CN109762959A - 一种特殊钢的冶炼方法及特殊钢 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种特殊钢的冶炼方法及特殊钢，涉及钢铁冶炼技术领域。主要采用的技术方案为：一种特殊钢的冶炼方法包括熔炼金属炉料、凝固金属液、精炼、加入稀土、浇注的步骤。其中，熔炼金属炉料：对金属炉料进行真空熔炼，使所述金属炉料完全熔化成金属液、并使所述金属液沸腾第一设定时间。凝固金属液：真空状态下，使金属液表面凝固第二设定时间。精炼：向金属液中加入合金，进行精炼。加入稀土：向所述精炼钢液中加入稀土原料，保持沸腾第三设定时间。浇注：对加入稀土原料后的精炼钢液进行浇注处理。一种特殊钢由上述的特殊钢冶炼方法冶炼而成。本发明主要用于解决现有特殊钢中的夹杂物尺寸较大、数量较多、以及纯净度不高的技术问题。

Description

一种特殊钢的冶炼方法及特殊钢

技术领域

本发明涉及一种钢铁冶炼技术领域，特别是涉及一种特殊钢的冶炼方法及特殊钢。

背景技术

中国是世界稀土资源大国，稀土储量和产量都远远超过其它国家，如何在钢中更好地利用稀土成为研究热点。稀土具有较好的净化钢液、减少夹杂、细化晶粒的作用，从而能够大大提高钢水的纯净度。稀土在钢中变质夹杂物，以及对其形态、数量和尺寸大小的控制上具有较强的作用。此外，稀土在钢中尚有微合金化、与低熔点有害夹杂反应、捕氢及弥散强化等作用；同时具有改善铸态组织、抑制晶粒长大、影响组织转变、改善材料热塑性和热强性、提高抗氢致脆性以及提高抗氧化性等功能。

特殊钢是指具有特殊的化学成分(合金化)、采用特殊的工艺生产、具备特殊的组织和性能，能够满足特殊需要的钢类。与普通钢相比，特殊钢具有更高的强度和韧性、物理性能、化学相容性和工艺性能。常见的特殊钢由轴承钢、模具钢、高强钢、不锈钢以及高温合金等。近年来，随着我国电力工业，核工业和石油化工业的迅猛发展，对特殊钢的需求量越来越大，同时对特殊钢的纯净度要求越来越高。钢锭或铸坯是特殊钢的先期产品，对提高特殊钢的质量尤为重要。

目前，特殊钢主要存在两类关键问题：偏析和夹杂。偏析主要表现为组织不均匀、元素分布不均匀，控制不当将导致锻件探伤不合格，甚至报废。夹杂会促进偏析的形成，同时大尺寸的夹杂会严重影响材料的性能。因此，对于特殊钢而言，夹杂物控制(控制夹杂物形态、尺寸、分布)和低氧控制是本领域的研究重点。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种特殊钢的冶炼方法及特殊钢，主要目的在于解决目前特殊钢中的夹杂物尺寸较大、数量较多、以及纯净度不高的技术问题。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种特殊钢的冶炼方法，包括以下步骤：

熔炼金属炉料：对金属炉料进行真空熔炼，使所述金属炉料完全熔化成金属液、并使所述金属液沸腾第一设定时间；

凝固金属液：真空状态下，使金属液表面凝固第二设定时间；

精炼：金属液中加入合金，进行精炼，得到精炼钢液；

加入稀土：向所述精炼钢液中加入稀土原料，保持沸腾第三设定时间；

浇注：对加入稀土原料后的精炼钢液进行浇注处理。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，在所述凝固金属液的步骤之后、所述精炼的步骤之前，还包括二次熔化：将表面凝固的金属液加热熔化。

优选的，所述熔炼金属炉料、凝固金属液、精炼、加入稀土的步骤均在真空熔炼炉中进行。

优选的，所述真空熔炼炉为真空感应炉或真空电炉。

优选的，在所述金属炉料的熔化过程中：真空度控制为0.01-600Pa；当金属液飞溅剧烈时，将真空度控制为150-600Pa；和/或

所述金属炉料的熔化时间大于20min。

优选的，在所述熔炼金属炉料的步骤中，且在所述金属炉料熔化后：

真空度控制为0.01-10Pa；和/或

所述金属液的温度为金属液相线以上100℃以内；和/或

所述熔炼炉的功率为50-200千瓦。

优选的，在所述熔炼金属炉料的步骤中，在所述金属液沸腾过程中，一直保持搅拌操作；和/或所述第一设定时间为10-40min。

优选的，在所述凝固金属液的步骤中：通过断电处理，在0.01-50pa的真空度下，使金属液表面凝固1-10min；和/或在所述精炼的步骤中：向金属液中加入合金后，进行精炼的时间为10-30min，且精炼时的真空度为0.01-10pa。

