CN111961805B - 一种高锰钢钢液净化方法、产品及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高锰钢钢液净化方法、产品及应用，高锰钢钢液利用硅铝钡钙合金进行脱氧操作，待完成后向钢液中加入重稀土合金从而达到净化和微合金化钢液的目的。本发明通过预先利用硅铝钡钙合金丝线进行脱氧处理，保证了重稀土处理的有益效果，减小稀土损耗，提高稀土收得率；吹氮与喂重稀土合金丝同时进行，氮与钇协同作用，起到固氮增钇作用，促进高锰钢的氮和钇的微合金化处理，同时实现高锰钢的净化和微合金化；经本发明工艺技术处理后，高锰钢的强塑韧性、耐磨性、疲劳性能显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及高锰钢技术领域，具体涉及一种高锰钢钢液净化方法、产品及应用。
背景技术
高锰钢具有优异的耐冲击性能和加工硬化特性，其化学成分(wt.％)为C1.0～1.4％，Mn11～14％，其余为Fe和少量杂质元素。特殊的化学成分导致高锰钢热导率低而线膨胀系数大的物理特性，加之碳化物形成趋势大以及粗放式炼钢引起的杂质元素含量高等因素的影响，导致高锰钢的热变形加工工艺性极差。因此，高锰钢往往采用铸造方式进行生产，经水韧处理后直接使用。传统熔炼和铸造工艺手段生产的高锰钢存在杂质元素含量高、铸造缺陷明显等缺点，不仅无法满足长寿命、高安全性的使用需求，也不具备开展通过热变形(轧制或锻造)提高高锰钢力学性能的条件。
为了提高高锰钢的使用性能，利用炉外精炼技术提高高锰钢钢水质量是主要的途径之一。常用的炉外精炼方法，如LF法，RH法、VOD法等，均可对钢液起到非常好的净化作用。然而，由于这些方法均需购置专用装备并设置专用车间，必将给高锰钢生产企业带来成本压力，因此，国内几家主要的高锰钢生产企业仍沿用传统的高锰钢熔炼工艺。在现有高锰钢制造工艺的基础上，通过对钢包中的钢液进行处理获得纯净钢液的方法获得一定应用。专利公告号CN101323891B，名称为“一种纯净高锰钢辙叉的制造方法”的中国发明专利中提出，将化学成分(wt.％)为CaO25％，CaF225％，Re-Mg50％的变质剂预先加入到钢包中，钢液冲入钢包后与变质剂混合从而达到净化钢液的目的。专利公告号CN101275175A，名称为“对高锰钢进行钇基重稀土变质处理的方法”的中国专利中，提出将预先烘烤好的钇基重稀土置于钢包底部，将熔化的钢液冲入钢包，镇静一段时间后进行浇铸，获得高锰钢铸件。两种高锰钢净化方法均采用了钢包底部冲入稀土/变质剂的方法，以期对高锰钢钢液进行净化处理。然而，这种钢包冲入法对稀土/变质剂颗粒尺寸、钢液冲入速度、钢液温度有非常高的要求，容易导致钢包底部的添加剂在钢液中分布不均匀，甚至无法完全熔化的风险，不仅无法起到净化作用，还会恶化高锰钢的力学性能。另外，加入到钢中的稀土仅仅起到了变质剂的作用，造成了稀土的严重浪费。
铁路辙叉是铁路轨道的重要组织部分，是列车改变运行轨迹的关键部件。高锰钢具有优异的耐冲击性能和加工硬化特性，是生产铁路辙叉的主要钢种，近年来，我国高速、重载铁路快速发展，列车最高速度达350km/h，单节车厢最大轴重达35t，单条铁路年运量达4.5亿吨。高速、重载运输环境下，铁路辙叉经受列车车轮频繁且强烈的冲击力作用，服役条件较常规铁路辙叉大幅恶化。因此急需一种能够有效降低高锰钢杂质含量，提高高锰钢性能的高锰钢钢液净化方法以满足高锰钢辙叉的使用要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高锰钢钢液净化方法无需添置专用炉具设备，只需通过简单的工艺操作便可实现高锰钢的净化和微合金化处理，杂质元素含量和夹杂物数量均大幅降低。
