CN110629118A - 中低碳工业超纯铁及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种中低碳工业超纯铁及其生产方法。该中低碳工业超纯铁，成分组成如下：C≤0.25wt％，Si≤0.04wt％，Mn≤0.03wt％，S≤0.001wt％，P≤0.0025wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.003wt％，Ce：0.003～0.01wt％，La：0.002～0.005wt％，Nd和Pr为痕量，余量为Fe及不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：依次经过KR铁水预脱硫、转炉深脱磷、LF深脱硫、RH深脱氧、连铸工序。本发明方法制备得到的铁纯度高。

Description

中低碳工业超纯铁及其生产方法

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种中低碳工业超纯铁及其生产方法。

背景技术

纯铁是生产磁性材料、电热合金、精密合金和特种金属材料的重要原料，随着对精密合金、磁性元器件的要求越来越高，尖端高技术产品对纯度要求也越来越高。

我国采用GB9971，GB6983生产原料纯铁和工业纯铁，一般用转炉或转炉+炉外精炼制造，但是，纯度不高，纯铁杂质元素高，实物质量纯度较低，特别是碳、硫、磷较高，只能用于制造普通的零部件。这些纯铁已经不适合制造高端产品，不适合用于生产超低碳高纯洁度马氏体时效钢、高强不锈钢、高级功能材料(软磁合金等)用的原材料，更不能用于尖端技术和高质量零部件。

二次硬化钢是一种含碳的Cr-Ni-Co-Mo系高纯净度钢种，用于制造飞机起落架、樑、轴等零部件，该类钢所用纯铁化学成分要求(wt％)为C≤0.25，Si≤0.05，Mn≤0.05，S≤0.001，P≤0.003，Al≤0.005，Ti≤0.005。纯度仍然是目前二次硬化钢和马氏体时效钢首先需要解决的问题，纯铁中的杂质是影响钢纯度的重要原因，杂质含量高对材料的韧性影响很大。尤其是二次硬化钢其中S和易氧化元素Al、Si、Ti、Mn对材料的断裂韧性和冲击韧性影响很大，在双真空冶炼时又很难去除，这就要求纯铁中的这类元素尽可能的低。

目前，日本及美国采用电解方法制造高纯度工业纯铁，纯度可以达到含铁量为99.9，但其价格非常高，用于生产二次硬化钢、马氏体时效钢、高纯度不锈钢成本高。国内一般采用转炉或电炉+炉外精炼制造，有的经AOD或VOD炉制造，但是其纯度均不高，特别是硫、磷、铝含量较高。随着炉外精炼技术的进步和炉外精炼设备的大型化、控制的智能化，采用转炉/电炉+炉外精炼手段生产纯铁，可针对特定使用需求将纯铁分类分级，同时将精炼提纯工艺进一步优化。

目前国内在转炉/电炉+炉外精炼提纯铁方面的专利或文章较多，但针对采用铁水预处理+转炉+炉外精炼生产中低碳工业超纯铁，可用于生产更加优质的低合金超高强钢、二次硬化超高强钢、高级叶片钢或低中碳高纯度不锈钢的中低碳工业超纯铁的制备方法尚属首例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对纯铁特定使用需求，提供一种中低碳工业超纯铁及其生产方法。

本发明中低碳工业超纯铁，成分组成如下：C≤0.25wt％，Si≤0.04wt％，Mn≤0.03wt％，S≤0.001wt％，P≤0.0025wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.003wt％，Ce：0.003～0.01wt％,La：0.002～0.005wt％，Nd和Pr为痕量，余量为Fe及不可避免的杂质。所述不可避免的杂质小于0.001wt％。

本发明还提供了上述中低碳工业超纯铁的生产方法。该生产方法包括以下步骤：依次经过KR铁水预脱硫、转炉深脱磷、LF深脱硫、RH深脱氧、连铸工序；其中，KR铁水预脱硫工序中，对S＜0.02％的铁水进行预脱硫，控制脱硫终点铁水S＜0.002％；转炉深脱磷工序中，出钢时采用碳块脱氧，碳块加入量以控制铁水中碳含量不高于0.20wt％；LF深脱硫工序中，先在还原阶段加入碳粉使铁水中碳含量为0.20～0.25wt％，然后在深脱硫阶段，继续加入碳粉使铁水中的碳含量高于0.25wt％，同时控制碱度为5.0～7.0；RH深脱氧工序中，真空深脱氧循环末期，加入混合稀土，吹炼至T[O]<15ppm时为终点。

优选的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，KR铁水预脱硫工序中，所述铁水S＜0.01％。

具体的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，转炉深脱磷工序中，控制脱P终点为P＜0.0025％。

具体的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，转炉深脱磷、LF深脱硫和/或RH深脱氧工序中，造渣采用硫含量低、CaO含量大于90％的高效活性冶金石灰进行造渣。

具体的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，RH深脱氧工序中，所述混合稀土包括30％La、48％Ce、18％Nd和3％Pr。剩余的1％为其它稀土元素。