优选的，在所述加入稀土的步骤中：

待所述精炼钢液的成分合格、且含氧量低于15ppm时，再向所述精炼钢液中加入稀土原料；和/或

所述稀土原料选用含氧量低于150ppm的稀土；和/或

所述稀土原料的加入量满足：特殊钢中稀土的含量为0.01-1kg/t；和/或

向所述精炼钢液中加入稀土原料后，保持沸腾搅拌第三设定时间；其中，第三设定时间大于5min。

优选的，在所述浇注的步骤中：

所述浇注处理采用真空浇注处理，且真空度为0.1-600pa；或

所述浇注处理采用保护气体浇注处理。

另一方面，本发明的实施例提供一种特殊钢，其中，所述特殊钢由上述任一项所述的特殊钢的冶炼方法冶炼而成。

与现有技术相比，本发明的特殊钢的冶炼方法及特殊钢至少具有下列有益效果：

本发明实施例提供的特殊钢的冶炼方法，包括熔炼金属炉料、凝固金属液、二次熔化、精炼、加入稀土的步骤；其中，通过真空熔炼，在高真空下通过金属液的沸腾搅拌可以让金属液中的夹杂物上浮、且高真空有利于夹杂物分解；通过中间凝固金属液，可以排除金属液中的气体含量，同时在真空状态下，该步骤还能加速金属液中氢氧氮的析出；通过二次熔化，进一步减少金属液中的氧含量，控制夹杂物；随后加入合金后进行精炼，以减少加入合金而带入的夹杂物；最后，通过加入稀土减少钢液中的夹杂物数量及尺寸，改善夹杂物的分布，同时消除特殊钢中低熔点杂质的有害作用，减轻偏析，最终达到纯净化的目的。通过以上步骤实现了减少特殊钢中夹杂物的数量和尺寸、消除有害杂质、减轻偏质，冶炼出高纯净度的特殊钢。另外，本发明的操作工艺简单、设计合理、稀土脱氧加入工艺合理、安全性高易于实现。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例采用真空感应炉熔炼金属液的示意图；

图2是本发明实施例对加入稀土后的精炼钢液进行浇注的示意图；

图3是本发明实施例浇注出200Kg钢锭的示意图；

图4为本发明实施例1冶炼出的200Kg钢锭中的夹杂物形貌图；

图5为本发明实施例1冶炼出的200Kg钢锭中的夹杂物的能谱图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

一方面，本发明实施例提供一种特殊钢的冶炼方法，其中，其包括以下步骤：

1、熔炼金属炉料：对金属炉料进行真空熔炼，使所述金属炉料完全熔化成金属液、并使所述金属液保持沸腾第一设定时间。

在此，该步骤中的金属炉料所含的主要元素为铁。金属炉料可以为金属母合金，也可以为生铁，或者两者都有。相应的金属液则是含有其他成分的铁水(其他成分主要根据金属炉料的成分而定)。

较佳地，该步骤具体为：金属炉料熔化过程的真空度保持0.1-600pa。为了防止剧烈喷溅，使熔化时间大于20min、熔化功率可以从20千瓦台阶式增加到300千瓦。当金属液飞溅剧烈时，将真空度控制为150-600Pa，并且可以适当降低熔化速度。金属炉料熔化后的真空度要求控制在0.01-10Pa、温度为金属液相线以上100℃以内、熔炼炉的功率保持在50-200千瓦(这样操作的目的在于：采用高真空，适当的温度以及相应的功率有利于氧化夹杂物的分解，同时还有利于碳氧反应以降低夹杂物与氧的含量)。另外，在熔炼过程中，保证金属液沸腾搅拌10-40min，可以通过调整熔炼炉的功率保持金属液不断搅拌(这样操作目的在于：使金属液内部的夹杂物上浮到表面)。高真空有利于夹杂物分解，搅拌有利于夹杂物上浮。

2、凝固金属液：真空状态下，使金属液表面凝固第二设定时间。

较佳地，该步骤具体为：在金属液沸腾之后，断电直至金属液表面凝固1-10min，在此期间的真空度在0.01-50pa。通过金属液的初次凝固减少金属液中的气体含量，保持高的真空度，加速金属液中氢氧氮的析出。

