CN114058962A - 高碳工业超纯铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属冶炼技术领域，具体公开了一种适合制作高温轴承钢的高碳工业超纯铁，以及上述高碳工业超纯铁的制备方法。该高碳工业超纯铁的含碳量较高，硫、磷等不良元素含量较低，适合制作高温轴承钢。其制备方法，通过KR铁水预脱硫步骤可将铁水中S含量降低至一定水平，通过转炉双渣法脱磷步骤可有效降低铁水中P含量，LF双渣深脱硫步骤通过加入适量高纯的碳粉并控制铁水碱度，可控制住铁水和渣的氧化性量，有利于LF深脱S，通过加入混合稀土进行深脱硫，可对铁水有效脱S，最终制得C含量为0.50～0.90wt％的高碳工业超纯铁，并将其硫含量控制在0.0008wt％及以下，钛含量控制在0.0009wt％及以下，稀土元素含量控制在0.0001～0.005wt％。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种高碳工业超纯铁及其制备方法。
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铁的纯度要求也越来越高。
以往一般用转炉或“转炉+炉外精炼”的方式制造原料纯铁和工业纯铁，但所生产的纯铁中杂质元素含量高，实物质量纯度较低，特别是硫、磷等含量较高，碳含量较低，只能用于制造普通的零部件，不适合制造高端产品，例如不适合用作生产碳含量0.80％左右的高温轴承钢M50(8Cr4Mo4V)的原材料，更不能用于尖端技术和高质量零部件。
目前，采用电解方法制造的高纯度工业纯铁，纯度可以达到99.9％，但其生产成本非常高。而且生产的纯铁，只有超低碳＜0.001wt％和低碳≤0.3wt％两类，无法生产碳含量在0.50～0.90wt％的高碳工业纯铁。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适合制作高温轴承钢的高碳工业超纯铁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高碳工业超纯铁，其成分组成如下：C：0.50～0.90wt％，Si≤0.1wt％，Mn≤0.1wt％，S≤0.0008wt％，P≤0.0020wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.0009wt％，RE：0.0001～0.005wt％，RE为稀土元素，其它杂质含量＜0.001wt％，余量为Fe。
进一步的是，RE至少为Ce、La、Nd和Pr中的一种。
本发明还提供一种能够生产碳含量在0.50～0.90wt％的高碳工业纯铁且生产成本较低的制备方法，该制备方法用于制备上述的高碳工业超纯铁。
进一步的是，高碳工业超纯铁的制备方法，包括依次进行的KR铁水预脱硫、转炉双渣法脱磷、LF双渣深脱硫和坯料连铸步骤；
KR铁水预脱硫步骤：对S＜0.025wt％、P＜0.012wt％、Ti＜0.001wt％的铁水原料进行预脱硫，控制脱硫终点铁水中S＜0.002wt％；
转炉双渣法脱磷步骤：对铁水进行过吹氧处理，铁水脱磷后转炉重新造渣，控制脱磷终点铁水中P＜0.0025wt％；
LF双渣深脱硫步骤：预脱硫阶段，加入碳粉使铁水中C含量为0.50～0.90wt％，同时控制碱度为5.0～7.0，并对铁水进行脱氧，保证钢渣中(FeO+MnO)≤1.0wt％；预脱硫后期加入白灰，控制铁水中S≤0.001wt％，并扒除脱硫渣；深脱硫阶段，重新造渣，碱度控制在3.0～5.0，并加入0.3～0.7Kg/t混合稀土进行深脱硫、深脱氧及铁水中夹杂物变性；控制脱硫终点铁水中S＜0.0008wt％，并控制铁水中C含量为0.50～0.90wt％；
坯料连铸步骤：将铁水采用全保护浇注的方式连铸为坯料。
进一步的是，KR铁水预脱硫步骤，选用的铁水原料中S＜0.01wt％，Ti≤0.0004％wt％。
进一步的是，KR铁水预脱硫步骤中，采用机械搅拌和造渣方式脱硫，铁水预脱硫处理后，扒除脱硫渣。
进一步的是，转炉双渣法脱磷步骤中，出钢过程采用挡渣出钢，出钢脱氧采用加入碳块脱氧。
进一步的是，LF双渣深脱硫步骤中，加入的碳粉中杂质含量＜1wt％，硫含量＜0.01wt％。
进一步的是，混合稀土的成分组成如下：30wt％的La，48wt％的Ce，18wt％的Nd，3wt％的Pr，余量为其它伴生稀土元素。
进一步的是，LF双渣深脱硫步骤中，加入混合稀土后采用氩气进行弱吹脱氧，并控制氩流量为15～25Nm3/h、吹氩时间为30～40min。
