CN109628696B - 一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，它包括熔化期、精炼期、合金化期三个阶段，其中熔化期采用碳脱氧工艺，精炼期采用分步脱氧工艺，合金化期采用快速合金化工艺，然后快速出钢浇注凝固成型。本发明通过提前配碳或利用原料中自带碳在熔化阶段就参与真空脱氧，显著提升脱氧效率，然后进一步进行精炼脱氧，充分利用碳真空脱氧能力强的优势，且脱氧产物以气体形式排出钢液，可有效提高钢液的纯净度，减少合金化阶段合金烧损，改善夹杂物等问题；且整个熔炼工艺无需额外引入铝等不容易脱出的脱氧剂，可为无铝或铝含量极低品种钢的冶炼生产提供一条全新思路。

Description

一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺。

背景技术

随着社会进步，对钢的性能要求越来越高，纯净钢控制技术成为钢铁冶金冶金领域重要研究课题。纯净钢通常指钢中杂质元素P、S、O、N、H(有时包括C)和非金属夹杂物含量很低的钢，其中钢中O含量的控制主要采用合金元素脱氧，超低氧钢的脱氧主要采用与氧结合能力较强的Al、Ti、Ca等合金元素，通过形成对应的氧化物，在钢水中上浮，进入熔渣中吸附除去。

然而，在真空熔炼过程中，Al、Ti、Ca等合金元素脱氧产物上浮去除效果较差，特别在真空感应熔炼炉中，无顶渣熔炼和中间包挡渣控制环节，这种脱氧方式带来大量脱氧产物进入浇注成型的铸锭中，最终带来钢中氧化物夹杂偏高。常规真空熔炼超低氧钢时，冶炼工艺为采用精炼期碳深脱氧，该冶炼工艺存在精炼期沸腾严重等问题，要求炉体必须留有足够的沸腾空间，限制了炉体装入量，同时在合金化后期加入铝等强脱氧元素，二次脱氧，为了完成超低氧钢的冶炼，经常需提前加入强脱氧元素Al，造成氧化铝夹杂较多。

目前，与真空熔炼脱氧工艺相关的报道主要集中在真空碳脱氧和加铝等强脱氧元素脱氧工艺：如专利CN102477469A公开了一种真空感应炉炼钢的方法，依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤，在将纯铁原料完全熔化后，配碳脱氧，易氧化元素的加入量为含量要求的上限值1.45-1.65倍(易氧化元素包括Ti和Al)，在冶炼X100管线钢时，真空熔化后，首先加入Al脱氧；专利CN 106048134A公开了一种冶炼硅钢的中间试验方法，首先用碳脱氧，并分两次加铝，第一次加铝0.035-0.045％预脱氧；专利CN104294004A公开了一种提高430铁素体不锈钢铸锭等轴晶率的熔炼方法，采用了微量铝粒脱氧，钢液终点铝含量控制在10-30ppm，终点氧含量控制在30-80ppm；上述真空熔炼脱氧工艺均存在氧化铝夹杂等问题。专利CN103924030A公开了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进行真空浇注，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，在精炼期利用碳真空脱氧大幅降低钢中氧含量；但是该专利为了获得在全氧4ppm以下纯净钢，还需在精炼后添加0.5-3kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂，仍然对不含Al等元素品种钢的冶炼存在较大难度。

此外，上述报道均存在精炼期加碳脱氧后剩余碳造成碳超标的问题，不能用于超低碳钢、金属材料的熔炼；且在钢水中氧含量小于0.002％时，普遍存在长时间真空精炼MgO、Al₂O₃等材料对钢水增氧等问题，通常需要采用高纯CaO材料作为炉衬材料冶炼，且后期为防止炉衬增氧往往还需要加入强脱氧元素。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有超低氧钢冶炼工艺易产生铝夹杂等不足，提供一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，有效解决无铝超低氧钢真空冶炼和炉衬对钢水传氧等技术难题。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：

一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，它包括熔化期、精炼期、合金化期三个阶段，其中采用碳脱氧工艺，精炼期采用采用分步脱氧工艺，合金化期采用快速合金化工艺，并出钢浇注凝固成型。

