CN113774285A

CN113774285A - 一种超低碳工业纯铁及其制备方法

Info

Publication number: CN113774285A
Application number: CN202010520459.XA
Authority: CN
Inventors: 徐锋; 顾雄; 庄伟�; 罗辉
Original assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-10

Abstract

本发明涉及一种超低碳工业纯铁及其制备方法，该产品的化学成分按重量百分比为：C≤0.010％、S≤0.0015％、P≤0.0050％、Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％、N≤0.01％、H≤0.0003％；余量为Fe。本发明的制备方法采用电弧炉、LF炉及AOD进行脱磷、脱硫和去碳处理；然后在氩气环境下得到工业纯铁钢锭；再经加热、锻造/轧制、切割、除锈清理后获得超低碳工业纯铁；该产品杂质元素含量低，纯净度高。

Description

一种超低碳工业纯铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及高性能合金冶炼时采用的一种超低碳工业纯铁及其制备方法。由于各种杂质元素含量低，纯净度高，可用于超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢等高端钢种冶炼时的原料。

背景技术

纯铁是一种重要的工业基础原料，是一种含碳量很低的铁合金。一般用转炉或转炉+炉外精炼冶炼，主要用于制造电磁元件、软磁材料；国内钢厂均有生产。

除了电工领域之外，工业纯铁还是超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢等重工业领域高端用钢生产所必须的原材料。为了满足重工业领域苛刻的服役环境，达到高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温的要求，超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢这类高端钢种在冶炼时，要求作为原料的工业纯铁的杂质元素含量非常低。由于纯度不够，碳、硫、磷等杂质含量高，国内用GB9971、GB6983标准生产的原料纯铁和工业纯铁无法满足要求，采用这些纯铁生产的超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢在高强度状态下无法达到国际特殊材料标准规定的塑性和韧性。

目前，国际上已经能够采用电解方法批量制造高纯度工业纯铁，纯净度高达99.9％，但这些纯铁进口价格居高不下，无法进行大规模的工业应用，而国内电解法制造高纯净工业纯铁尚处于探索阶段，还未形成工业化批产能力。鉴于上述情况，需要开发一种高纯净度的超低碳工业纯铁，来满足国防军工、航空航天领域高端用钢生产的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低碳工业纯铁及其制备方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种超低碳工业纯铁，其包括按质量百分数计的如下元素：C≤0.010％、S≤0.0015％、P≤0.0050％、Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％、N≤0.01％、H≤0.0003％；余量为Fe。

一种如前述超低碳工业纯铁的制备方法，其包括如下步骤：

S1、选择废钢、生铁为原料，将所述原料利用电弧炉进行脱磷处理和脱碳处理，至碳含量不超过0.08％，磷含量不超过0.002％后，再利用LF炉进行第一次脱硫处理，至钢水中硫含量不超过0.0030％；

S2、将步骤S1中得到的钢水转入AOD炉中进行吹氧去碳处理，至碳含量不超过0.01％后，加入铝进行预脱氧，进行扒渣，同时加入氧化钙和氟化钙；

S3、向步骤S2中得到的钢水中分批次加入铝、氧化钙和氟化钙，并保持温度不低于1680℃，进行第二次脱硫处理，至硫含量不超过0.0015％后，在氮气的保护下进行浇注，得到工业纯铁钢锭；

S4、将步骤S4中得到的工业纯铁钢锭加热至1150～1200℃下进行保温后进行锻造或轧制，得到工业纯铁棒材，将所述工业纯铁棒才加工成块料后，去除所述块料表面的氧化皮和铁锈，得到超低碳工业纯铁。

步骤S1原料在利用电弧炉和LF炉处理时，同时可以通过氧化去除原料中多余的Si、Mn、Al、Ti元素，反应原理为：

2[P]+5(FeO)+3(CaO)＝(3CaO·P₂O₅)+5Fe

2[P]+5(FeO)+4(CaO)＝(4CaO·P₂O₅)+5Fe

[Si]+2[O]＝(SiO₂)

[Mn]+[O]＝(MnO)

2[Al]+3[O]＝(Al₂O₃)

[Ti]+2[O]＝(TiO₂)

[FeS]+(CaO)＝(CaS)+(FeO)

[MnS]+(CaO)＝(CaS)+(MnO)

3(CaO)+2[Al]+3[S]＝3(CaS)+Al₂O₃。

步骤S2的反应原理为：

2[C]+O₂＝2CO

[Si]+O₂＝(SiO₂)。

步骤S3的反应原理为：

3(CaO)+2[Al]+3[S]＝3(CaS)+Al₂O₃。

作为优选方案，所述步骤S1中所述原料的碳含量为0.7～1.0％，磷含量不超过0.02％，硫含量不超过0.02％。

作为优选方案，所述步骤S1中，电弧炉进行脱磷处理时，温度为1540～1570℃。

作为优选方案，步骤S1得到的钢水中的各元素的质量百分数分别为：Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％。

