CN114107600B

CN114107600B - 一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法

Info

Publication number: CN114107600B
Application number: CN202111290724.0A
Authority: CN
Inventors: 成国光; 张涛; 鲁金龙; 孟晓玲; 张国磊; 王启明; 李尧
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-11-02
Also published as: CN114107600A

Abstract

本发明涉及一种27SiMn钢的形核剂及生成方法，所述形核剂为以(Mg、Mn)O‑Al₂O₃氧化物为基底，外围包裹MnS的复合夹杂物，所述基底中(Mg、Mn)O质量分数为30％‑40％，所述基底中Al₂O₃质量分数为60％‑70％，基底的大小为0.5～2μm，形核剂的尺寸为3～5μm，数量≥200个/mm²。该形核剂在钢液凝固过程中自发形成并作为非均质形核核心，得到均匀细化的凝固组织，起到减弱钢锭的偏析程度、提高材料的组织均匀性的作用。

Description

一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法

技术领域

本发明涉及钢冶炼领域，具体涉及一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法。

背景技术

27SiMn钢具有良好的机械性能，较高的强韧性和耐磨性，广泛应用于煤矿、重型机械等领域，对钢材的质量提出了很高的要求。27SiMn钢中C元素和Mn元素为易偏析元素，而且Mn含量较高，因此钢锭的碳偏析和锰偏析较为严重。该钢种包括1.2％左右的Si元素时会加重铸锭的偏析。所以在实际生产中，27SiMn钢锭的偏析缺陷较难控制，经常出现由于偏析带来的相组织不均匀而形成的晶界裂纹，探伤不合格的现象也时有发生。

为了提高材料的组织均匀性，改进钢锭的偏析缺陷，现有技术通过机械搅拌或者在锭模外施加外场控制钢液的流场，抑制钢锭中偏析缺陷的形成，但是这种方法的设备复杂，成本较高，控制难度大。

还有些提出在钢锭浇注过程中，加入钢球，增加钢锭内部形核核心、加快钢锭的冷却。但是在实际生产中钢球的加入方法、加入时机、加入数量等很难控制。还有些通过在浇注过程中加入与浇注钢种同成分的金属粉末，减小钢水过热度，提高钢水冷却速率。但是这种工艺不仅金属粉末的加工成本较高，而且加入钢水中的粉末很难均匀。

还有的利用真空碳脱氧工艺和浇注控制技术，减小金属液中的夹杂物，消除钢锭中偏析问题。但真空碳脱氧效率较低，冶炼时间长，温度损失大。而且依靠提高钢液纯净度来改善型偏析也难以得到显著效果。

对于27SiMn钢，采用以上方法改善钢锭的偏析缺陷，优化材料的组织均匀性，均难以达到满意效果。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点，本发明旨在提供一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。

一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，所述方法包括如下步骤：

S1.电炉熔炼：

以铁水和废钢作为主要原料，在出钢过程中首先加入铝粒脱氧，加铝量为0.3～0.5kg/吨钢，然后进行合金化，出钢前检测钢液成分，钢水中ω(S)的含量小于0.01％；

S2.LF精炼：

在LF炉中加入精炼渣、石灰和/或萤石造渣，精炼时间为50～60min，在40min后保证炉渣成分中ω(CaO)：50％～55％、ω(SiO2)：10％～20％、ω(Al2O3)：15％～25％、ω(MgO)：3％～8％、ω(CaF2)：1％～5％；其余为不可避免的杂质，ω为质量分数，进而使钢液中Ca元素的质量分数小于0.001％，Mg元素的质量分数范围为1～5ppm；