上述方案中，所述熔化期的碳脱氧工艺采用随炉配碳手段(随炉装料中配碳)，并需根据熔化过程钢水的沸腾状态，适当调整熔化送电功率或充保护气体调节气压，保证熔化期安全和平稳进行；熔化期利用碳脱氧和原料脱气等反应同时进行，易造成熔化过程中喷溅严重，可以通过降低熔化送电功率来调整；喷溅和沸腾严重时，可以采用停止对熔炼室抽气、对熔炼室填充惰性气体氩气等措施处理，待熔化液面反应较缓后继续抽气；本发明熔化期提前配碳(0.01-0.04％等)或利用原料中自带碳可以在熔化阶段就参与真空脱氧，比在原料全部熔化后再脱氧效率更高。

上述方案中，所述熔炼期的配碳量根据熔炼原料的初始含氧量计算得出碳氧反应碳的消耗量；配碳量太低时熔化期脱氧不充分，配碳量较高时，容易造成熔化过程中喷溅严重，同时造成一些超低碳冶炼材料增碳，需要综合考虑冶炼成分和工艺过程控制；根据碳氧反应生成CO的反应方程，碳、氧完全反应需要的质量比例为3:4，因此配碳量与原料中全氧比例必须大于3/4，才能在热力学上达到去除氧的目标，同时考虑动力学反应速度，需要增加额外的配碳量促进反应快速反应，此外需要对配碳量严格控制，配碳量不能超过钢种中碳含量的最大值，防止碳脱氧后，成品钢中碳含量超标，因此配碳量要依据原料中全氧含量而定。

优选的，采用超低碳含量(C<0.01％)的铁原料进行熔炼时，随炉配碳量为装料量重量的0.01-0.04％。

上述方案中，所述分步脱氧工艺包括：首先在保护气氛下500-3000pa下加碳脱氧，加碳理论计算量为钢中目标含碳量和脱氧用碳之和，实际操作中一般选择目标值和上限均值，总加入碳量不超过上限碳范围，待该压力气氛下，碳脱氧沸腾平静后，然后打开真空系统对熔炼室抽气，在真空条件下进行脱氧。

优选的，在熔炼C<0.003％的超低碳钢(如无取向硅钢等)，主要依赖随炉配碳脱氧，精炼期中不再加入新的碳粒等含碳原料，或加入碳后确保精炼期碳参与脱氧后消耗掉。

优选的，在熔炼碳含量极低的钢(如无取向硅钢等)时，由于较难利用真空碳脱氧手段将钢中氧含量降低到超低氧状态，在精炼期引入硅等合金元素，然后进行真空精炼抽气，利用Si与钢中[O]结合生成SiO，而SiO挥发脱氧较Si脱氧形成SiO₂脱氧能力更强，同时SiO在高真空下挥发，对钢液无任何污染，显著提升脱氧效率。上述真空发挥脱氧工艺，不局限于硅脱氧生产SiO，其它有利于合金挥发脱氧的合金元素，也可以适用于该真空冶炼工艺。

超低碳低氧钢采(如无取向硅钢)因钢中碳含量极低，采用的真空熔炼工艺为熔化期配碳熔化过程中碳提前脱氧，在精炼期采用Si挥发脱氧，然后合金化浇注成型。其余品种钢可以采用熔化期配碳脱氧、精炼期碳分段式脱氧、精炼期硅挥发脱氧等，然后合金化、模注，在这类品种钢中Si挥发脱氧可以省去，可以把Si放在合金化期充氩气后加入。

上述方案中，所述合金化期采用快速合金化工艺，具体包括：填充保护气体至2000-4000pa，加入合金，合金材料根据其与氧由强到弱顺序依次加入，通过取样测温装置快速取样、定氧，整个合金化期要求快速达到均匀化和成分合格，钢水温度控制在液相线至1550-1600℃范围，通过填充氩气降低真空度、减少合金化时间、优化合金化顺序、降低钢水温度来减少炉衬对钢水传氧；本发明通过在低氧钢液中实现快速合金化，减少合金烧损，保证较高合金利用率，同时减少合金氧化夹杂物；合金化期快速合金化前提是钢中氧含量降低到了较低水平，同时在合金化时要求合金在钢液中均匀熔化，不在炉衬与钢水接触的界面残留未熔化的合金原料，减少合金氧化夹杂物依赖于合金化前的钢水脱氧、原料的干燥和纯净度。