具体的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，RH深脱氧工序中，所述混合稀土添加量为0.2kg/t铁水。

优选的，上述中低碳工业超纯铁的生产方法中，RH深脱氧工序中，加入混合稀土之前，采用循环脱氧，吹氩流量为115～125Nm³/h，时间为10～15min；加入混合稀土之后，采用弱吹脱氧，吹氩流量控制在15～25Nm³/h，时间控制在12～18min。

本发明的有益效果是：KR铁水预脱硫可将入炉铁水S降低至一定水平；转炉深脱磷，采用氧化性渣可最大限度脱P、脱Si、脱Mn等残余元素，转炉出钢后采用碳块脱氧，避免了采用铝硅锰等脱氧剂脱氧，以避免增加铁水中铝、硅、锰含量；铁水中保持的中低碳含量控制住了铁水和渣的氧化性量有利于LF深脱S和RH深脱O；RH脱氧末期添加微量混合稀土，可有效进一步脱O、脱S和变性铁水中夹杂物，通过上述一些列工序，本发明方法生产出的中低碳工业超纯铁，其成分C≤0.25wt％，Si≤0.04wt％，Mn≤0.03wt％，S≤0.001wt％，P≤0.0025wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.003wt％，Ce：0.003～0.01wt％，La：0.002～0.005wt％，Nd和Pr为痕量，其它杂质小于0.001wt％，余量为Fe；该铁S低、O低、P低，添加了微量稀土，夹杂物类型为含稀土夹杂物。本发明生产的纯铁可用于生产更加优质的低合金超高强钢、二次硬化超高强钢、高级叶片钢或低中碳高纯度不锈钢。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于此。

本发明中低碳工业超纯铁的生产方法，采用KR铁水预脱硫→转炉冶炼→LF深脱硫→扒渣→RH深脱氧→方坯或圆坯连铸长流程生产，包括以下步骤：

1)KR铁水预脱硫：采用S＜0.02％的铁水为原料，情况容许可选S＜0.01％的铁水，KR通过机械搅拌+造渣方式脱硫，具有良好的脱硫热力学和动力学条件，终点铁水稳定控制S＜0.002％；铁水脱硫处理后，扒除脱硫渣；

2)转炉冶炼深脱磷：采用双渣法脱磷，有利脱P的动力学和热力学条件：高氧化性和高碱度的大渣量，低温冶炼，底吹氮气搅拌；采用过吹氧，尽量氧化铁水中的Si、Mn等残余元素，脱磷后转炉重新造渣，终点铁水稳定控制P＜0.0025％；出钢过程采用挡渣出钢，减少下渣量；出钢脱氧采用加入碳块脱氧，碳块加入量以控制铁水中C浓度不高于0.20wt％，不用铝硅锰等脱氧剂脱氧，以避免增加铁水中铝、硅、锰含量；本步骤前期在转炉中吹氧脱P、Si、Mn等残余元素，后期转炉出钢过程中加碳脱氧；

3)LF深脱硫：还原阶段即浅脱硫阶段，加入碳粉使C含量为0.20～0.25wt％，该阶段能够还原渣中的氧，降低渣的氧化性有助于脱硫脱氧，采用碳粉是因为碳粉有更好的反应动力学；深脱硫阶段，强化对炉渣和钢水的脱氧，继续加入碳粉将铁水中的碳含量添加至稍高于0.25wt％(0.25～0.26wt％)，保证钢渣(FeO+MnO)≤1.0％；高碱度操作，碱度控制在5.0～7.0的范围；脱硫过程中后期白灰小批量、多批次加入，终点铁水稳定控制S＜0.001％，扒除脱硫渣转入RH工序；

4)RH深脱氧：在脱气步骤中所述真空度不高于100Pa，保持时间不低于25min，真空深脱氧循环末期，通过真空料仓加入0.2kg/t混合稀土(其成分为：30％La、48％Ce、18％Nd和3％Pr)进行深脱硫、深脱氧及铁水中夹杂物变性，并通过循环+弱吹两种方式降低铁水中T[O]含量，T[O]<15ppm时为终点；根据特定纯铁使用需求，控制终点C含量：0.01～0.25wt％；

5)连铸：采用全保护浇注的方式进行连铸，可选方坯或圆坯。

本发明方法步骤3)中，由于反应一直都在进行中，是动态变化的，所以一次性添加碳粉无法到位，后续需要持续添加碳粉，并且在实际生产操作过程中会有部分碳粉会添加到渣面上，所以还原阶段和深脱硫阶段都需要加入碳粉调整碳含量。

本发明方法步骤4)中，加入混合稀土之前，采用循环脱氧，吹氩流量为115～125Nm³/h，时间为10～15min；加入混合稀土之后，采用弱吹脱氧，吹氩流量控制在15～25Nm³/h，时间控制在12～18min。