一种高锰钢钢液净化方法，包括以下步骤：出钢后的高锰钢钢液中加入硅铝钡钙合金进行脱氧操作，待完成后向钢液中加入重稀土合金从而达到净化和微合金化钢液的目的。
进一步地，所述高锰钢钢液的出钢温度为1490～1510℃，所述脱氧操作为钢液中添加铝钡钙合金，并进行底部吹氮处理，吹氮处理过程中，氮气压力0.4～0.5MPa，脱氧操作完成后，保持吹氮操作加入重稀土合金，重稀土合金加入完毕后，继续保持吹氮5～8min。
进一步地，所述硅铝钡钙合金的加入方法为丝线喂入，丝线直径13mm，硅铝钡钙合金丝线的喂入速度为8～10m/s。
进一步地，所述重稀土合金的加入方法为丝线喂入，丝线直径13mm，重稀土合金丝线的喂入速度为6～8m/s。
进一步地，重稀土合金加入量占钢液总质量的0.4％～0.6％。
进一步地，所述重稀土合金的化学成分，质量分数计：稀土元素≥40％，Si≤10％，Al≥10％，Ba≥10％，Ca≥10％，铁余量；所述稀土元素中Y含量≥50％。
本发明限定重稀土的加入量为40％左右，主要目的是在起到净化作用的同时，在钢液中保留一部分稀土残留，实现钢液的微合金化。本发明稀土添加量使稀土在钢液中更易偏聚晶界，从而抑制P、S等杂质元素在晶界偏聚，提高力学性能。
本发明还提供一种高锰钢，将上述高锰钢钢液净化方法处理得到的高锰钢钢液进行浇铸得到。
进一步地，所述高锰钢钢液浇铸温度为1440～1460℃。
进一步地，所述高锰钢中杂质元素S≤0.01％，P≤0.03％，O≤20ppm，微合金化元素N 0.03～0.04％，稀土元素总量0.02～0.03％，其中Y 0.01～0.02％。
本发明还提供上述高锰钢作为高锰钢辙叉的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)无需添置专用炉具设备，只需通过简单的工艺操作便可实现高锰钢的净化和微合金化处理，杂质元素含量和夹杂物数量均大幅降低。
(2)预先利用硅铝钡钙合金丝线进行脱氧处理，保证了重稀土处理的有益效果，减小稀土损耗，提高稀土收得率；同时限定脱氧过程冲吹氮操作，吹氮主要是净化作用，氮气上浮，带出钢液中的夹杂物，另外可以起到微合金化的目的
(3)吹氮与喂重稀土合金丝同时进行，氮与钇协同作用，起到固氮增钇作用，其原理是稀土钇可加速氮气分解动力学，使更多的N分子分离成活性[N]原子得以固溶高锰钢中；溶解在钢中的氮原子与钇有较强的亲和力，氮原子向钇原子附近的畸变区扩散，形成亚稳Cottrell气团以降低钇原子附近的能量，从而起到稳定钇原子的作用，氮和钇的交互作用促进它们各自在钢中的溶解，实现微合金化。从而使钢液同时实现高锰钢的净化和微合金化。而现有技术中加入稀土元素主要起变质作用，而并未实现微合金化。
(4)经本发明工艺技术处理后，高锰钢的强塑韧性、耐磨性、疲劳性能显著提升。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
采用电弧炉熔炼高锰钢，1500℃出钢将高锰钢钢水倒入2个相同容量的10吨钢包中，分别记为1号钢包和2号钢包。1号钢包按照常规脱氧和铸造工艺进行生产高锰钢辙叉(利用铝丝进行脱氧操作，铸造工艺为普法铸造)。2号钢包倒入钢水后，立即在钢包底部通入高纯度氮气，氮气压力保持在0.4MPa。首先向钢液中喂入直径为13mm的硅铝钡钙合金丝线，加入量为吨钢10m，喂丝速度为10m/s，完成高锰钢钢液的脱氧处理。之后再向钢液中喂入直径为13mm的专用重稀土合金丝线，重稀土合金的化学成分(wt.％)为RE：42％(其中Y占稀土总量60％，La占15％，Ce占25％)，Si：6％，Al：13％，Ba：10％，Ca：11％，余量为Fe。重稀土合金丝加入量为吨钢11m，加入速度为6m/s。吹氮10min后，停止吹氮，待钢液降温至1450℃时，开始浇铸高锰钢辙叉。
两种工艺下均利用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔。
