CN114032441A - 一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法 - Google Patents

一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法 Download PDF

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Abstract

一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，包括步骤：将冶炼所需的原料装入坩埚内；抽真空后开始加热，至原料熔清；降低真空度，向钢液加入铁矿石至[C]≤0.01wt%；停止真空，加入铝至[O]≤0.002wt%，开启真空泵，预脱气至[N]≤0.002wt%；加入金属铬，待熔清后升温，进行真空终脱气至[N]≤0.003wt%；停电结膜，充氩，进行Nb、Ti元素合金化，加入合金后，切换至搅拌电源，通电熔清；升温至钢液相线温度以上30～60℃，带电出钢。本方法采用铁矿石脱碳有效降低了有害元素C，高真空脱气不仅能挥发过量的酸溶铝，还能降低N、O、H，提高钢的洁净度，低的液相线浇铸能确保钢锭成分组织更加均匀。

Description

一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法
技术领域
本发明属于真空感应炉冶炼技术领域，具体涉及一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法。
背景技术
超低碳不锈钢除了具备较高的耐蚀性能之外，还具有良好的冷加工性能和焊接性能，广泛应用于能源环保、石油化工、食品等行业，其冶金工序一般由电炉+LF+VOD完成，该工艺流程较长，对设备和工艺技术水平要求比较高，对于Cr质量分数20%～30%的不锈钢冶炼难度较大，主要原因是合金化难、脱碳脱氮困难等问题。
已公开的技术中，申请号为201410471330.9的发明专利，公开了一种水轮机用大型超低碳不锈钢铸件新型冶炼方法，该工艺将三包钢水以不同方法处理后合浇，三包温度差异较大，后期温控难度较大，所以该法虽然新颖，但对生产调度、冶金工艺技术水平要求较高，可控性较差。申请号为200810205179.9的发明专利公开了一种真空精炼超低碳铁素体不锈钢的方法，该工艺将脱碳分成两个步骤，即低真空吹氧脱碳和高真空自由脱碳，然而即使高真空自由脱碳时真空度也较低（400～200Pa），没有充分利用真空下碳氧反应，过量的溶解氧消耗了大量的硅铁（10～14kg/t）。国外公开的技术中，有韩国的KR20030035078中无VOD脱氧工艺，日本的JP8260030中没有提及吹氧后如何处理铬渣的有效方法。
真空感应炉冶炼超低碳不锈钢具有很大的优势，一是真空炉的脱碳条件充分，真空下合理利用碳氧反应可有效降低炉料中的碳含量，避免了传统工艺氧脱碳时大量铬渣的产生，铬收得率高；二是感应加热能提供炉料熔化、合金化的必须热源，温度控制灵活；三是无渣操作可有效避免浇钢时卷渣，提高钢的洁净度；四是高真空创造了良好的脱气环境，使钢中氮含量明显低于VOD流程；五是在充氩氛围下其他元素合金化收得率高且稳定，带电出钢使钢锭偏析小、成分组织更加均匀。
目前已公开的技术中，尚没有真空感应炉冶炼超低碳不锈钢方面的详细介绍。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，包括以下步骤：
（1）装炉：将冶炼所需的原料装入真空感应炉的坩埚内；
（2）真空加热：抽真空后开始加热，至坩埚内原料熔清；
（3）氧脱碳：降低真空度，向钢液加入铁矿石脱碳，至[C]≤0.01wt%；
（4）铝脱氧：停止真空，加入铝脱氧至[O]≤0.002wt%，再开启真空泵，预脱气至[N]≤0.002wt%；
（5）铬合金化及真空脱气：加入金属铬，待熔清后升温，进行真空终脱气，直至[N]≤0.003wt%；
（6）其余元素合金化：停电结膜，充氩，进行Nb、Ti元素合金化，加入合金后，切换至搅拌电源，通电熔清；
（7）出钢：升温至钢液相线温度以上30～60℃，带电出钢；
所述超低碳不锈钢的化学成分及质量百分含量为：C ≤0.01%，N ≤0.003%，P≤0.01%，S≤0.01%，Cr 10～30%，Mo 0.5～2.5%，Ni 0.5～1.5%，Ti 0.05～0.15%，Nb 0.15～0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步的，所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，包括以下步骤：
（1）装炉：将冶炼所需的镍、一部分纯铁装入坩埚底部，钼铁装入坩埚中部，坩埚上部装入剩余纯铁；
（2）真空加热：抽真空至≤10Pa后开始加热，至坩埚内原料熔清；
（3）氧脱碳：降低真空度至1～5Pa，向钢液分批加入铁矿石脱碳，至[C]≤0.01wt%；
（4）铝脱氧：停止真空，加入铝脱氧至[O]≤0.002wt%，再开启真空泵，真空度保持0.1Pa以下预脱气至[N]≤0.002wt%；
（5）铬合金化及真空脱气：加入金属铬，待熔清后升温至1600℃～1650℃，真空度继续保持0.1Pa以下，进行真空终脱气，直至[N%]≤0.003；