上述方案中，所述保护气氛可选用氩气，但不局限于氩气，对于含氮品种钢也可以采用氮气等作为保护气氛等。

上述方案中，浇注凝固成型步骤包括合金化所得钢水成分均匀且温度达到浇注温度后，进行真空浇注。

上述方案中，所述真空熔炼工艺采用纯铁或碳钢为冶炼原料，或其他金属材料母材或返回料。

上述方案中，所述配碳量包括冶炼原料和/或额外引入的含碳材料提供的碳量。

优选的，所述含碳材料为炭粒、石墨、焦炭、高碳原料、高碳合金、含碳材料中的一种或几种。

本发明所述真空冶炼工艺不但可以用于无铝低氧钢的真空冶炼，同样适用于常规低氧钢或其他金属材料的真空冶炼；且可以用于氧化钙炉衬或氧化镁、镁铝尖晶石、氧化铝基等炉衬，适合推广应用。

本发明的原理为：

1)本发明通过提前配碳或利用原料中自带碳可以在熔化阶段就参与真空脱氧，显著提升脱氧效率；尤其针对超低碳钢种在熔化过程就提前脱氧，在精炼期不用再加过量的碳，同时采用合金元素挥发脱氧，在超低碳品种钢和合金冶炼上适用性更广，有效改善现有熔炼技术较难适用于超低碳钢或金属材料等熔炼的技术难题；

2)本发明首次提出将脱氧步骤贯穿于熔化期和精炼期等步骤，并结合部分合金化挥发脱氧功能，可以针对不同钢材成分要求，组合使用其中的工艺手段；

3)本发明通过降低合金化熔炼过程真空度、减少合金化时间、优化合金化顺序、降低钢水温度等，可有效减少炉衬对钢水传氧并实现后期不增氧，适用于真空熔炼下的氧化钙、氧化镁、镁铝尖晶石炉衬多种工况。

4)真空下碳脱氧反应沸腾较剧烈，特别是真空条件下加入大量的碳瞬时沸腾可以将钢水溢出炉衬，通常需要减少装料量炉衬上方预留大量真空反应空间，大幅降低了每炉的成材率；而本发明采用分步脱氧工艺，在炉料全部熔清就脱除了大量氧，降低了在真空精炼下负担，同时在精炼期通过不同真空度下的分段式精炼，实现了脱氧操作的精细化，安全性更高，同时炉容利用率达到了90％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明充分利用碳真空脱氧能力强的特点，脱氧产物以气体形式排出钢液，可有效提高钢液的纯净度，减少合金化阶段合金烧损，改善夹杂物等问题。

2)本发明通过提前配碳或利用原料中自带碳可以在熔化阶段就参与真空脱氧，相对现有原料全部熔化后再脱氧工艺，可显著提升脱氧效率。

3)精炼阶段；把脱氧贯穿于熔化期、精炼期；并结合部分合金化挥发脱氧功能，进一步有效提升真空熔炼脱氧效果和分段式精炼安全性。

4)本发明在低氧钢液中进行快速合金化，有效减少合金烧损，保证较高的合金利用率，并减少合金氧化夹杂物。

5)本发明满足应用于真空熔炼下的氧化钙、氧化镁、镁铝尖晶石炉衬多种工况，通过降低合金化熔炼过程真空度、减少合金化时间、优化合金化顺序、降低钢水温度来减少炉衬对钢水传氧；可为无铝或铝含量极低品种钢的冶炼生产提供一条全新思路。

附图说明

图1为实施例1所述真空冶炼工艺的流程示意图，图中包括四个部分，其中1为各阶段的真空度；2为真空冶炼过程具体冶炼工艺控制；3为充氩、测温、取样、定氧等过程操作；4为按照时间先后顺序排列的冶炼各阶段划分明细。

图2为实施例2所述真空冶炼工艺的流程示意图，图中包括四个部分，其中5为各个阶段的真空度；6为真空冶炼过程具体冶炼工艺控制；7为充氩、测温、取样、定氧等过程操作；8为按照时间先后顺序排列的冶炼各阶段划分明细。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，采用工业纯铁(成分信息见表1)冶炼1#品种钢，炉衬采用MgO坩埚，在50kg真空感应炉冶炼，其工艺流程图见图1，具体包括如下步骤：

