CN113186471A - 一种高纯度和高硬度的不锈钢材料 - Google Patents

一种高纯度和高硬度的不锈钢材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，包括基础元素和特性元素；通过加入并控制Si、Nb、Mo等特性元素的质量百分比，在不锈钢其他特性得到有效保证的情况下有效提高不锈钢的硬度和强度。减少了Cr和Ni的用量，在冶炼工艺中在粗炼后，通过AOD精炼和VD精炼进行进一步冶炼，并且在AOD精炼过程中用氮气替代氩气，通过控制不锈钢中的碳氮含量增强不锈钢的强度。通过特制的扒渣工具保证粗炼过程中扒渣快速干净，从而提高不锈钢的纯度，并且在AOD精炼时用氮气取代氩气，控制不锈钢中的氮含量，并在还原期吹入氩气，防止不锈钢中的氮含量发生变化，进一步保证不锈钢的纯度。

Description

一种高纯度和高硬度的不锈钢材料
技术领域
本发明涉及不锈钢的生产领域，尤其涉及一种高纯度和高硬度的不锈钢材料。
背景技术
不锈钢是制造业不可缺少的生产材料，不同的应用场合对不锈钢的特性要求有很大的差异，而不锈钢的原料配比和生产工艺极大地影响了生产出的不锈钢材料的纯度和各方面性能。不锈钢材料在生产过程中，各元素之间相互影响，并受生产工艺的作用，最后的质量和性能偏重各不相同，而高硬度的不锈钢材料是各领域常用到的不锈钢材料之一，高纯度和高硬度的不锈钢材料是目前需求量较大的不锈钢改进方向。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高纯度和高硬度的不锈钢材料。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，包括基础元素和特性元素；所述基础元素的质量百分比为：1.0-1.1的C、3.0-4.0的Cr、10.0-15.0的Ni，其余为Fe和不可避免杂质；所述特性元素的质量百分比为：1.8-2.0的Si、8.0-8.8的Ni、2.0-4.0的Mo；
所述高纯度和高硬度的不锈钢材料的冶炼工艺，包括以下步骤：
步骤一、电炉粗炼：将废钢加入到电炉中，送电同时吹氧助熔，氧压控制在0.7Mpa，充分搅拌，直到废钢完全溶解；
步骤二、待钢水温度达到1650-1700℃时，加适量石灰，碳粉萤石，保持加热20min，充分搅拌；
步骤三、使用扒渣装置去除钢水中的废渣，分析钢水中的成分，进行成分调整；
步骤四、粗炼完成后，温度为1650-1670℃时出钢；
步骤五、AOD精炼：向钢水中吹入冷却氮气220-250Nm³/h，主回路氮气420-430 Nm³/h，完成兑钢后，炉体摇正，开启主氧吹炼；
步骤六：进入还原期，首先开启保护气，然后切断主氧气，吹入600～700 Nm³/h的氩气8～10分钟，分析钢水成分，根据需要进行成分调整；
步骤七：VD精炼；
步骤八：在钢包底部出入氮气，搅拌20分钟出炉。
优选地，所述特性材料还包括0.03-0.04的铈镧合金。
优选地，所述扒渣装置包括转向装置、伸缩装置以及收料装置；所述转向装置以其自身的一端为圆心，以其自身为轴在水平面内旋转并沿其轴向伸缩移动，所述伸缩装置安装在所述转向装置的远离圆心的一端下方，所述伸缩装置沿垂直于水平面方向伸缩移动，所述收料装置安装在所述伸缩装置的下方并用以完成扒渣动作。
优选地，所述转向装置包括固定座，以及在所述固定座上顺序排列安装的固定齿轮、主动齿轮以及从动齿轮；所述固定齿轮固定安装在所述固定座上，所述主动齿轮与所述固定齿轮形成齿轮配合，所述从动齿轮与所述主动齿轮形成齿轮配合，所述主动齿轮通过电机驱动在所述固定齿轮的外圈转动，所述从送齿轮随所述主动齿轮转动，所述固定座在3个齿轮的驱动下以固定齿轮为圆心、以自身为轴在水平面内旋转。
优选地，所述转向装置还包括滑动底座，所述滑动底座通过丝杠可滑动地安装在所述固定座的下方，所述伸缩装置安装在所述滑动底座的底部。