（6）其余元素合金化：停电结膜，充氩至5000～20000Pa，进行Nb、Ti元素合金化，加入铌铁、金属钛后，切换至搅拌电源，通电熔清；
（7）出钢：升温至钢液相线温度以上30～60℃，带电出钢。
所述步骤（1），将纯铁总加入量的10～30wt%装入坩埚底部，剩余70～90wt%纯铁装入坩埚上部。
所述步骤（3），铁矿石每批次的加入量按氧含量[O]=0.01～0.015wt%确定，即加入铁矿石后钢水中的含氧量为0.01～0.015wt%，确保炉内不发生喷溅。
所述步骤（5），分批加入金属铬，每批次加入量以能覆盖钢液面积的1/2～2/3为准，熔清后再加入下一批料。
本发明冶炼前，将纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）在较低真空下，充分利用碳氧反应进行氧脱碳，产生的CO气泡自钢内部溢出。为防止钢液过度沸腾，铁矿石加入量应合理设计，遵循勤加少加原则，既能保证脱碳效果，又能使碳氧反应处于可控范围之内。
（2）加铝脱氧后，充分利用铝蒸气压高这一特点，在铬合金化前将过量酸溶铝进行抽真空挥发，使钢液中基本无酸溶铝存在。
（3）铬合金化前的真空预脱气，使钢中[N]≤0.002%，这将有利于铬合金化，因为钢液中的[N]在金属铬加入后会立刻形成Cr2N，如果钢液中原有[N]较高，会形成更多的Cr2N，对后续的脱氮过程即为不利。
（4）金属铬中一般氮含量为0.03～0.04%，加入钢液后基本全部形成Cr2N，在1600～1650℃，真空度≤0.1Pa时，Cr2N可完全分解，所以在铬合金化后高温高真空脱氮，效果极为显著。
（5）在脱氮后进行Nb、Ti元素合金化，可避免NbN、TiN的形成，如果在脱氮前加入，会增加脱氮的困难，因为NbN、TiN的分解温度远远高于Cr2N的分解温度。
（6）低过热度带电快速出钢既能减少钢锭偏析、保证成分组织均匀，又能驱动钢渣（少量合金的脱氧产物）向液面边缘移动，在浇铸时滞留在坩埚内壁，不污染钢锭。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用额定容量50kg真空感应炉，其额定功率140kw，极限真空度6.67×10-2Pa，超低碳不锈钢的化学成分及目标含量见表1。冶炼步骤如下：
（1）冶炼前，将工业纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍板、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
（2）坩埚底部布置5kg小块工业纯铁和0.5kg镍板，中部放置钼含量为60%的钼铁1.25kg，上部放置28kg工业纯铁；将0.05kg铁矿石、16kg金属铬、0.02kg铝粒、0.125kg铌铁、0.025kg金属钛放入分料仓。
（3）抽真空至10Pa给电，1.5h后坩埚内原料全部熔清。
（4）调整真空度至5Pa、功率25kw，按照每批次铁矿石加入后钢液中[O]含量为0.01～0.015wt%确定分5次加入铁矿石，进行增氧脱碳。
（5）待[C]≤0.01%时，停真空泵，分批次加入铝脱氧至[O]≤0.002%，再开启真空泵，调整真空度至0.1Pa以下，脱氮至0.002%。
（6）按照金属铬加入量覆盖钢液面积的1/2～2/3，分8批次加入金属铬，熔清后再加入下一批料，待全部熔清后升温至1600℃，保持真空度在0.1Pa以下，至[N]含量0.003%。
（7）停电结膜，停真空泵，充氩至20000Pa后加入铌铁、金属钛，大功率搅拌熔化，取样，进行成分微调。
（8）升温至1510～1530℃快速出钢。
冶炼完毕对钢锭成分进行检测，检测结果见表1。
表1：实施例1超低碳不锈钢化学成分及含量（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例2
本实施例采用额定容量500kg真空感应炉，其额定功率400kw，极限真空度6.67×10-2Pa，超低碳不锈钢的化学成分及目标含量见表2。冶炼步骤如下：
（1）冶炼前，将工业纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍板、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
（2）坩埚底部布置50kg小块工业纯铁和2.5kg镍板，中部放置钼含量为60%的钼铁8.33kg，上部放置342.17kg工业纯铁；将0.5kg铁矿石、98kg金属铬、0.2kg铝粒、2.08kg铌铁、0.5kg金属钛放入分料仓。
（3）抽真空至8Pa给电，2.5h后坩埚内原料全部熔清。
（4）调整真空度至3Pa、功率200kw，按照每批次铁矿石加入后钢液中[O]含量为0.01～0.015wt%确定分2次加入铁矿石，进行增氧脱碳。
（5）待[C]≤0.008%时，停真空泵，分批次加入铝脱氧至[O]≤0.002%，再开启真空泵，调整真空度至0.067Pa，脱氮至0.002%。
（6）按照金属铬加入量覆盖钢液面积的1/2～2/3，分批次加入金属铬，熔清后再加入下一批料，待全部熔清后升温至1630℃，保持真空度0.067Pa，至[N]含量0.003%。
（7）停电结膜，停真空泵，充氩至10000Pa后加入铌铁、金属钛，大功率搅拌熔化，取样，进行成分微调。
（8）升温至1530～1550℃快速出钢。
冶炼完毕对钢锭成分进行检测，检测结果见表2。
