CN109161639B - 一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺 - Google Patents
一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺，具体包括以下步骤：①超高功率电弧炉熔炼、②炉外精炼、③VOD‑VCD‑VD处理、④返LF炉提温、⑤静吹及VC真空浇注，并且浇注时，采用带有滑动水口的精炼钢包进行浇注；本发明采用双真空冶炼浇注和具有滑动水口的精炼钢包相结合的工艺，使得冶炼浇注的DT4磁极、磁轭大钢锭化学成分控制满足要求，钢锭表面质量良好，锻造、毛坯加工过程无异常，产品质量满足技术协议要求。
Description
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，尤其涉及一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺。
背景技术
质子放疗是目前最先进的癌症无创精准治疗方法，目前全世界近70%的质子治疗加速器都是回旋加速器，但目前尚未有国产的质子治疗装备问世。在这样的迫切需求下，国家科技部立项：国家重点研发计划“数字诊疗装备重点专项-基于超导回旋加速器的质子放疗设备研发”，开展250MeV超导回旋加速器研制。
磁极、磁轭是250MeV超导回旋加速器主磁铁系统关键部件，目前国内尚未有采用双真空方案生产DT4磁极、磁轭钢锭的成功案例，亦无类似成功生产经验可供借鉴。目前，国内生产该钢种主要难点如下：
1）化学成分控制十分苛刻
① 碳含量要求≤0.025%，钢水冶炼过程导致钢水碳含量增加因素较多；
② 钢水中Al含量较高，冶炼过程Si含量不易控制，另外Al极易氧化，且Al2O3粒径细小，不易上浮，影响钢水纯净度，易导致钢锭探伤超标或加工过程夹杂物外露，且Al元素回收率极不稳定，成分控制难度大；
③ 该材质浇注温度较高，VOD后需返回LF提温，该过程易导致钢水碳含量增加。
2）锭型较大，钢锭凝固过程碳存在偏析。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺，该冶炼工艺采用双真空结合滑动水口精炼中间包来冶炼浇注DT4磁极、磁轭用大钢锭，使得最终的钢锭满足技术要求。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺，具体包括以下步骤：
① 超高功率电弧炉熔炼
将钢板料和优质生铁装入超高功率电弧炉内，熔炼多次流渣，保证出钢P≤0.005%，出钢温度1650-1680℃，出钢采用留钢留渣，严禁带渣出钢；
电炉出钢按0.5kg/t钢水加入Al块预脱氧，防止进入LF炉后钢水氧含量过高，导致加入造渣材料后渝渣严重；
② 炉外精炼
将经超高功率电弧炉熔炼后的钢液送入LF炉内，采用C粉和SiAlCaBa粉脱氧，造好还原渣，并保证熔渣流动性良好，C粉和SiAlCaBa粉分批次加入，渣厚控制在150mm，白渣保持时间控制在20min以上，出钢前保证化学成分满足工艺要求，钢液进VOD温度控制在1560～1600℃；
③ VOD-VCD-VD处理
将经LF炉冶炼后的钢液送入VOD炉内，冶炼过程中需精确设定枪位，控制好供氧流量、压力、Ar气流量及真空度，氧势和CO趋势图出现明显拐点后过吹5-8min，过吹后进行VCD操作，在真空度为0.5乇以下保持时间≥10分钟，最终时间以氧势和CO趋势图出现明显拐点为判断标准；VCD破空后取样分析，必须满足C≤0.01%，加入Al块和石灰调整钢水Al含量至工艺范围和造渣，加铝后再进行VD处理化渣，要求真空度0.5乇以下，VD时间10-15分钟；
④ 返LF炉提温
将经VOD-VCD-VD处理后的钢液返回LF炉进行提温，提温前严格清扫精炼工位，检查电极情况，尽量避免提温过程增碳，采用Al粉进行脱氧，扩散脱氧剂分批加入，确保钢液脱氧良好，取样分析C和Al元素含量，根据分析结果微调Al含量，温度满足工艺要求，软吹15min以上，充分静置后出钢VC浇注，出钢温度1630-1640℃；
⑤ 静吹及VC真空浇注
真空浇注前，严格吹扫浇注系统，避免浇注过程中外来夹杂物进入钢液，开始浇注真空度满足0.5乇以下，浇注温度为1585-1595℃，并控制好吹氩流量和压力，保证浇注过程钢水扩散良好，浇注前期及后期，钢水上冒口后适当控流，保证钢水浇注温度及注速，破空前后严格按工艺要求加入保温覆盖剂或发热覆盖剂。