S3.RH真空脱气：

RH真空处理10-20min补充铝粒，RH真空处理20-30min加入FeS，在RH结束时检测钢液成分，实现钢液中Al、S元素的控制；

S4.模铸：

采用全封闭保护浇注，形核剂在钢液凝固过程中自发形成，最终得到组织均匀的钢锭。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中的所述形核剂为包括基底和MnS的复合夹杂物，其中，所述基底为(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物，在所述基底外围包裹所述MnS，所述基底中(Mg、Mn)O质量分数为30％-40％，所述基底中Al₂O₃质量分数为60％-70％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基底的尺寸为0.5～2μm，复合夹杂物的尺寸为3～5μm，数量≥200个/mm²。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1中的合金化时加入的物料包括硅铁、硅锰和/或金属锰。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述冶炼方法中，三次控制铝元素的含量，包括：(1)电炉熔炼中Al元素的质量分数控制在0.010％～0.015％范围内；(2)LF精炼过程控制炉渣成分，精炼结束时Al元素的质量分数控制在0.005％～0.008％范围内；(3)RH真空处理中补加Al，使Al元素的质量分数控制在0.008％～0.012％范围内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S3中RH真空精炼时间为30～40min。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述冶炼方法中，三次控制S元素的含量，包括：(1)电炉出钢钢水到达LF工位S元素的质量分数小于0.01％；(2)LF结束时S元素的质量分数≤0.005％；(3)RH真空处理中加入FeS，使S元素的质量分数控制在0.008％～0.015％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4后所述钢液的成分为：ω[C]：0.24％～0.32％、ω[Si]：1.10％～1.40％、ω[Mn]：1.10％～1.40％、ω[Al]：0.008％～0.012％、ω[O]：0.001％～0.002％、ω[S]：0.008％～0.015％、ω[Ca]<0.001％、ω[Mg]：1～5ppm，其余为杂质元素；ω为质量分数。

本发明的有益技术效果

本发明提供的实施例，提供了一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，在钢液中获得了形核剂，所述形核剂为以(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物为基底，外围包裹MnS的复合夹杂物。氧化物基底中Al₂O₃质量分数为65％左右，氧化物基底的大小为0.5～2μm，形核剂的尺寸为3～5μm，数量≥200个/mm²。该形核剂在钢液凝固过程中自发形成并作为非均质形核核心，得到均匀细化的凝固组织，起到减弱钢锭的偏析程度、提高27SiMn钢材的组织均匀性的作用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明的实施例中的方法流程图；

图2A是本发明例中((Mg、Mn)O-Al₂O₃)核心-MnS类复合夹杂物形貌图，图2B是该(Mg、Mn)O-Al₂O₃类氧化物核心的能谱图；

图3是发明例制备钢锭中放大50倍的典型金相组织形貌图；

图4为对比例1制备钢锭中黑斑缺陷放大50倍的金相组织形貌图；

图5A是对比例2制备钢锭中(CaO-Al₂O₃)核心-CaS复合夹杂物形貌图，图5B是该(CaO-Al₂O₃)核心-CaS夹杂物的面扫描能谱图；

图6为对比例2制备钢锭中裂纹缺陷放大50倍的金相组织形貌图；

图7A是对比例3制备钢锭中大尺寸MnS夹杂物形貌图，图7B是该MnS夹杂物的能谱图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图7所示，

本发明的含有形核剂的27SiMn钢的具体冶炼方法为：

初炼炉：电炉出钢前保证钢中ω(Al)的含量范围为0.010％～0.015％，ω(S)的含量小于0.01％。

LF炉精炼：在LF炉中加入精炼渣、石灰、萤石等造渣，精炼时间为50～60min，在40min后保证炉渣成分中ω(CaO)：50％～55％、ω(SiO₂)：10％～20％、ω(Al₂O₃)：15％～25％、ω(MgO)：3％～8％、ω(CaF₂)：1％～5％；其余为不可避免的杂质，ω为质量分数，进而使钢液中Ca元素的质量分数小于0.001％，Mg元素的质量分数范围为1～5ppm。

RH真空冶炼：RH真空处理10-20min补充铝粒，RH真空处理20-30min加入FeS，实现钢液中Al、S元素的控制，优选地，RH真空处理15min后补充铝粒，RH真空处理25min后加入FeS。

模铸：采用全封闭保护浇注，形核剂在钢液凝固过程中自发形成，最终得到组织均匀的钢锭。

本发明的所述S4中的钢液凝固过程中自发形成的形核剂为包括基底和MnS的复合夹杂物，其中，所述基底为(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物，在所述基底外围包裹所述MnS，所述基底中(Mg、Mn)O质量分数约为30％-40％，所述基底中Al₂O₃质量分数约为60％-70％，优选地，所述基底中(Mg、Mn)O质量分数约为35％，所述基底中Al₂O₃质量分数约为65％；所述氧化物基底的尺寸为0.5～2μm，复合夹杂物的尺寸为3～5μm，数量≥200个/mm²。该形核剂在钢液凝固过程中自发生成，起到减弱钢锭的偏析程度、提高27SiMn钢材的组织均匀性的作用。该形核剂的获得采用EAF-LF-RH-模铸冶金生成方法，具体通过控制冶炼过程Al与S等元素的含量以及精炼过程渣系的组成所实现。

