内8，然后盖紧顶盖9，转动手柄8-4-2，将下进料管8-4插入熔液液面以下，打开进料阀8-1-1，打开氮气储气罐11，将铋粉粒料在惰性压缩气体氮气的作用下，快速喷射入熔液内部，所述的压缩惰性气体氮气的压力为50kPa；
步骤六，浇注：
熔液中加入铋粉粒料后，保持4min，然后浇注成钢锭。
得到的含铋易切削不锈钢，具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能。
将本实施例熔炼的含铋易切削不锈钢和商用含铅易切削不锈钢SF20T进行切削性能对比试验，测试条件为：切削速度100m/min、切削深度0.5mm、切削进给量0.2mm/r，检测结果为含铋易切削不锈钢主切削力为249N，接近SF20T的250N，与含铅易切削不锈钢相当的切削性能。
实施例3：
本实施例给出一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料和加料：
将废钢、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁、碳、硅和铋粉粒料进行称量，将碳、硅和铋粉粒料各自单独称量好备用，然后将配制好的由废钢、铬铁、钼铁、硅铁和锰铁组成的炉料加入真空炉内；其中，铋粉粒料为铜或镍包覆的铋颗粒，其中铋的颗粒度为3mm，镍包覆层的厚度为12μm；
按照钢锭中的元素的组成进行原料的配料。
所述的钢锭，以重量百分比计，钢锭中的元素组成为，C：0.026％，Si：1.0％，Mn：1.5％，Cr：21％，Mo：2.4％，P：0.015％，S：0.35％，Bi：0.2，其余为铁和杂质，钢锭中的元素的总重量为100％。
步骤二，真空熔炼：
打开炉盖1，将炉料放入坩埚4内，关紧炉盖1，同时关闭进料阀8-1-1，打开真空阀2-1-2，当压力达到1Pa后，关闭真空阀2-1-2，进行熔炼；
步骤三，精炼：
待炉料全熔，熔液液面平静，熔液温度达到1570℃时，开始加步骤一中称量好的碳脱氧，加碳后12min加硅，加硅后5min，进行充分搅拌，精炼期真空炉内的压力控制为1Pa；
步骤四，充气加压：
盖紧顶盖9，打开进料阀8-1-1，打开氮气储气罐11，将惰性气体氩气充入真空炉内，充气压力为40kPa，然后关闭进料阀8-1-1，以抑制铋的沸腾和挥发；
步骤五，加入铋粉粒料：
打开粉粒料料仓8的上口密封连接的顶盖9，将铋粉粒料放入粉粒料料仓内8，然后盖紧顶盖9，转动手柄8-4-2，将下进料管8-4插入熔液液面以下，打开进料阀8-1-1，打开氩气储气罐11，将铋粉粒料在惰性压缩气体氩气的作用下，快速喷射入熔液内部，所述的压缩惰性气体氮气的压力为60kPa；
步骤六，浇注：
熔液中加入铋粉粒料后，保持5min，然后浇注成钢锭。
得到的含铋易切削不锈钢，具有与含铅易切削不锈钢相当的切削性能。
将熔炼的含铋易切削不锈钢进行切削性能测试，测试条件为：切削速度100m/min、切削深度0.5mm、切削进给量0.2mm/r，检测结果为主切削力为260N，与含铅易切削不锈钢SF20T的切削性能相当。

Claims (10)

1.一种含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一，配料和加料：
将废钢、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁、碳、硅和铋粉粒料进行称量，将碳、硅和铋粉粒料各自单独称量好备用，然后将配制好的由废钢、铬铁、钼铁、硅铁和锰铁组成的炉料加入真空炉内；
步骤二，真空熔炼：
真空条件下，将炉料加热至熔融；
步骤三，精炼：
真空条件下，待炉料全熔，熔液液面平静，开始加碳，加碳后加硅，加硅后，进行充分搅拌；
步骤四，充气加压：
将惰性气体充入真空炉内，充气压力为20～30kPa；
步骤五，加入铋粉粒料：
通过真空炉的粉粒料加料机构将铋粉粒料在压缩惰性气体的作用下，快速均匀地喷射到真空炉内的熔液内部，所述的压缩惰性气体的压力为40～60kPa；
步骤六，浇注：
熔液中加入铋粉粒料后，保持3～5min，然后浇注成钢锭。
2.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，所述的钢锭，以重量百分比计，钢锭中的元素组成为，C：0.026％，Si：0.5～1.0％，Mn：1.15～1.5％，Cr：19.0～21％，Mo：1.5～2.4％，P：＜0.03％，S：0.18～0.35％，Bi：0.1～0.2，其余为铁和杂质，钢锭中的元素的总重量为100％。
3.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，步骤三中，所述的熔液温度为1540～1570℃。
4.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，步骤三中，加碳后10～12min加硅，加硅4～5min后，大功率进行充分搅拌。
5.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，步骤二和三中，真空熔炼和精炼期的真空炉内的压力控制为小于等于3Pa。
6.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，所述的惰性气体为氮气或氩气。
7.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，步骤五中，所述的铋粉粒料为铜或镍包覆的铋颗粒，其中铋的颗粒度为1～3mm，铜或镍包覆层的厚度为8～12μm。
8.如权利要求1所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，所述的真空炉包括炉盖(1)和炉体(2)，炉盖(1)与炉体(2)的上口可拆卸密封连接，所述的粉粒料加料机构(3)与炉体(2)密封连通；
所述的炉体(2)包括炉壁(2-1)和炉腔(2-2)，所述的炉壁(2-1)上连通有抽真空管(2-1-1)，抽真空管(2-1-1)上设有真空阀(2-1-2)，所述的炉腔(2-2)内部下方固定有坩埚(4)，坩埚(4)的外壁包裹一层炉衬(5)，炉衬(5)外壁设有感应线圈(6)，炉体(2)底部安装有炉脚(7)；
所述的粉粒料加料机构(3)包括粉粒料料仓(8)，粉粒料料仓(8)的上口设有可拆卸密封连接的顶盖(9)，粉粒料料仓(8)上通过通气管(10)连通有惰性气体储气罐(11)，粉粒料料仓(8)的下部连通有上进料管(8-1)，所述的上进料管(8-1)上设有进料阀(8-1-1)，所述的上进料管(8-1)下端密封连通有导料硬管(8-2)，所述的导料硬管(8-2)穿过所述的炉壁(2-1)的上部并且延伸进所述的炉体(2)内，所述的导料硬管(8-2)的外管壁与炉壁(2-1)密封连接，所述的导料硬管(8-2)的下端通过内部装有弹簧的导料软管(8-3)密封连通有下进料管(8-4)，所述的下进料管(8-4)能够通过导料软管(8-3)自由旋转，下进料管(8-4)的下端能够伸进所述的坩埚(4)内部；
所述的下进料管(8-4)的上端固定有控制杆(8-4-1)，所述的控制杆(8-4-1)穿出所述的炉壁(2-1)，控制杆(8-4-1)伸出炉壁(2-1)外的端部上固定有手柄(8-4-2)。
9.如权利要求8所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，所述的导料软管(8-3)由聚氨酯制成，所述的弹簧为不锈钢弹簧。
10.如权利要求8所述的含铋易切削不锈钢的熔炼工艺，其特征在于，所述的下进料管(8-4)的材质为耐高温陶瓷。
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