优选地，所述伸缩装置包括固定竖板、滑槽、升降杆以及转盘，所述固定竖板固定在所述滑动底座的端部下方，所述滑槽安装在所述固定竖板上，所述升降杆可滑动地安装在所述滑槽中，所述转盘安装在所述固定竖板上，所述转盘与所述升降杆连接，所述转盘在电机的驱动下转动并带动所述升降杆上下运动。
优选地，所述收料装置包括扒渣爪、废渣盒、升降板、液压缸，所述扒渣爪安装在所述废渣盒的底部边缘，所述升降板安装在所述废渣盒的顶部并用以带动所述废渣盒上下升降，所述液压缸的活塞杆与所述废渣盒铰接并用以推动所述废渣盒上下旋转。
优选地，步骤五的主氧吹炼时，氧化期吹入气体的比例，一期比例为氧气：氮气=3.5:1，终点碳8.0-10.0%，终点温度1700-1720℃；二期比例为氧气：氮气=1:1，终点碳1.3-1.5%，终点温度1780-1800℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，通过原料成分调整，减少了Cr和Ni的用量，在冶炼工艺中在粗炼后，通过AOD精炼和VD精炼进行进一步冶炼，并且在AOD精炼过程中用氮气替代氩气，并通过氮气的吹入量控制不锈钢成品中N的含量，并且与不锈钢中的C一同增强不锈钢的强度。本发明的不锈钢材料通过加入并控制Si、Nb、Mo等特性元素的质量百分比，在不锈钢其他特性得到有效保证的情况下有效提高不锈钢的硬度和强度。通过特制的扒渣工具保证粗炼过程中扒渣快速干净，从而提高不锈钢的纯度，并且在AOD精炼时用氮气取代氩气，控制不锈钢中的氮含量，并在还原期吹入氩气，防止不锈钢中的氮含量发生变化，进一步保证不锈钢的纯度。
附图说明
图1为扒渣装置的第一角度的结构示意图；
图2为扒渣装置的第二角度的结构示意图；
图3为扒渣装置的第三角度的结构示意图；
图4为扒渣装置的第四角度的结构示意图；
图5为扒渣装置的第五角度的结构示意图。
附图标号：1-转向装置；2-伸缩装置；3-收料装置；101-固定齿轮；102-固定座；103-转杆；104-齿轮电机；105-主动齿轮；106-从动齿轮；107-滑动底座；108-丝杠电机；109-联轴器；110-挡板；111-光杆；112-丝杠；113-滑块；201-固定竖板；202-滑槽；203-转盘；204-升降杆；205-转盘电机；206-电机座；301-扒渣爪；302-升降板；303-废渣盒；304-液压缸；305-升降板连杆；306-升降齿轮；307-齿轮连杆；308-齿圈；309-齿圈固定板；310-连杆电机。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
请结合参照图1-图5，本发明提供了一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，包括基础元素和特性元素；基础元素的质量百分比为：1.0-1.1的C、3.0-4.0的Cr、10.0-15.0的Ni，其余为Fe和不可避免杂质；特性元素的质量百分比为：1.8-2.0的Si、8.0-8.8的Nb、2.0-4.0的Mo。
将不锈钢中的Cr含量降低，对不锈钢材料中的各种元素分量进行调整，并在基础元素中加入特性元素。基础元素中使用Ni元素能改变不锈钢的力学性能、细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。铌可以改善焊接性能，并可防止晶间腐蚀现象。使用Si元素能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，Si和Mo、Cr等结合，有提高不锈钢的抗腐蚀性和抗氧化的作用。在不锈钢中加入Mo可以使不锈钢基体强化，从而提高不锈钢的高温强度和蠕变性能。优选地，特性材料还包括、0.03-0.04的铈镧合金，可以有效改善不锈钢的锻造性能。
本发明的高纯度和高硬度的不锈钢材料的冶炼工艺，包括以下步骤：
步骤一、电炉粗炼：将废钢加入到电炉中，送电同时吹氧助熔，氧压控制在0.7Mpa，充分搅拌，直到废钢完全溶解；
步骤二、待钢水温度达到1650-1700℃时，加适量石灰，碳粉萤石，保持加热20min，充分搅拌；