1)原料预处理；采用的工业纯铁经表面除锈处理，熔炼过程中采用的合金原料经过烘烤炉烘干后使用；装入量47kg，炉容利用率94％；

2)熔化期；随炉装料(工业纯铁)中配碳用于熔化期脱氧，配碳量根据原料中初始含氧量配碳10g；装料后抽气至1000pa并送电30KW升温，10min后，送60KW，开始熔化后，根据熔化过程钢水的沸腾状态，喷溅严重时，通过降低熔化送电功率10W来调整，通过降低送电功率至50KW以下降低熔化速度，原料全部溶清后，所得钢液进入精炼期；如果每次熔化是常温冷炉启动时整个熔化期时间45-60分钟。热炉启动整个熔化期30-40分钟。

3)精炼期；充入氩气至真空度为5000pa，然后加碳76g，在图1所述不同等级的真空度下逐级进行精炼脱氧：首先在2000-5000pa真空度下碳氧反应平静后，启动真空系统对炉内进行抽气，碳氧反应钢水鼓泡高度接近炉口关闭真空阀门，停止抽气，在此真空度下继续精炼脱氧，待钢水再次平静后，表示碳氧反应在该真空度下反应已经不剧烈；继续对炉内抽气至真空度为1-20pa，在此真空度下继续精炼脱氧，待钢水平静后精炼期碳脱氧结束；停止抽气，然后加入硅铁，继续抽气至0.1～10Pa利用硅挥发脱氧，对钢液进行抽真空精炼，钢液面平静后，整个精炼期脱氧结束；

4)合金化步骤；填充保护氩气至真空度为3000pa进行合金化，并根据合金同氧结合能力由弱到强依次加入各种合金(金属锰、铌铁、钒铁等合金材料合金含量见表2)，合金化时间4min；

5)出钢浇注；合金成分取样分析合格后，取出钢浇注前成分样，调整出钢温度出钢浇注，带电浇注功率30KW，浇注温度控制在液相线以上30-50℃，实际浇注温度1560℃。

对所取试样进行全氧检测，采用本实施例所述真空熔炼工艺所得品种钢的全氧含量为0.0011％，具体成分信息见表1。

表1实施例1采用工业纯铁和所得1#品种钢的成分信息表

表2实施例1采用合金材料的成分和用量信息表

实施例2

一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，采用碳素钢(成分信息见表3，带碳原料)冶炼2#品种钢，炉衬采用MgO坩埚，在50kg真空感应炉冶炼，其工艺流程图见图2，涉及的重要步骤和参数条件包括：

1)熔化期；原料采用碳钢，原料中带有熔化阶段足够的碳并参与脱氧，熔化过程中，钢水表面波动大时，充入氩气5000pa进行调整炉内气氛，调整功率30-40KW，控制熔化期的反应程度；待炉料全部熔清后，溶液表面继续反应，直到溶液表面平静，表明在5000pa氩气气氛压力下，钢水进入了平稳状态。

2)精炼期；钢水平静进入精炼期，加入碳15g，待碳全部熔清，溶液表面有封腾到平静后，在5000pa下打开真空泵对溶液继续脱气，降低至2000pa，关闭真空阀(关阀不关真空泵，真空泵只是对管道气体抽气、维持平衡，未联通真空熔炼室)，在此真空度下精炼3分钟，液面平静后，打开真空阀，继续对真空室抽真空至500pa，钢水继续发生沸腾反应4分钟，待液面平静后，打开真空阀继续对真空熔炼室抽气至10pa，在此真空度下继续精炼3分钟。停止真空阀，然后加入硅并真空抽气至0-10pa进行真空发挥脱氧，待钢水表面平静后，完成精炼阶段，整个过程中温度通过55KW功率控制在1580℃左右。

3)合金化期精炼结束后充氩气至3000pa，依次加入合金化元素金属锰、铌铁、钒铁(金属锰、铌铁、钒铁等合金材料合金含量见表4)，合金全部溶清两分钟后，测温取样，

4)出钢浇注出钢温度1560℃，带电30KW浇注。

对所取试样进行全氧检测，采用本实施例所述真空熔炼工艺所得品种钢的全氧含量为0.0015％，具体成分信息见表2。

表3实施例2采用碳素钢作为原料和所得2#品种钢的成分信息表

表4实施例2采用合金材料的成分和用量信息表

对比例1

采用一种常规熔炼工艺真空熔炼实施例1中1#品种钢，工业纯铁(成分信息见表5)、合金原料、炉衬材质(MgO)、熔炼设备、操作人员全部相同，炉衬采用MgO坩埚；具体熔炼工艺包括如下步骤：