3、二次熔化：将表面凝固的金属液加热熔化。

在此，通过二次重熔进一步减少金属液中的氧含量，控制夹杂物。

4、精炼：将表面凝固的金属液加热熔化，并向金属液中加入合金，进行精炼，得到精炼钢液。

在此，该步骤所加入的合金为某种特定的合金，以提供某种特定的合金元素，使特殊钢具有某种性能。如，在此的合金可以为硅、锰合金。

较佳地，该步骤具体为：向金属液中加入合金后，进行精炼的时间为10-30min，且精炼时的真空度为0.01-10pa。

在此，要求加入的合金表面干净不得存有可见的氧化层。该步骤的目的在于：减少加入合金而带入的夹杂物。

5、加入稀土：向精炼钢液中加入稀土原料，保持沸腾第三设定时间。

较佳地，精炼钢液中的成分合格、且在氧含量低于15ppm以下，添加0.01-1kg/t(特殊钢中稀土的含量)、氧含量小于150ppm的稀土。稀土RE的表面要求干净，没有氧化。其中稀土RE为多种稀土混合或单一稀土，稀土的纯度在99.9％以上。

在此，第三设定时间大于5min。

通过在钢液中加入氧含量小于150ppm的稀土RE，减少钢中夹杂物，同时消除特殊钢中低熔点杂质的有害作用，减轻偏析，最终达到纯净化的目的；可获得最大夹杂物尺寸小于12μm的纯净钢。

6、浇注：对加入稀土原料后的精炼钢液进行浇注处理。

浇注过程采用真空浇注或保护浇注；其中，真空浇注的真空度在0.1-600pa，保护浇注采用氩气保护。

较佳地，上述步骤中的所述熔炼金属炉料、凝固金属液、二次熔化步骤、精炼、加入稀土的步骤均在真空熔炼炉中进行。较佳地，所述真空熔炼炉为真空感应炉或真空电炉。

另一方面，本发明实施例还提供一种特殊钢，其中，所述特殊钢由上述的特殊钢的冶炼方法冶炼而成。

在此需要说明的是，通过本发明实施例提供的特殊钢的冶炼方法，根据加入金属炉料、合金的成分、份量的不同，可以冶炼出不同种类的特殊钢，但是冶炼步骤一样。

下面通过具体实验实施例进一步进行说明。

实施例1

本实施例主要冶炼出200kg钢锭，且钢锭材质为GCr15轴承钢。采用真空感应炉冶炼，氧化铝坩埚。具体步骤如下：

熔炼金属炉料：金属炉料的熔化时间为160min，真空感应炉内的真空度在2-5Pa，熔化功率在80千瓦。金属炉料熔化后真空度保持为0.1pa，金属液沸腾搅拌25min。其中，参见图1，图1为真空感应炉熔炼金属液的示意图。

凝固金属液：断电15min，使金属液表面凝固5min。

二次熔化：再次加热金属液15min。

精炼：待金属液熔化后加入Si、Mn合金后，进行精炼。

加入稀土：在精炼20min后，取样分析钢液的成分合格、且氧含量6ppm以下，向精炼钢液中添加0.08kg/t、且氧含量小于100ppm的稀土。添加稀土后保持钢液沸腾搅拌15min，真空度在2pa。

浇注：参见图2，将加入稀土后的钢液进行真空浇注，得到钢锭。

对实施例1中浇注的钢锭进行测试，其中，实施例1得到的钢锭中的夹杂物形貌参见图4所示，夹杂物分析能谱图详见图5所示，夹杂物统计参见表1所示。参见图4、图5及表1所示，实施例1冶炼得到氧含量为4ppm、夹杂物最大尺寸为10μm的钢锭。

表1为实施例1冶炼出的钢锭中的夹杂物统计

实施例2

本实施例主要冶炼出200kg钢锭，且钢锭材质为M50轴承钢。采用真空感应炉冶炼，氧化钙坩埚。具体步骤如下：

熔炼金属炉料：金属炉料的熔化时间为180min，真空感应炉内的真空度在1-10Pa，熔化功率在90千瓦。金属炉料熔化后真空度在0.2pa，金属液沸腾搅拌30min。

凝固金属液：断电17min，使金属液表面凝固8min。

二次熔化：再次加热金属液18min。

精炼：待金属液熔化后加入Si、Mn合金，进行精炼。

加入稀土：在精炼18min后，取样分析钢液的成分合格、且氧含量在5ppm以下，向精炼钢液中添加0.18kg/t、且氧含量小于100ppm的稀土。添加稀土后保持钢液沸腾20min，真空度在0.1-2pa。