作为优选方案，所述步骤S3中，浇注时的温度为1590～1610℃。

本发明主要用于超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢等高端钢种冶炼时的原料，其化学成分直接影响这些高端钢种的化学成分及性能。本发明主要涉及碳(C)、氮(N)、氢(H)、硫(S)、磷(P)、硅(Si)、锰(Mn)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、锡(Sn)、锑(Sb)、铅(Pb)、砷(As)、铋(Bi)等元素，它们对超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢等高端钢种性能的影响如下：

碳(C)和氮(N)都是间隙固溶元素，它们虽然可以显著提高钢的基体强度，但是在超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢中，极易与钛(Ti)、铝(A1)生成坚硬且尖锐的Ti(C、N)夹杂和AlN夹杂，还能与Mo元素形成坚硬的多角形的(Ti、Mo)C夹杂从而严重降低不锈钢的韧性，因此本发明的工业纯铁要严格控制上述元素：C≤0.010％、N≤0.01％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％。

氢(H)在钢中会产生白点、点状偏析等缺陷造成氢脆，显著降低断面收缩率。因此本发明严格控制氢含量H≤0.0003％。

硫(S)和锰(Mn)容易形成MnS夹杂，MnS夹杂在钢的基体中相当于裂纹源，除此之外硫(S)和磷(P)元素在晶界的偏析使晶界弱化，因此，S和P含量高会危害钢的塑性，使钢的断面收缩率降低。本发明要求S≤0.0015％、P≤0.0050％、Mn≤0.10％。

硅(Si)主要是在熔炼期间作为脱氧剂使用，且可以强化基体、提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性。但是硅含量过高会导致有害相析出，降低钢的热加工性能和冲击韧性。因此本发明硅含量控制在0.05％以下。

铜(Cu)在不锈钢中可作为强化元素，添加铜元素也能增强钢的耐应力腐蚀的能力，但过多的铜会在不锈钢热加工时引起铜脆。综合考虑，本发明的铜含量控制在0.10％以下。

锡(Sn)、锑(Sb)、铅(Pb)、砷(As)、铋(Bi)这五种元素，因为在绝大多数情况下，对钢材的加工性能和使用性能有不利的影响，而且它们的化学性质相近，作用机理相似，经常混合在一起，故统称为″五害元素″。虽然五害元素含量不高，但由于它们原子半径大，多在晶界与表面富集，分布不均匀，因而对钢的加工及性能带来极大的危害，其主要体现在：一)它们的熔点与钢相比较低，钢种含量超过一定数值会降低钢的熔点，增加钢的热脆倾向，恶化钢坯、钢材的热加工性能；二)会明显降低高温机械性能，增加钢的高温脆性；三)低温环境下危害钢的强度和韧性，使钢变脆；四)砷(As)、锑(Sb)还对钢的疲劳性能产生较大影响。因此本发明的工业纯铁要严格控制″五害元素″：Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明与国内工业领域大量使用的按GB9971、GB6983标准生产的原料纯铁和工业纯铁相比，各种杂质元素含量更低，纯净度更高，可用于超高强度马氏体时效钢、超高强度不锈钢等高端钢种冶炼时的原料；

2)用本发明获得的超低碳工业纯铁冶炼的超高强度马氏体时效钢(C250)和超高强度不锈钢(S46500)，均达到美国宇航材料标准(如AMS 6512、AMS 5936)所规定的强度、塑性和韧性指标。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中所提及的″含量″均为质量百分数。

实施例1

1)选用废钢、生铁等原料，其中原料中C含量为0.9％，P含量为0.020％，S含量为0.019％，经过电弧炉冶炼进行脱磷(P)和脱碳(C)处理。脱P操作过程中，实测控制温度1550℃，测得C达到0.07％P达到0.0015％，进行扒渣，并造新渣后，进LF炉第一次脱硫处理。LF炉脱硫至0.0028％后，进行扒渣，造新渣，然后出钢，出钢前检测钢水中各元素的含量均在以下范围内：Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％；

其中扒渣是扒除冶炼过程产生的旧钢渣，造新渣是加入由氧化钙、氟化钙、二氧化硅等渣料进行造新渣。

2)将步骤1得到的钢水兑入AOD进行吹氧去碳处理，根据吹氧模型，AOD炉中自动吹氩氧混合气体，当C含量达到0.008％后，加铝预脱氧，扒渣，同时加入CaO和CaF₂进入下一阶段脱硫操作。

3)向步骤2处理后的钢水中分批次加入铝、氧化钙和氟化钙，并保持温度不低于1680℃，进行第二次脱硫处理，直至测得S含量达到0.0009％，即安排出钢，将第二次脱硫处理后的钢水在氩气保护环境下浇注到1.2吨的钢锭模中，得到工业纯铁钢锭，其中浇注温度1600℃；