步骤三、使用扒渣装置去除钢水中的废渣，分析钢水中的成分，进行成分调整；
步骤四、粗炼完成后，温度为1650-1670℃时出钢；
步骤五、AOD精炼：向钢水中吹入冷却氮气220-250Nm³/h，主回路氮气420-430 Nm³/h，完成兑钢后，炉体摇正，开启主氧吹炼；氧化期吹入气体的比例为：一期、氧气：氮气=3.5:1，终点碳8.0-10.0%，终点温度1700-1720℃；二期、氧气：氮气=1:1，终点碳1.3-1.5%，终点温度1780-1800℃。
步骤六：进入还原期，首先开启保护气，然后切断主氧气，吹入600-700 Nm³/h的氩气8-10分钟，分析钢水成分，根据需要进行成分调整；
步骤七：VD精炼；
步骤八：在钢包底部出入氮气，搅拌20分钟出炉。
本发明将不锈钢中Cr的含量降低，在其冶炼工艺中采用AOD精炼和VD精炼配合使用的加工方式，在AOD精炼中用氮气（N2）替代氩气（Ar），一方面，本发明中碳（C）的质量百分比增加至1-1.1，并且在冶炼工艺中增加了氮（N）含量，碳氮含量的增加，会使得不锈钢的强度提高，可以有效提高不锈钢的硬度。本发明的不锈钢冶炼工艺中，AOD精炼过程主氧吹炼氧化期吹入气体分为两期，一期、氧气：氮气=3.5:1，终点碳8.0-10.0%，终点温度1700-1720℃；二期、氧气：氮气=1:1，终点碳1.3-1.5%，终点温度1780-1800℃，通过严格控制氧气与氮气的吹入比例，控制终点碳的含量，可以有效控制冶炼过程中不锈钢的碳氮含量，防止含碳氮量过高，导致不锈钢的冲击韧性过低，韧脆转变温度上升，影响不锈钢的冷、热加工性能。在步骤六的还原期，吹入氩气，不再使用氮气，防止不锈钢中含氮量发生改变，影响不锈钢的性能。
在一实施例中，步骤三中的扒渣装置包括转向装置1、伸缩装置2以及收料装置3；转向装置1以其自身的一端为圆心，以其自身为轴在水平面内旋转并沿其轴向伸缩移动，伸缩装置2安装在转向装置1的远离圆心的一端下方，伸缩装置2沿垂直于水平面方向伸缩移动，收料装置3安装在伸缩装置2的下方并用以完成扒渣动作。
本发明中采用更高效的扒渣装置，通过转向装置1可以在水平面内旋转移动，并前后伸缩，仔细调整收料装置3的位置，通过伸缩装置2调整上下高度，并辅助收料装置3完成扒渣的动作，转向装置1、伸缩装置2以及收料装置3相互配合，快速、精准地完成一个周期的扒渣动作。使用上述扒渣装置可以将钢水中的废渣快速、彻底地清除，进而进行钢水的成分调整，有效地提高钢水的纯净度，从而提高不锈钢的纯度。
在一实施例中，转向装置1包括固定座102，以及在固定座102上顺序排列安装的固定齿轮101、主动齿轮105以及从动齿轮106；固定齿101固定安装在固定座102上，主动齿轮105与固定齿轮101形成齿轮配合，从动齿轮106与主动齿轮105形成齿轮配合，主动齿轮105通过电机驱动在固定齿轮101的外圈转动，从动齿轮106随主动齿轮105转动，固定座102在3个齿轮的驱动下以固定齿轮101为圆心、以自身为轴在水平面内旋转。优选地，转向装置2还包括滑动底座107，滑动底座107通过丝杠112可滑动地安装在固定座102的下方，伸缩装置2安装在滑动底座107的底部。
转向装置1的具体结构可以是：固定齿轮101固定安装在固定座102上，主动齿轮105与固定齿轮101形成齿轮配合，从动齿轮106与主动齿轮105形成齿轮配合，转杆103转动安装在固定座102上，齿轮电机104固定安装在转杆103上，齿轮电机104的输出轴与主动齿轮105同轴固定连接，主动齿轮105转动安装在转杆103上，从动齿轮106固定安装在转杆103上，滑动底座107固定安装在主动齿轮105上，丝杠电机108固定安装在滑动底座107上，丝杠电机108的输出轴通过联轴器109与丝杠112固定连接，丝杠112转动安装在挡板110上，挡板110固定安装在滑动底座107上，滑块113与丝杠112形成螺纹配合，滑块113滑动安装在光杆111上，固定齿轮101、主动齿轮105、从动齿轮106的齿数相同。