实施例

采用EAF—LF精炼—RH真空脱气—模铸工艺流程冶炼，具体步骤为：

第一步：EAF(Electric Arc Furnace，即电炉)熔炼

采用铁水和废钢为主要原料，在出钢过程中首先加入铝粒脱氧，加铝量为0.3～0.5kg/吨钢，然后加入硅铁、硅锰、金属锰等进行合金化；出钢前检测钢液成分，钢水中ω(Al)＝0.012％、ω(S)＝0.009％，此为第一次控制Al、S元素含量。

第二步，LF(Ladle Furnace即钢包精炼炉)精炼

在LF炉中加入精炼渣、石灰、萤石等造渣，化渣后检测钢液成分。根据检测结果在精炼过程中加入合金使元素含量符合成分要求。具体成分为：ω(CaO)：52％、ω(SiO₂)：15％、ω(Al₂O₃)：20％、ω(MgO)：5％、ω(CaF₂)：3％，其余为FeO、MnO等不可避免的杂质。LF出钢前检测钢液成分，钢水中ω(Al)＝0.006％、ω(S)＝0.004％，此为第二次控制Al、S元素含量。

第三步，RH(Ruhrstahl Heraeus，即真空循环脱气法)真空脱气

所述S3中补充铝前的真空处理时间为10-20min，补充FeS前的真空处理时间为20-30min，具体来说，RH真空处理15min后补铝，再真空处理25min后加入FeS，RH结束时检测钢液成分，钢水中ω(Al)＝0.01％、ω(S)＝0.01％，此为第三次控制Al、S元素含量。

第四步，模铸

将钢液浇入钢锭模中，采用全封闭保护浇注，形核剂在钢液凝固过程中自发形成，最终得到组织均匀的钢锭。钢锭重量为5t，钢包钢水过热度40～70℃，锭身的浇注速度为30～40kg/s，冒口浇注速度为10～20kg/s。

优选地，本发明中C、Si和Mn元素为27SiMn钢的基础成分，通过上述冶炼方法，本发明控制最终钢液中Al、S等元素的含量，使得形核剂在钢液凝固过程中形成。冶炼结束最终钢液的成分为：

ω[C]：0.24％～0.32％、ω[Si]：1.10％～1.40％、ω[Mn]：1.10％～1.40％、ω[Al]：0.008％～0.012％、ω[O]：0.001％～0.002％、ω[S]：0.008％～0.015％、ω[Ca]<0.001％、ω[Mg]：1～5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；其中，ω为质量分数。

优选地，本发明中Al、O元素是形成(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物的关键成分。钢水中ω[Al]>0.012％，凝固前钢水中的溶解O很低，最后得到的大多是单一的Al₂O₃类氧化物，不利于获得理想的复合核心效果；如果ω[Al]<0.008％，钢中的氧化物将以S_iO₂-MnO类氧化物为主，亦不利于MnS的均匀分布，在三次控Al以后，控制ω[Al]在0.008％～0.012％范围内。

优选地，本发明中O元素质量百分含量在0.001～0.002范围内。O元素是决定(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物形成的关键元素，钢水中ω[O]>0.002％，容易过早形成(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物并聚集长大形成夹杂物。当ω[O]<0.001％时，O含量又太低，无法形成足够数量的异质形核核心。

优选地，本发明中S元素是形成MnS核心的关键成分，而且S元素和Mn元素都是易偏析元素。最终钢水中ω[S]≥0.015％，钢中会生成大颗粒的MnS夹杂物，降低钢的使用性能；钢水中ω[S]<0.008％则无法生成充足的MnS夹杂物，不能达到减弱Mn偏析的效果，也不能提供充足的形核核心。在三次控S以后，控制S质量百分含量在0.008～0.015范围内，保证了钢中形成细小的形核剂，数量≥200个/mm²。