4)将步骤3)获得的工业纯铁钢锭，加热至1150℃保温4小时，然后出炉进行轧制，获得140mm的工业纯铁的方棒，再利用工具将工业纯铁棒材切割成280mm长适于装炉尺寸的块料、使用滚筒清除工业纯铁块料表面的氧化皮和铁锈，最终获得超低碳工业纯铁。

5)在超低碳工业纯铁上取样进行化学分析，检测结果见表1。

实施例2

1)选用废钢、生铁等原料，其中原料中C含量为0.8％，P含量为0.019％，S含量为0.020％，经过电弧炉冶炼进行脱磷(P)和脱碳(C)处理。脱P操作过程中，实测控制温度1565℃，测得C达到0.08％P达到0.0018％，进行扒渣，并造新渣后，进LF炉第一次脱硫处理。LF炉脱硫至0.0029％后，进行扒渣，造新渣，然后出钢，出钢前检测钢水中各元素的含量均在以下范围内：Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％；

2)将步骤1得到的钢水，兑入AOD进行吹氧去碳处理，根据吹氧模型，AOD炉中自动吹氩氧混合气体，当C含量达到0.006％后，加铝预脱氧，扒渣，同时加入CaO和CaF₂进入下一阶段脱硫操作。

3)向步骤2处理后的钢水中分批次加入铝、氧化钙和氟化钙，并保持温度不低于1680℃，进行第二次脱硫处理，直至测得S含量达到0.0008％，即安排出钢，将第二次脱硫处理后的钢水在氩气保护环境下浇注到2.3吨的钢锭模中，得到工业纯铁钢锭，其中浇注温度1610℃；

4)将步骤3获得的工业纯铁钢锭，加热至1200℃保温4小时，然后出炉进行轧制，获得120mm的工业纯铁的方棒，再利用工具将工业纯铁棒材切割成250mm长适于装炉尺寸的块料、使用滚筒清除工业纯铁块料表面的氧化皮和铁锈，最终获得超低碳工业纯铁。

5)在超低碳工业纯铁上取样进行化学分析，检测结果见表1。

实施例3

1)选用废钢、生铁等原料，其中原料中C含量为0.85％，P含量为0.019％，S含量为0.020％，经过电弧炉冶炼进行脱磷(P)和脱碳(C)处理。脱P操作过程中，实测控制温度1565℃，测得C达到0.08％P达到0.0018％，进行扒渣，并造新渣后，进LF炉第一次脱硫处理。LF炉脱硫至0.0025％后，进行扒渣，造新渣，然后出钢，出钢前检测钢水中各元素的含量均在以下范围内：Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％；

2)将步骤1得到的钢水，兑入AOD进行吹氧去碳处理，根据吹氧模型，AOD炉中自动吹氩氧混合气体，当C含量达到0.007％后，加铝预脱氧，扒渣，同时加入CaO和CaF₂进入下一阶段脱硫操作。

3)向步骤2处理后的钢水中分批次加入铝、氧化钙和氟化钙，并保持温度不低于1680℃，进行第二次脱硫处理，直至测得S含量达到0.0009％，即安排出钢，将第二次脱硫处理后的钢水在氩气保护环境下浇注到2.3吨的钢锭模中，得到工业纯铁钢锭，其中浇注温度1610℃；

4)将步骤3)获得的工业纯铁钢锭，加热至1200℃保温4小时，然后出炉进行轧制，获得140mm的工业纯铁的方棒，再利用工具将工业纯铁棒材切割成140mm长适于装炉尺寸的块料、使用抛丸机清除工业纯铁块料表面的氧化皮和铁锈，最终获得超低碳工业纯铁。

5)在超低碳工业纯铁上取样进行化学分析，检测结果见表1。

表1本发明实施例中超低碳工业纯铁的化学成分(质量百分比)

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种超低碳工业纯铁，其特征在于，包括按质量百分数计的如下元素：C≤0.010％、S≤0.0015％、P≤0.0050％、Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％、N≤0.01％、H≤0.0003％；余量为Fe。

2.一种如权利要求1所述超低碳工业纯铁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、将步骤S1中得到的钢水转入AOD炉中进行吹氧去碳处理，至碳含量不超过0.01％后，加入Al进行预脱氧，进行扒渣，同时加入氧化钙和氟化钙；

3.如权利要求2所述超低碳工业纯铁的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述原料的碳含量为0.7～1.0％，磷含量不超过0.02％，硫含量不超过0.02％。

4.如权利要求2所述超低碳工业纯铁的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，电弧炉进行脱磷处理时，温度为1540～1570℃。

5.如权利要求2所述超低碳工业纯铁的制备方法，其特征在于，所述步骤S1得到的钢水中的各元素的质量百分数分别为：Si≤0.05％、Mn≤0.10％、Cu≤0.10％、Al≤0.05％、Ti≤0.05％、Sn≤0.01％、Sb≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.02％、Bi≤0.01％。

6.如权利要求2所述超低碳工业纯铁的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，浇注时的温度为1590～1610℃。