在进行扒渣操作时，齿轮电机104驱动主动齿轮105转动，主动齿轮105带动与之啮合匹配的固定齿轮101以及从动齿轮106同步转动。由于固定齿轮101的中心轴被固定，因此主动齿轮105在固定齿轮101的外圈转动，与此同时转杆103和从动齿轮106以固定齿轮101的圆心为圆心做圆周运动，从而使得扒渣装置以固定齿轮101的中心轴为圆心在水平面内转动，改变水平面内的方向。丝杠电机108驱动丝杠112沿其轴向移动伸缩，光杆111和丝杠112一同固定在滑动底座107的挡板110上，滑动底座107保证与其相连的伸缩装置2和收料装置3都可以随丝杠112的伸缩在水平面内移动。因此，齿轮电机104驱动齿轮转动使得丝杠112随之在水平面内旋转，丝杠电机108驱动丝杠前后移动伸缩，转向装置1可以控制用于实施扒渣动作的收料装置3在水平面内旋转并前后伸缩。
在一实施例中，伸缩装置2包括固定竖板201、滑槽202、升降杆204以及转盘203，固定竖板201固定在滑动底座207的端部下方，滑槽202安装在固定竖板201上，升降杆204可滑动地安装在滑槽202中，转盘203安装在固定竖板201上，转盘203与升降杆204连接，转盘203在电机的驱动下转动并带动升降杆204上下运动。
伸缩装置2的具体结构可以是：固定竖板201固定安装在滑块113上，滑槽202固定安装在固定竖板201上，转盘203转动安装在固定竖板201上，转盘203上设有拨柱，升降杆204滑动安装在滑槽202上，转盘203上的拨柱设置在升降杆204的长槽内，转盘电机205的输出轴与转盘203同轴固定安装，转盘电机205固定安装在电机座206上，电机座206固定安装在固定竖板201上，转向装置1转动时带动伸缩装置2一起转动，伸缩装置2通过调节在转向装置1上的位置实现在不同半径的圆形轨迹上运动，转盘电机205带动转盘203转动的同时带动升降杆204实现上下往复运动。伸缩装置2通过升降杆204的上下移动带动收料装置3上下移动，改变扒渣的高度。
在一实施例中，收料装置3包括扒渣爪301、废渣盒303、升降板302、液压缸304，扒渣爪301安装在废渣盒303的底部边缘，升降板302安装在废渣盒303的顶部并用以带动废渣盒303上下升降，液压缸304的活塞杆与废渣盒303铰接并用以推动废渣盒303上下旋转。
收料装置3的具体结构可以是：扒渣爪301固定安装在废渣盒303上，升降板302滑动安装在废渣盒303上，液压缸304的活塞杆与废渣盒303铰接，升降板连杆305的一端与升降板302铰接，另一端转动安装在升降齿轮306的转轴上，齿轮连杆307的一端转动安装在齿圈固定板309上，另一端转动安装在升降齿轮306的转轴上，齿圈固定板309固定安装在废渣盒303上，连杆电机310固定安装在齿圈固定板309上。升降杆204向下运动时，液压缸304的活塞杆缩回，扒渣爪301伸入钢液中，当升降杆204向上运动时，液压缸304的活塞杆伸出，扒渣爪301向远离钢液的方向旋转，与此同时，升降齿轮306向上运动，带动升降板302向上运动，废渣掉落到废渣盒303中，随即升降板302下降，将废渣留在废渣盒303中，即完成了一个周期的扒渣工作。
由上，本发明的一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，通过原料成分调整，减少了Cr和Ni的用量，在冶炼工艺中在粗炼后，通过AOD精炼和VD精炼进行进一步冶炼，并且在AOD精炼过程中用氮气替代氩气，并通过氮气的吹入量控制不锈钢成品中N的含量，并且与不锈钢中的C一同增强不锈钢的强度。本发明的不锈钢材料通过加入并控制Si、Nb、Mo等特性元素的质量百分比，在不锈钢其他特性得到有效保证的情况下有效提高不锈钢的硬度和强度。通过特制的扒渣工具保证粗炼过程中扒渣快速干净，从而提高不锈钢的纯度，并且在AOD精炼时用氮气取代氩气，控制不锈钢中的氮含量，并在还原期吹入氩气，防止不锈钢中的氮含量发生变化，进一步保证不锈钢的纯度。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于，包括基础元素和特性元素；所述基础元素的质量百分比为：1.0-1.1的C、3.0-4.0的Cr、10.0-15.0的Ni，其余为Fe和不可避免杂质；所述特性元素的质量百分比为：1.8-2.0的Si、8.0-8.8的Ni、2.0-4.0的Mo；