进一步的，在步骤⑤中，浇注时，不使用中间包进行倒包，直接使用精炼钢包进行浇注，在精炼钢包的底部设置有密封法兰，在精炼钢包底部的水口处设置有两层式滑动水口，两层式滑动水口中的下滑板连接有液压油缸，液压油缸的液压管线用耐压钢管从密封法兰的侧壁引导外部，并用快速接头与液压泵站连接，通过液压油缸抽动下滑板控制下水口的开闭状态，也可以调整注流大小。
由于采用上述技术方案，本发明能够产生如下所述的技术效果：
1、配料选用钢板料和优质生铁，能够有效保证电炉熔清钢水残余元素含量满足工艺要求，另外，电炉熔炼多次流渣，保证出钢P≤0.005%，出钢过程留钢留渣，严禁带渣出钢；随钢流加入Al块预脱氧，有效防止进入精炼工序后会因钢水氧含量较高，造渣材料加入后反应剧烈而导致渝钢。
2、精炼过程造好还原渣，保证熔渣流动性良好，化学成分满足工艺要求，温度满足VOD开吹温度范围才可进入VOD工序；
3、VOD操作严格按工艺要求执行，出现拐点后过吹5-8分钟min，破空后取样分析必须满足C≤0.01%，否则重新进行VOD-VCD操作；满足C≤0.01%后调入Al块和石灰造渣，并进行VD处理；
4、VD破空后取样重新确认碳含量，并分析Al含量；
5、返回LF视取样分析结果调整成分，达到工艺要求温度，并软吹15min以上，满足出钢温度即可出钢浇注；
6、浇注直接采用精炼钢包，省去中间包，减少倒中间包过程，可避免因倒包造成的中间包耐火材料对钢液的污染，减少倒包过程气体含量的增加，另外，精炼包钢中钢液温降较慢，浇注过程前后温差小，浇注温度均匀，有利于钢锭冒口补缩。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢的化学成分为：C含量≤0.025%，Si含量≤0.20%，Mn含量≤0.30%，P含量≤0.020%，S含量≤0.020%，Cr含量≤0.08%，Ni含量≤0.05%，Al含量0.30%-0.50%，Cu含量≤0.20%，其余为Fe。
本发明所述的一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺，具体包括以下步骤：
①超高功率电弧炉熔炼
将钢板料和优质生铁装入超高功率电弧炉内，熔炼多次流渣，保证出钢P≤0.005%，出钢过程留钢留渣，严禁带渣出钢；
熔炼后出钢按0.5kg/t钢水加入Al块预脱氧，防止进入LF炉后钢水氧含量过高导致渝渣；
钢板料主要满足残余元素低的要求，采用优质生铁满足配碳量和残余要求，有效保证电炉熔清钢水残余元素含量满足工艺要求；
②炉外精炼
将经超高功率电弧炉熔炼后的钢液送入LF炉内，采用C粉和SiAlCaBa粉脱氧，造好还原渣，并保证熔渣流动性良好，C粉和SiAlCaBa粉分批次加入，渣厚控制在150mm，白渣保持时间控制在20min以上，出钢前保证化学成分满足工艺要求，钢液进VOD温度控制在1560～1600℃；
③VOD-VCD-VD处理
将经LF炉冶炼后的钢液送入VOD炉内，冶炼过程中需精确设定枪位，当真空度达到10－15KPa时，开始供氧，氧气压力：0.8-1.0MPa，供氧流量：550－600Nm3/h，预吹时间2—3min；后改主吹，氧气压力：0.8-1.0MPa，供氧流量：700Nm3/h，氩气流量：40－60L/min，通过氧浓差电势仪和CO气体分析仪检测数据，并将数据传输到上位机，观察氧势和CO趋势图，当氧势和CO趋势图出现明显拐点后过吹5-8min，过吹后进行VCD操作，在高真空度0.5乇以下保持时间≥10分钟，最终时间以氧势和CO趋势图出现明显拐点为判断标准；VCD破空后取样分析，必须满足C≤0.01%，加入Al块和石灰调整钢水Al含量和造渣，加铝后再进行VD处理化渣，要求真空度0.5乇以下，VD时间10-15分钟；
④返LF炉提温
将经VOD-VCD-VD处理后的钢液返回LF炉进行提温，提温前严格清扫精炼工位，检查电极情况，尽量避免提温过程增碳，采用Al粉进行脱氧，扩散脱氧剂分批加入，确保钢液脱氧良好，取样分析C和Al元素含量，根据分析结果微调Al含量，温度满足工艺要求，软吹15min以上，充分静置后出钢进行VC真空浇注，出钢温度1630-1640℃；
⑤静吹及VC真空浇注
真空浇注前，严格吹扫浇注系统，避免浇注过程中外来夹杂物进入钢液，开始浇注真空度满足0.5乇以下，浇注温度为1585-1595℃，并控制好吹氩流量和压力，保证浇注过程钢水扩散良好，浇注前期及后期，钢水上冒口后适当控流，保证钢水浇注温度及注速，破空前后严格按工艺要求加入保温覆盖剂或发热覆盖剂。
另外，在浇注时，不再使用中间包进行倒包，直接使用精炼钢包进行浇注，在精炼钢包的底部设置有密封法兰，在精炼钢包底部的水口处设置有两层式滑动水口，两层式滑动水口中的下滑板连接有液压油缸，液压油缸的液压管线用耐压钢管从密封法兰的侧壁引到外部，并用快速接头与液压泵站连接，通过液压油缸抽动下滑板控制下水口的开闭状态，也可以调整注流大小。