浇注：将添加稀土的精炼钢液进行真空浇注，得到氧含量为4ppm，夹杂物最大尺寸为10μm的钢锭。

表2为实施例2冶炼出的钢锭中的夹杂物统计

实施例3

本实施例主要用于冶炼出50kg钢锭，钢锭材质为H13模具钢。采用真空感应炉冶炼，氧化铝坩埚。具体步骤如下：

熔炼金属炉料：金属炉料的熔化时间为80min，真空感应炉内的的真空度在1-8Pa，熔化功率在50千瓦。金属炉料熔化后的真空度在1pa，金属液沸腾搅拌35min。

凝固金属液：断电15min，使金属液表面凝固8min。

二次熔化：再次加热18min。

精炼：待金属液熔化后加入Si、Mn合金，进行精炼。

加入稀土：在精炼18min后，取样分析钢液的成分合格、且氧含量在9ppm以下，向精炼钢液中添加0.2kg/t、氧含量小于100ppm的稀土。添加稀土后，保持钢液沸腾15min，真空度在1-2pa。

浇注：将添加稀土的精炼钢液进行氩气保护浇注，得到氧含量为6ppm，夹杂物最大尺寸为11μm的钢锭。

表3为实施例3冶炼出的钢锭中的夹杂物统计

实施例1-实施例3的实验结果表明本发明实施例提供的特殊钢冶炼方法显著减少了特殊钢中夹杂物的数量，以及夹杂物尺寸，提高了特殊钢的纯净度，有利于细化凝固组织，同时减轻了通道偏析等宏观缺陷。

综上，本发明实施例提供的特殊钢的冶炼方法通过真空电炉或感应炉实现真空熔炼，采用高真空分解夹杂物、低功率搅拌金属液使夹杂物上浮、中间凝固处理促进气体析出降低金属液中的气体含量、同时通过采用纯净稀土对夹杂物进行变质处理，控制夹杂物的尺寸，减少钢中的夹杂物数量，为钢液的纯净化冶炼提供了新的有效途径，获得了高端的特殊钢。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种特殊钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

熔炼金属炉料：对金属炉料进行真空熔炼，使所述金属炉料完全熔化成金属液、并使所述金属液沸腾第一设定时间；

凝固金属液：真空状态下，使金属液表面凝固第二设定时间；

精炼：向金属液中加入合金，进行精炼，得到精炼钢液；

加入稀土：向所述精炼钢液中加入稀土原料，保持沸腾第三设定时间；

浇注：对加入稀土原料后的精炼钢液进行浇注处理。

2.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述凝固金属液的步骤之后、所述精炼的步骤之前，还包括：

二次熔化：将表面凝固的金属液加热熔化。

3.根据权利要求2所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，所述熔炼金属炉料、凝固金属液、二次熔化、精炼、加入稀土的步骤均在真空熔炼炉中进行；其中，所述真空熔炼炉为真空感应炉或真空电炉。

4.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，

在所述金属炉料的熔化过程中：真空度控制为0.01-600Pa；当金属液飞溅剧烈时，将真空度控制为150-600Pa；和/或

所述金属炉料的熔化时间大于20min。

5.根据权利要求3所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述熔炼金属炉料的步骤中，当所述金属炉料熔化后：

真空度控制为0.01-10Pa；和/或

所述金属液的温度为金属液相线以上100℃以内；和/或

所述熔炼炉的功率为50-200千瓦。

6.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述熔炼金属炉料的步骤中，

在所述金属液沸腾过程中，一直保持搅拌操作；和/或

所述第一设定时间为10-40min。

7.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述凝固金属液的步骤中：通过断电处理，在0.01-50pa的真空度下，使金属液表面凝固1-10min；和/或

在所述精炼的步骤中：向金属液中加入合金后，进行精炼的时间为10-30min，且精炼时的真空度为0.01-10pa。

8.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述加入稀土的步骤中：

待所述精炼钢液的成分合格、且含氧量低于15ppm时，再向所述精炼钢液中加入稀土原料；和/或

所述稀土原料选用含氧量低于150ppm的稀土；和/或

所述稀土原料的加入量满足：特殊钢中稀土的含量为0.01-1kg/t；和/或

向所述精炼钢液中加入稀土原料后，保持沸腾搅拌第三设定时间；其中，第三设定时间大于5min。

9.根据权利要求1所述的特殊钢的冶炼方法，其特征在于，在所述浇注的步骤中：

所述浇注处理采用真空浇注处理，且真空度为0.1-600pa；或

所述浇注处理采用保护气体浇注处理。

10.一种特殊钢，其特征在于，所述特殊钢由权利要求1-9任一项所述的特殊钢的冶炼方法冶炼而成。