表2：实施例2超低碳不锈钢化学成分及含量（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实施例3
本实施例采用额定容量1t真空感应炉，其额定功率750kw，极限真空度0.1Pa，超低碳不锈钢的化学成分及目标含量见表3。冶炼步骤如下：
（1）冶炼前，将工业纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍板、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
（2）坩埚底部布置200kg小块工业纯铁和8kg镍板，中部放置钼含量为60%的钼铁8.34kg，上部放置675.26kg工业纯铁；将1.5kg铁矿石、105kg金属铬、0.6kg铝粒、6.67kg铌铁、1.5kg金属钛放入分料仓。
（3）抽真空至5Pa给电，3h后坩埚内原料全部熔清。
（4）调整真空度至1Pa、功率400kw，按照每批次铁矿石加入后钢液中[O]含量为0.01～0.015wt%确定分3次加入铁矿石，进行增氧脱碳。
（5）待[C]≤0.01%时，停真空泵，分批次加入铝脱氧至[O]≤0.002%，再开启真空泵，调整真空度至0.1Pa以下，脱氮至0.002%。
（6）按照金属铬加入量覆盖钢液面积的1/2～2/3，分批次加入金属铬，熔清后再加入下一批料，待全部熔清后升温至1650℃，保持真空度在0.1Pa以下，至[N]含量0.003%。
（7）停电结膜，停真空泵，充氩至8000Pa后加入铌铁、金属钛，大功率搅拌熔化，取样，进行成分微调。
（8）升温至1550～1570℃快速出钢。
冶炼完毕对钢锭成分进行检测，检测结果见表3。
表3：实施例3超低碳不锈钢化学成分及含量（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
实施例4
本实施例采用额定容量5t真空感应炉，其额定功率1800kw，极限真空度0.1Pa，超低碳不锈钢的化学成分及目标含量见表4。冶炼步骤如下：
（1）冶炼前，将工业纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍板、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
（2）坩埚底部布置1000kg小块工业纯铁和75kg镍板，中部放置钼含量为60%的钼铁208.3kg，上部放置2565kg工业纯铁；将10kg铁矿石、1200kg金属铬、5kg铝粒、20.8kg铌铁、4.4kg金属钛放入分料仓。
（3）抽真空至10Pa给电，5h后坩埚内原料全部熔清。
（4）调整真空度至3Pa、功率850kw，按照每批次铁矿石加入后钢液中[O]含量为0.01～0.015wt%确定分6次加入铁矿石，进行增氧脱碳。
（5）待[C]≤0.01%时，停真空泵，分批次加入铝脱氧至[O]≤0.002%，再开启真空泵，调整真空度至0.1Pa以下，至少保持80min，脱氮至0.002%。
（6）按照金属铬加入量覆盖钢液面积的1/2～2/3，分批次加入金属铬，熔清后再加入下一批料，待全部熔清后升温至1640℃，保持真空度在0.1Pa以下，120min后检测[N]含量为0.003%。
（7）停电结膜，停真空泵，充氩至5000Pa后加入铌铁、金属钛，大功率搅拌熔化，取样，进行成分微调。
（8）升温至1530～1550℃快速出钢。
冶炼完毕对钢锭成分进行检测，检测结果见表4。
表4：实施例4超低碳不锈钢化学成分及含量（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE008
实施例5
本实施例采用额定容量20t真空感应炉，其额定功率16000kw，极限真空度0.1Pa，超低碳不锈钢的化学成分及目标含量见表5。冶炼步骤如下：
（1）冶炼前，将工业纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍板、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
（2）坩埚底部布置4.9t小块工业纯铁和220kg镍板，中部放置钼含量为60%的钼铁666.7kg，上部放置11.5t工业纯铁；将50kg铁矿石、3t金属铬、20kg铝粒、106.7 kg铌铁、26.5 kg金属钛放入分料仓。
（3）抽真空至7Pa给电，5.5h后坩埚内原料全部熔清。
（4）调整真空度至4Pa、功率900kw，按照每批次铁矿石加入后钢液中[O]含量为0.01～0.015wt%确定分5次加入铁矿石，进行增氧脱碳。
（5）待[C]≤0.01%时，停真空泵，分批次加入铝脱氧至[O]≤0.002%，再开启真空泵，调整真空度至0.1Pa以下，脱氮至0.002%。
（6）按照金属铬加入量覆盖钢液面积的1/2～2/3，分批次加入金属铬，熔清后再加入下一批料，待全部熔清后升温至1620℃，保持真空度在0.1Pa以下，至[N]含量为0.003%。
（7）停电结膜，停真空泵，充氩至12000Pa后加入铌铁、金属钛，大功率搅拌熔化，取样，进行成分微调。
（8）升温至1530～1550℃快速出钢。
冶炼完毕对钢锭成分进行检测，检测结果见表5。
表5：实施例5超低碳不锈钢化学成分及含量（wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。