经检测，1号钢包浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.15、Mn：12.8、Al：0.60、Si：0.32、P：0.065、S：0.035、N：0.011、O：0.005，余量为Fe。
2号钢包浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.15、Mn：12.7、Al：0.16、Si：0.38、P：0.025、S：0.005、N：0.035、O：0.002、Y：0.020、La：0.006、Ce：0.010，余量为Fe。将高锰钢辙叉缓慢加热至1050℃保温3h后进行水韧处理，水温控制在40℃。并在心轨位置取样进行常规力学性能测试，结果如表1，由表1可以得出，2号钢包浇铸的高锰钢辙叉强度、塑性、韧性显著高于1号钢包浇铸的高锰钢辙叉。
表1.高锰钢辙叉的常规力学性能
实施例2
采用电弧炉熔炼高锰钢，1495℃出钢将钢水倒入2个相同容量的钢包中，分别记为1号钢包和2号钢包。1号钢包按照常规脱氧和铸造工艺进行生产高锰钢辙叉(利用铝丝进行脱氧操作，铸造工艺为普法铸造)。2号钢包倒入钢水后，立即在钢包底部通入高纯度氮气，氮气压力保持在0.5MPa。首先向钢液中喂入直径为13mm的硅铝钡钙合金丝线，加入量为吨钢11m，喂丝速度为9m/s，完成高锰钢钢液的脱氧处理。之后再向钢液中喂入直径为13mm的专用重稀土合金丝线，重稀土合金的化学成分(wt.％)为RE：45％(其中Y占稀土总量62％，La占18％，Ce占20％)，Si：8％，Al：11％，Ba：10％，Ca：10％，余量为Fe。重稀土合金丝加入量为吨钢10m，加入速度为8m/s。吹氮12min后，停止吹氮，待钢液降温至1440℃时，开始浇铸高锰钢辙叉。两种工艺下均利用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔。
经检测，1号钢包浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.19、Mn：11.5、Al：0.53、Si：0.38、P：0.055、S：0.030、N：0.010、O：0.005，余量为Fe。
2号钢包浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.18、Mn：11.8、Al：0.21、Si：0.39、P：0.031、S：0.008、N：0.038、O：0.002、Y：0.018、La：0.005、Ce：0.011，余量为Fe。将高锰钢辙叉缓慢加热至1050℃保温3h后进行水韧处理，水温控制在35℃。在心轨位置取样进行常规力学性能测试，结果如表2，由表2可以得出，2号钢包浇铸的高锰钢辙叉强度、塑性、韧性显著高于1号钢包浇铸的高锰钢辙叉。
表2.高锰钢辙叉的常规力学性能
实施例3
采用电弧炉熔炼高锰钢，1500℃出钢将高锰钢钢水，脱氧操作为插入纯铝除氧，插入量为1.2kg/吨钢，脱氧过程中不进行钢包吹氮处理。之后再向钢液中喂入直径为13mm的专用重稀土合金丝线，重稀土合金的化学成分(wt.％)为RE：42％(其中Y占稀土总量60％，La占15％，Ce占25％)，Si：6％，Al：13％，Ba：10％，Ca：11％，余量为Fe。重稀土合金丝加入量为吨钢11m，加入速度为6m/s。待钢液降温至1450℃时，开始浇铸高锰钢辙叉。利用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔。经检测，浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.21、Mn：12.8、Al：0.53、Si：0.38、P：0.025、S：0.005、N：0.009、O：0.002、Y：0.011、La：0.005、Ce：0.006，余量为Fe。将高锰钢辙叉缓慢加热至1050℃保温3h后进行水韧处理，水温控制在40℃。并在心轨位置取样进行常规力学性能测试，结果见表3。