本发明方法中，转炉、LF炉冶炼和RH炉冶炼为常规冶炼和二次精炼工艺，可以有效去除铁水中的Mn和Si，使之符合工业超纯铁的成分含量标准的要求，本发明中不再累述。

实施例1-5

KR铁水预脱硫采用S＜0.02％、P＜0.012％铁水原料，情况容许可选S＜0.01％的铁水，扒除脱硫渣后进入转炉，要求保证转炉入炉铁水硫含量S＜0.002％。

转炉冶炼采用双渣法，采用过吹氧，高氧化性、高碱度、大渣量，低温冶炼，底吹氮气搅拌脱除P、Si、Mn等残余元素，脱磷后转炉重新造渣，终点铁水稳定控制P＜0.0025％；挡渣出钢，减少下渣量，出钢脱氧采用加入碳块脱氧，不用铝硅锰等脱氧剂脱氧，以避免增加铁水中铝、硅、锰含量。

LF深脱硫，在还原阶段加入碳粉使C含量为0.20-0.25wt％，深脱硫阶段，强化对炉渣和钢水的脱氧，可将铁水中的碳含量添加至稍高于0.25wt％，保证钢渣(FeO+MnO)≤1.0％；高碱度操作，碱度控制在5.0-7.0的范围；脱硫过程中后期白灰小批量、多批次加入，终点铁水稳定控制S＜0.001％，扒除脱硫渣转入RH工序。

RH深脱氧，在脱气步骤中所述真空度不高于100Pa，保持时间不低于25min，真空深脱氧循环末期，通过真空料仓加入0.2kg/t混合稀土(其成分为：30％La、48％Ce、18％Nd和3％Pr)进行深脱硫、深脱氧及铁水中夹杂物变性，并通过循环+弱吹两种方式降低钢中T[O]含量，达到T[O]<15ppm。根据特定纯铁使用需求，控制终点C含量：0.01-0.25wt％。

采用全保护浇注的方式进行连铸，实施例1-3选200mm方坯，实施例4-5选Ф240mm圆坯。

表1:实施例1-5中低碳工业超纯铁成分含量(wt％)

	C	Si	Mn	S	P	Al	Ti	Ce	La
										要求	≤0.25	≤0.04	≤0.03	≤0.001	≤0.0025	≤0.005	≤0.003	0.003-0.008	0.002-0.005
1	0.20	0.030	0.022	0.0006	0.0024	0.003	0.0020	0.004	0.003
										2	0.23	0.030	0.021	0.0008	0.0019	0.004	0.0017	0.003	0.002
3	0.22	0.028	0.022	0.0008	0.0017	0.003	0.0015	0.004	0.004
										4	0.22	0.029	0.023	0.0007	0.0015	0.002	0.0018	0.004	0.002
5	0.23	0.025	0.020	0.0007	0.0020	0.0025	0.0010	0.007	0.005

由表1可见，实施例1-5中各元素含量均符合技术要求，特别是硫含量可以控制在0.0008％以下，稀土含量范围在0.005-0.012％。

采用本发明制得的中低碳工业超纯铁可应用于生产更加优质的低合金超高强钢、二次硬化超高强钢、高级叶片钢或低中碳高纯度不锈钢。

Claims (7)

1.中低碳工业超纯铁，其特征在于：成分组成如下：C≤0.25wt％，Si≤0.04wt％，Mn≤0.03wt％，S≤0.001wt％，P≤0.0025wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.003wt％，Ce：0.003～0.01wt％，La：0.002～0.005wt％，Nd和Pr为痕量，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.权利要求1所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：依次经过KR铁水预脱硫、转炉深脱磷、LF深脱硫、RH深脱氧、连铸工序；其中，KR铁水预脱硫工序中，对S＜0.02％的铁水进行预脱硫，控制脱硫终点铁水S＜0.002％；转炉深脱磷工序中，出钢时采用碳块脱氧，碳块加入量以控制铁水中碳含量不高于0.20wt％；LF深脱硫工序中，先在还原阶段加入碳粉使铁水中碳含量为0.20～0.25wt％，然后在深脱硫阶段，继续加入碳粉使铁水中的碳含量高于0.25wt％，同时控制碱度为5.0～7.0；RH深脱氧工序中，真空深脱氧循环末期，加入混合稀土，吹炼至T[O]<15ppm时为终点。

3.根据权利要求2所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：KR铁水预脱硫工序中，所述铁水S＜0.01％。

4.根据权利要求2所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：转炉深脱磷工序中，控制脱P终点为P＜0.0025％。

5.根据权利要求2所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：转炉深脱磷、LF深脱硫和/或RH深脱氧工序中，造渣采用硫含量低、CaO含量大于90％的高效活性冶金石灰进行造渣。

6.根据权利要求2所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：RH深脱氧工序中，所述混合稀土包括30％La、48％Ce、18％Nd和3％Pr；进一步的，所述混合稀土添加量为0.2kg/t铁水。

7.根据权利要求2所述的中低碳工业超纯铁的生产方法，其特征在于：RH深脱氧工序中，加入混合稀土之前，采用循环脱氧，吹氩流量为115～125Nm³/h，时间为10～15min；加入混合稀土之后，采用弱吹脱氧，吹氩流量控制在15～25Nm³/h，时间控制在12～18min。