Claims (6)

1.一种真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）装炉：将冶炼所需的原料装入真空感应炉的坩埚内；
（2）真空加热：抽真空后开始加热，至坩埚内原料熔清；
（3）氧脱碳：降低真空度，向钢液加入铁矿石脱碳，至[C]≤0.01wt%；
（4）铝脱氧：停止真空，加入铝脱氧至[O]≤0.002wt%，再开启真空泵，预脱气至[N]≤0.002wt%；
（5）铬合金化及真空脱气：加入金属铬，待熔清后升温，进行真空终脱气，直至[N]≤0.003wt%；
（6）其余元素合金化：停电结膜，充氩，进行Nb、Ti元素合金化，加入合金后，切换至搅拌电源，通电熔清；
（7）出钢：升温至钢液相线温度以上30～60℃，带电出钢；
所述超低碳不锈钢的化学成分及质量百分含量为：C ≤0.01%，N ≤0.003%，P≤0.01%，S≤0.01%，Cr 10～30%，Mo 0.5～2.5%，Ni 0.5～1.5%，Ti 0.05～0.15%，Nb 0.15～0.4%，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）装炉：将冶炼所需的镍、一部分纯铁装入坩埚底部，钼铁装入坩埚中部，坩埚上部装入剩余纯铁；
（2）真空加热：抽真空至≤10Pa后开始加热，至坩埚内原料熔清；
（3）氧脱碳：降低真空度至1～5Pa，向钢液分批加入铁矿石脱碳，至[C]≤0.01wt%；
（4）铝脱氧：停止真空，加入铝脱氧至[O]≤0.002wt%，再开启真空泵，真空度保持0.1Pa以下预脱气至[N]≤0.002wt%；
（5）铬合金化及真空脱气：加入金属铬，待熔清后升温至1600℃～1650℃，真空度继续保持0.1Pa以下，进行真空终脱气，直至[N%]≤0.003；
（6）其余元素合金化：停电结膜，充氩至5000～20000Pa，进行Nb、Ti元素合金化，加入铌铁、金属钛后，切换至搅拌电源，通电熔清；
（7）出钢：升温至钢液相线温度以上30～60℃，带电出钢。
3.根据权利要求2所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：所述步骤（1），将纯铁总加入量的10～30wt%装入坩埚底部，剩余70～90wt%纯铁装入坩埚上部。
4.根据权利要求3所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：所述步骤（3），铁矿石每批次的加入量按氧含量[O]=0.01～0.015wt%确定，即加入铁矿石后钢水中的含氧量为0.01～0.015wt%，确保炉内不发生喷溅。
5.根据权利要求4所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：所述步骤（5），分批加入金属铬，每批次加入量以能覆盖钢液面积的1/2～2/3为准，熔清后再加入下一批料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的真空感应炉冶炼超低碳不锈钢的方法，其特征在于：冶炼前，将纯铁、金属铬、钼铁、铁矿石、镍、铌铁、金属钛在120～180℃中烘烤干燥4～6h。
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