浇注直接采用精炼钢包，省去中间包，减少倒中间包过程，可避免因倒包造成的中间包耐火材料对钢液的污染，减少倒包过程气体含量的增加，另外，精炼包钢中钢液温降较慢，浇注过程前后温差小，浇注温度均匀，有利于钢锭冒口补缩。
采用本发明的冶炼工艺，已成功完成4支250MeV超导回旋加速器主磁铁DT4磁极、磁轭钢钢锭冶炼浇注工作，最终钢水熔炼成品化学成分如下表所示，满足技术条件要求。
4支钢锭钢水熔炼成品化学成分表（%）
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | Cu | Al | |
| 1 | 0.007 | 0.03 | 0.03 | 0.006 | 0.005 | 0.01 | 0.03 | 0.01 | 0.04 | 0.49 |
| 2 | 0.01 | 0.10 | 0.05 | 0.004 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.01 | 0.04 | 0.50 |
| 3 | 0.011 | 0.10 | 0.04 | 0.004 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.02 | 0.04 | 0.50 |
| 4 | 0.012 | 0.03 | 0.03 | 0..004 | 0.003 | 0.02 | 0.03 | 0.01 | 0.03 | 0.43 |
Claims (1)
1.一种250MeV超导回旋加速器主磁铁的DT4磁极、磁轭钢冶炼工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
①超高功率电弧炉熔炼
将钢板料和优质生铁装入超高功率电弧炉内，熔炼多次流渣，保证出钢P≤0.005%，出钢温度1650-1680℃，出钢采用留钢留渣，严禁带渣出钢；
电炉出钢按0.5kg/t钢水加入Al块预脱氧，防止进入LF炉后钢水氧含量过高，导致加入造渣材料后渝渣严重；
②炉外精炼
将经超高功率电弧炉熔炼后的钢液送入LF炉内，采用C粉和SiAlCaBa粉脱氧，造好还原渣，并保证熔渣流动性良好，C粉和SiAlCaBa粉分批次加入，渣厚控制在150mm，白渣保持时间控制在20min以上，出钢前保证化学成分满足工艺要求，钢液进VOD温度控制在1560～1600℃；
③VOD-VCD-VD处理
将经LF炉冶炼后的钢液送入VOD炉内，冶炼过程中需精确设定枪位，控制好供氧流量、压力、Ar气流量及真空度，当真空度达到10－15KPa时，开始供氧，氧气压力：0.8-1.0MPa，供氧流量：550－600 Nm3/h，预吹时间2—3min；后改主吹，氧气压力：0.8-1.0MPa，供氧流量：700Nm3/h，氩气流量：40－60L/min，氧势和CO趋势图出现明显拐点后过吹5-8min，过吹后进行VCD操作，在真空度为0.5乇以下保持时间≥10分钟，最终时间以氧势和CO趋势图出现明显拐点为判断标准；VCD破空后取样分析，必须满足C≤0.01%，加入Al块和石灰调整钢水Al含量至工艺范围和造渣，加铝后再进行VD处理化渣，要求真空度0.5乇以下，VD时间10-15分钟；
④返LF炉提温
将经VOD-VCD-VD处理后的钢液返回LF炉进行提温，提温前严格清扫精炼工位，检查电极情况，尽量避免提温过程增碳，采用Al粉进行脱氧，扩散脱氧剂分批加入，确保钢液脱氧良好，取样分析C和Al元素含量，根据分析结果微调Al含量，温度满足工艺要求，软吹15min以上，充分静置后出钢VC浇注，出钢温度1630-1640℃；
⑤静吹及VC真空浇注
真空浇注前，严格吹扫浇注系统，避免浇注过程中外来夹杂物进入钢液，开始浇注真空度满足0.5乇以下，浇注温度为1585-1595℃，并控制好吹氩流量和压力，保证浇注过程钢水扩散良好，浇注前期及后期，钢水上冒口后适当控流，保证钢水浇注温度及注速，破空前后严格按工艺要求加入保温覆盖剂或发热覆盖剂；
在步骤⑤中，浇注时，不使用中间包进行倒包，直接使用精炼钢包进行浇注，在精炼钢包的底部设置有密封法兰，在精炼钢包底部的水口处设置有两层式滑动水口，两层式滑动水口中的下滑板连接有液压油缸，液压油缸的液压管线用耐压钢管从密封法兰的侧壁引到外部，并用快速接头与液压泵站连接，通过液压油缸抽动下滑板控制下水口的开闭状态，也可以调整注流大小。
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