本发明的有益效果是：所提供的高碳工业超纯铁的含碳量较高，硫、磷等不良元素含量较低，添加了微量稀土元素，且含稀土夹杂物尺寸小、数量少，适合制作高温轴承钢。所提供的制备方法，通过KR铁水预脱硫步骤可将铁水中S含量降低至一定水平，通过转炉双渣法脱磷步骤可有效降低铁水中P含量，LF双渣深脱硫步骤通过加入碳粉使铁水中C含量为0.50～0.90wt％，并控制碱度，可控制住铁水和渣的氧化性量，有利于LF深脱S，通过加入混合稀土进行深脱硫，可有效脱S并进一步脱O和变性铁水中夹杂物，最终制得C含量为0.50～0.90wt％的高碳工业超纯铁，并将其硫含量控制在0.0008wt％及以下，钛含量控制在0.0009wt％及以下，稀土元素含量控制在0.0001～0.005wt％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
高碳工业超纯铁，成分组成如下：C：0.50～0.90wt％，Si≤0.1wt％，Mn≤0.1wt％，S≤0.0008wt％，P≤0.0020wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.0009wt％，RE：0.0001～0.005wt％，RE为稀土元素，其它杂质含量＜0.001wt％，余量为Fe。
该高碳工业超纯铁的含碳量较高，硫、磷等不良元素含量较低，添加了微量稀土元素，且含稀土夹杂物尺寸小、数量少，具有较高的强度和硬度、较高的弹性极限和疲劳极限，适合制作高温轴承钢，特别适合用作生产碳含量0.80％左右的高温轴承钢M50(8Cr4Mo4V)的原材料。
优选的，RE至少为Ce、La、Nd和Pr中的一种。
本发明还提供了一种高碳工业超纯铁的制备方法，用于制备上述的高碳工业超纯铁。
具体的，高碳工业超纯铁的制备方法，包括依次进行的KR铁水预脱硫、转炉双渣法脱磷、LF双渣深脱硫和坯料连铸步骤；
KR铁水预脱硫步骤：对S＜0.025wt％、P＜0.012wt％、Ti＜0.001wt％的铁水原料进行预脱硫，控制脱硫终点铁水中S＜0.002wt％；
转炉双渣法脱磷步骤：对铁水进行过吹氧处理，铁水脱磷后转炉重新造渣，控制脱磷终点铁水中P＜0.0025wt％；该步骤通常要求铁水扒除脱硫渣后方可进入转炉；转炉为常规冶炼工艺可以有效去除铁水中的Mn、Si和Ti，使之符合此高碳工业超纯铁的成分含量标准的要求，具体处理工序本发明中不再累述；
LF双渣深脱硫步骤：预脱硫阶段，加入碳粉使铁水中C含量为0.50～0.90wt％，同时控制碱度为5.0～7.0，并对铁水进行脱氧，保证钢渣中(FeO+MnO)≤1.0wt％；预脱硫后期加入白灰，控制铁水中S≤0.001wt％，并扒除脱硫渣；深脱硫阶段，重新造渣，碱度控制在3.0～5.0，并加入0.3～0.7Kg/t混合稀土进行深脱硫、深脱氧及铁水中夹杂物变性；控制脱硫终点铁水中S＜0.0008wt％，并控制铁水中C含量为0.50～0.90wt％；
坯料连铸步骤：将铁水采用全保护浇注的方式连铸为坯料；该步骤连铸的坯料通常为方坯或圆坯。
优选的，KR铁水预脱硫步骤，选用的铁水原料中S＜0.01wt％，Ti≤0.0004％wt％。
KR铁水预脱硫步骤中，通常采用机械搅拌和造渣方式脱硫，以确保良好的脱硫热力学和动力学条件，提高脱硫效果；铁水预脱硫处理后，扒除脱硫渣。
转炉冶炼采用双渣法脱磷，有利脱P的动力学和热力学条件，确保过吹氧处理过程中，通过对铁水在高氧化性、高碱度、大渣量的工况下进行低温冶炼，并底吹氮气搅拌，尽量氧化铁水中的P、Si、Mn、Ti等残余元素，使之脱除。
优选的，转炉双渣法脱磷步骤中，出钢过程采用挡渣出钢，以减少下渣量，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Al、Si、Mn的含量。
为了确保铁水纯度，LF双渣深脱硫步骤中，加入的碳粉中杂质含量＜1wt％，硫含量＜0.01wt％。
LF双渣深脱硫步骤中，需要强化对炉渣和铁水的脱氧，通常利用含铝顶渣改质剂和硅钙线分别对对钢渣和铁水进行复合脱氧处理，以有效确保钢渣中(FeO+MnO)≤1.0wt％；加入白灰的目的是为了稳定控制S含量；白灰是生石灰和熟石灰的统称，其主要成分为CaO和MgO；加入白灰时，应小批量、多批次加入；优选采用硫含量≤0.03wt％、CaO含量≥90wt％的高效活性(一级)冶金石灰来造渣。
LF双渣深脱硫步骤的深脱硫阶段应使炉渣保持良好的流动性，通常可根据炉渣流动性情况补加化渣剂以提高其流动性。加入的混合稀土可以为多种，优选的混合稀土的成分组成如下：30wt％的La，48wt％的Ce，18wt％的Nd，3wt％的Pr，余量为其它伴生稀土元素。
为了确保精炼渣能够有效吸附钢中大颗粒稀土脱氧脱硫夹杂物，LF双渣深脱硫步骤中，加入混合稀土后采用氩气进行弱吹脱氧，并控制氩流量为15～25Nm3/h、吹氩时间为30～40min。
实施例1～5
采用本发明提供的高碳工业超纯铁的制备方法制得如下高碳工业超纯铁坯料；其中，实施例1～3制得边长为200mm的方坯，实施例4和5制得直径为Ф240mm的圆坯，各实施例制得坯料的成分见下表1。