所述高纯度和高硬度的不锈钢材料的冶炼工艺包括以下步骤：
步骤一、电炉粗炼：将废钢加入到电炉中，送电同时吹氧助熔，氧压控制在0.7Mpa，充分搅拌，直到废钢完全溶解；
步骤二、待钢水温度达到1650-1700℃时，加适量石灰，碳粉萤石，保持加热20min，充分搅拌；
步骤三、使用扒渣装置去除钢水中的废渣，分析钢水中的成分，进行成分调整；
步骤四、粗炼完成后，温度为1650-1670℃时出钢；
步骤五、AOD精炼：向钢水中吹入冷却氮气220-250Nm³/h，主回路氮气420-430 Nm³/h，完成兑钢后，炉体摇正，开启主氧吹炼；
步骤六：进入还原期，首先开启保护气，然后切断主氧气，吹入600～700 Nm³/h的氩气8～10分钟，分析钢水成分，根据需要进行成分调整；
步骤七：VD精炼；
步骤八：在钢包底部出入氮气，搅拌20分钟出炉。
2.如权利要求1所述的，其特征在于：所述特性材料还包括、0.03-0.04的铈镧合金。
3.如权利要求1所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：所述扒渣装置包括转向装置、伸缩装置以及收料装置；所述转向装置以其自身的一端为圆心，以其自身为轴在水平面内旋转并沿其轴向伸缩移动，所述伸缩装置安装在所述转向装置的远离圆心的一端下方，所述伸缩装置沿垂直于水平面方向伸缩移动，所述收料装置安装在所述伸缩装置的下方并用以完成扒渣动作。
4.如权利要求3所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：所述转向装置包括固定座，以及在所述固定座上顺序排列安装的固定齿轮、主动齿轮以及从动齿轮；所述固定齿轮固定安装在所述固定座上，所述主动齿轮与所述固定齿轮形成齿轮配合，所述从动齿轮与所述主动齿轮形成齿轮配合，所述主动齿轮通过电机驱动在所述固定齿轮的外圈转动，所述从送齿轮随所述主动齿轮转动，所述固定座在3个齿轮的驱动下以固定齿轮为圆心、以自身为轴在水平面内旋转。
5.如权利要求4所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：所述转向装置还包括滑动底座，所述滑动底座通过丝杠可滑动地安装在所述固定座的下方，所述伸缩装置安装在所述滑动底座的底部。
6.如权利要求5所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：所述伸缩装置包括固定竖板、滑槽、升降杆以及转盘，所述固定竖板固定在所述滑动底座的端部下方，所述滑槽安装在所述固定竖板上，所述升降杆可滑动地安装在所述滑槽中，所述转盘安装在所述固定竖板上，所述转盘与所述升降杆连接，所述转盘在电机的驱动下转动并带动所述升降杆上下运动。
7.如权利要求6所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：所述收料装置包括扒渣爪、废渣盒、升降板、液压缸，所述扒渣爪安装在所述废渣盒的底部边缘，所述升降板安装在所述废渣盒的顶部并用以带动所述废渣盒上下升降，所述液压缸的活塞杆与所述废渣盒铰接并用以推动所述废渣盒上下旋转。
8.如权利要求1所述的高纯度和高硬度的不锈钢材料，其特征在于：步骤五的主氧吹炼时，氧化期吹入气体的比例，一期比例为氧气：氮气=3.5:1，终点碳8.0-10.0%，终点温度1700-1720℃；二期比例为氧气：氮气=1:1，终点碳1.3-1.5%，终点温度1780-1800℃。
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