表3.高锰钢辙叉的常规力学性能
实施例4
同实施例1中的2号钢包，区别在于，过程中未进行吹氮处理，经检测，浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.21、Mn：12.8、Al：0.21、Si：0.30、P：0.021、S：0.005、N：0.010、O：0.002、Y：0.012、La：0.005、Ce：0.005，余量为Fe。将高锰钢辙叉缓慢加热至1050℃保温3h后进行水韧处理，水温控制在40℃。并在心轨位置取样进行常规力学性能测试，结果见表4。
表4.高锰钢辙叉的常规力学性能
实施例5
采用电弧炉熔炼高锰钢，1500℃出钢将高锰钢钢水，脱氧操作改为插入纯铝除氧，插入量为1.2kg/吨钢，过程中不进行钢包吹氮处理。重稀土合金的化学成分(wt.％)为RE：42％(其中Y占稀土总量60％，La占15％，Ce占25％)，Si：6％，Al：13％，Ba：10％，Ca：11％，余量为Fe。重稀土合金进行烘烤，烘烤温度150℃，烘烤时间15min，将烘烤过的稀土置于钢包底部，稀土尺寸大小为20mm，稀土加入量为0.4％。将熔化的钢液冲入钢包中，出炉温度为1460℃，对钢液进行镇静，时间15min，然后浇注，浇注温度为1450℃。经检测，浇铸的高锰钢辙叉化学成分(wt.％)为C：1.18、Mn：12.8、Al：0.53、Si：0.35、P：0.029、S：0.016、N：0.009、O：0.005、Y：0.006、La：0.003、Ce：0.005，余量为Fe。将高锰钢辙叉缓慢加热至1050℃保温3h后进行水韧处理，水温控制在40℃。并在心轨位置取样进行常规力学性能测试，结果见表5。
表5.高锰钢辙叉的常规力学性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高锰钢钢液净化方法，其特征在于，包括以下步骤：出钢后的高锰钢钢液中加入硅铝钡钙合金进行脱氧操作，待完成后向钢液中加入重稀土合金从而达到净化和微合金化钢液的目的；
所述高锰钢钢液的出钢温度为1490～1510℃，所述脱氧操作为钢液中添加硅 铝钡钙合金，并进行底部吹氮处理，吹氮处理过程中，氮气压力0.4～0.5MPa，脱氧操作完成后，保持吹氮操作加入重稀土合金，重稀土合金加入完毕后，继续保持吹氮5～8min；
所述硅铝钡钙合金的加入方法为丝线喂入，丝线直径13mm，硅铝钡钙合金丝线的喂入速度为8～10m/s；
所述重稀土合金的加入方法为丝线喂入，丝线直径13mm，重稀土合金丝线的喂入速度为6～8m/s；
重稀土合金加入量占钢液总质量的0.4％～0.6％；
所述重稀土合金的化学成分，以质量分数计，包括：稀土元素≥40％，Si≤10％，Al≥10％，Ba≥10％，Ca≥10％，铁余量；所述稀土元素中Y含量≥50％。
2.一种高锰钢，其特征在于，将权利要求1所述高锰钢钢液净化方法处理得到的高锰钢钢液进行浇铸得到。
3.根据权利要求2所述的高锰钢，其特征在于，所述高锰钢钢液浇铸温度为1440～1460℃。
4.根据权利要求2或3所述的高锰钢，其特征在于，所述高锰钢中杂质元素S≤0.01％，P≤0.03％，O≤20ppm，微合金化元素N 0.03～0.04％，稀土元素总量0.02～0.03％。
5.一种根据权利要求2-4任一项所述的高锰钢作为高锰钢辙叉的应用。
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