表1:实施例1～5制备的高碳工业超纯铁坯料的成分含量表(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | S | P | Al | Ti | RE |
| 1 | 0.80 | 0.05 | 0.08 | 0.0006 | 0.0017 | 0.003 | 0.0004 | 0.001 |
| 2 | 0.79 | 0.06 | 0.08 | 0.0008 | 0.0016 | 0.004 | 0.0005 | 0.003 |
| 3 | 0.78 | 0.07 | 0.08 | 0.0008 | 0.0017 | 0.003 | 0.0004 | 0.002 |
| 4 | 0.81 | 0.06 | 0.09 | 0.0007 | 0.0015 | 0.002 | 0.0005 | 0.002 |
| 5 | 0.79 | 0.08 | 0.07 | 0.0007 | 0.0016 | 0.002 | 0.0006 | 0.001 |
；
由表1可见，实施例1～5制备的高碳工业超纯铁坯料中各元素含量均符合本发明提供的高碳工业超纯铁的要求，特别是S含量控制在了0.0008wt％以下，Ti含量控制在了0.0009wt％以下，稀土元素含量控制在0.0001～0.005wt％。
采用本发明方法制得的低S、低Ti、低稀土变质夹杂物的高碳工业超纯铁可应用于生产更加优质的超纯净高温轴承钢M50(8Cr4Mo4V)。
Claims (10)
1.高碳工业超纯铁，其特征在于，成分组成如下：C：0.50～0.90wt％，Si≤0.1wt％，Mn≤0.1wt％，S≤0.0008wt％，P≤0.0020wt％，Al≤0.005wt％，Ti≤0.0009wt％，RE：0.0001～0.005wt％，RE为稀土元素，其它杂质含量＜0.001wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的高碳工业超纯铁，其特征在于：RE至少为Ce、La、Nd和Pr中的一种。
3.高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1或2所述的高碳工业超纯铁。
4.根据权利要求3所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：包括依次进行的KR铁水预脱硫、转炉双渣法脱磷、LF双渣深脱硫和坯料连铸步骤；
KR铁水预脱硫步骤：对S＜0.025wt％、P＜0.012wt％、Ti＜0.001wt％的铁水原料进行预脱硫，控制脱硫终点铁水中S＜0.002wt％；
转炉双渣法脱磷步骤：对铁水进行过吹氧处理，铁水脱磷后转炉重新造渣，控制脱磷终点铁水中P＜0.0025wt％；
LF双渣深脱硫步骤：预脱硫阶段，加入碳粉使铁水中C含量为0.50～0.90wt％，同时控制碱度为5.0～7.0，并对铁水进行脱氧，保证钢渣中(FeO+MnO)≤1.0wt％；预脱硫后期加入白灰，控制铁水中S≤0.001wt％，并扒除脱硫渣；深脱硫阶段，重新造渣，碱度控制在3.0～5.0，并加入0.3～0.7Kg/t混合稀土进行深脱硫、深脱氧及铁水中夹杂物变性；控制脱硫终点铁水中S＜0.0008wt％，并控制铁水中C含量为0.50～0.90wt％；
坯料连铸步骤：将铁水采用全保护浇注的方式连铸为坯料。
5.根据权利要求4所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：KR铁水预脱硫步骤，选用的铁水原料中S＜0.01wt％，Ti≤0.0004％wt％。
6.根据权利要求4所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：KR铁水预脱硫步骤中，采用机械搅拌和造渣方式脱硫，铁水预脱硫处理后，扒除脱硫渣。
7.根据权利要求4所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：转炉双渣法脱磷步骤中，出钢过程采用挡渣出钢，出钢脱氧采用加入碳块脱氧。
8.根据权利要求4所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：LF双渣深脱硫步骤中，加入的碳粉中杂质含量＜1wt％，硫含量＜0.01wt％。
9.根据权利要求4所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于，混合稀土的成分组成如下：30wt％的La，48wt％的Ce，18wt％的Nd，3wt％的Pr，余量为其它伴生稀土元素。
10.根据权利要求4至9中任意一项所述的高碳工业超纯铁的制备方法，其特征在于：LF双渣深脱硫步骤中，加入混合稀土后采用氩气进行弱吹脱氧，并控制氩流量为15～25Nm3/h、吹氩时间为30～40min。
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