1)原料预处理；采用的工业纯铁经表面除锈处理，熔炼过程中采用的合金原料经过烘烤炉烘干后使用；总装入量47kg，炉容利用率94％，其中工业纯铁加入量45.8kg；其余合金加入量、合金品位见表6；

2)熔化期；热炉随炉装料工业纯铁，未随炉配碳；装料后抽气至1000pa，30KW送电升温，10min后，送电功率50-60KW进行快速熔化，40分钟后原料全部溶清后，钢液进入精炼期，真空度5pa；

3)精炼期；关闭真空阀，直接向钢水加碳已经经过实践证实，存在剧烈沸腾，钢水溢出问题，过程安全和熔炼顺行都存在诸多问题；因此在加入碳前，关闭真空阀，充入氩气10kpa，然后加碳76g，碳全部熔入钢水，待液面平静后，开启真空阀对真空熔炼室抽真空至500pa，钢水剧烈沸腾，关闭真空阀，在500pa气氛下，精炼10分钟；

4)合金化步骤；填充保护氩气至真空度为3000pa进行合金化，并根据合金同氧结合能力由弱到强依次加入各种合金(金属硅、锰、铌铁、钒铁等合金材料合金含量见表6)，合金化时间5min；

5)出钢浇注；测温、取样；出钢前未，调整出钢温度出钢浇注，带电浇注功率30KW，浇注温度1560℃。

对所取试样进行全氧检测，采用本实施例所述真空熔炼工艺所得品种钢的全氧含量为0.0035％，具体成分信息见表5。

表5对比例1按照1#品种钢设计成分冶炼的3#成分信息表

表6对比例1采用合金材料的成分和用量信息表

通过对比例1发现，相同的试验条件和原料加入量，采用不同的真空熔炼工艺，相差明显；从元素成分来看上，对比例中合金元素的烧损增加，3#钢成品中碳含量损失达到了0.05％，硅损失0.03％，其余元素都有不同程度的烧损；残余危害元素N达到了0.0022％，O达到了0.0035％。相比实施例1，对比例在脱氧环节上，省略了熔化期配碳脱氧、精炼期脱氧时间虽然也保证了10min左右，但真空精炼真空度要差于实施例1；对比例1熔炼所得成品的成分效果，说明对比例所述熔炼工艺达不到纯净钢的技术标准。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无铝低氧钢的真空熔炼工艺，它包括熔化期、精炼期、合金化期三个阶段，其中采用碳脱氧工艺，精炼期采用分步脱氧工艺，合金化期采用快速合金化工艺，并出钢浇注凝固成型；

所述熔化期的碳脱氧工艺采用随炉配碳手段，采用C<0.01％的超低碳的铁原料进行熔炼，随炉配碳量为装料量重量的0.01-0.0213％；

所述分步脱氧步骤包括：首先在保护气氛下500-3000pa下加碳脱氧，碳脱氧沸腾平静后，然后打开真空系统对熔炼室抽气，在真空条件下进行脱氧；真空脱氧步骤后加硅进行真空发挥脱氧

所述快速合金化工艺中，填充保护气体至2000-4000pa，加入合金；钢水温度控制在液相线至1550-1600℃范围，通过填充氩气降低真空度、减少合金化时间、优化合金化顺序、降低钢水温度来减少炉衬对钢水传氧；所述炉衬为氧化钙炉衬、氧化镁、镁铝尖晶石或氧化铝基炉衬。

2.根据权利要求1所述的真空熔炼工艺，其特征在于，钢浇注凝固成型步骤包括：合金化所得钢水成分均匀且温度达到浇注温度后，进行真空浇注。

3.根据权利要求1所述的真空熔炼工艺，其特征在于，所述真空熔炼工艺采用纯铁或碳钢为冶炼原料。

4.根据权利要求1所述的真空熔炼工艺，其特征在于，所述配碳量包括冶炼原料和/或额外引入的含碳材料提供的碳量。

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