优选地，本发明中Ca元素质量百分含量小于0.001。钢水中的Ca元素含量主要通过炉渣成分控制，钢水中ω[Ca]≥0.001％，O元素含量较低，钢中的氧化物成分会转变为CaS，但是CaS不能作为形核剂。通过炉渣中CaO与SiO2的搭配，控制Ca元素质量百分含量小于0.001％。

优选地，本发明中Mg元素质量百分含量在1～5ppm。钢水中的Mg元素含量主要通过炉渣中的MgO含量控制。钢水中ω[Mg]≥5ppm，钢中得到的是大颗粒的MgO-Al2O3氧化物，不能得到均匀分布的凝固形核剂。若钢水中ω[Mg]＜1ppm，则钢中(Mg、Mn)O-Al2O3氧化物的数量减少，无法形成足够数量的形核剂。因此Mg元素的质量分数控制在1～5ppm范围内。

其他元素包括C、Si、Mn等元素含量的控制范围按照国家标准GB/T3077-2015执行，其余元素为Fe和其他不可避免的杂质元素。

优选地，本发明中在冶炼过程中，采用三次控Al工艺对Al含量进行控制。Al元素是本工艺中主要脱氧元素，用于控制钢水中的O元素含量。首先，电炉出钢时钢水中ω[Al]＞0.015％，LF阶段形成大量的Al2O3夹杂物，冶炼过程中不易去除。电炉出钢时ω[Al]<0.010％，钢水中O元素含量较高，不利于脱硫等。其次，在LF炉精炼结束时钢水中的Al元素含量不能多，需要ω[Al]<0.008％，否则容易导致钢水中的Ca元素含量超过规定范围。

优选地，本发明中在冶炼过程中，采用三次控S工艺对S元素含量进行控制。首先，电炉出钢时ω[S]≥0.01％，形成大量MnS、CaS等含硫夹杂物。其次，在LF炉阶段，由于脱氧和精炼，伴随着S含量的降低。但LF结束时ω[S]＞0.005％，将难以稳定获得最终精确的S含量。最后，在RH真空冶炼阶段，真空处理25min，保证夹杂物充分上浮，然后加FeS，使S元素的质量分数控制在0.008％～0.015％。

取本发明的钢锭进行化学成分分析，结果如表1所示：

表1工业生产条件下由本发明工艺生产的铸锭的化学成分含量

在发明例中电炉出钢、LF出钢、RH出钢时钢液中的Al、S元素含量都达到了目标值，LF精炼过程中炉渣成分也处于本发明规定的范围内，最终利用本发明制备的钢锭中主要夹杂物为复合MnS夹杂物，即凝固形核剂，如图2A所示。复合MnS夹杂物的氧化物核心为(Mg、Mn)O-Al₂O₃，图2B为该氧化物核心的能谱图。(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物核心控制MnS在钢中大量细小均匀地分布，形成了凝固形核剂。凝固形核剂作为晶体的非均质形核核心，得到了均匀细化的凝固组织，减弱了钢锭的偏析程度、提高了材料的组织均匀性。图3是本发明例制备钢锭的金相组织典型形貌，由图3可知，钢锭的凝固组织细小并且分布均匀。

对比例1

本对比例与发明例基本相同，不同之处在于在RH精炼精炼过程中补入大量的铝粒，导致最终钢液的铝元素的质量分数为0.020％，钙元素的质量分数为0.0013％，超过了本发明中要求的范围。本对比例元素含量如表2所示。

表2工业生产条件下由本发明工艺生产的铸锭的化学成分含量

在对比例1中，钢液中铝含量过高，导致钢锭中的主要氧化物为Al₂O₃，Al₂O₃与MnS的匹配性较差，不能作为MnS夹杂物的形核核心，最终钢锭的偏析严重，在钢锭中形成了黑斑缺陷。图4为本对比例制备钢锭中黑斑缺陷处的金相组织形貌。由图4可知，黑斑处组织较粗大、珠光体量较多。

对比例2

本对比例与发明例基本相同，不同之处在于LF精炼阶段，LF精炼末期炉渣主要成分为：ω(CaO)：58％、ω(SiO₂)：11％、ω(Al₂O₃)：17％、ω(MgO)：4％、ω(CaF₂)：6％，其余为FeO等不可避免的杂质。这是因为化渣后加入石灰过量，导致炉渣中CaO含量过高。本对比例元素含量如表3所示。

表3工业生产条件下由本发明工艺生产的铸锭的化学成分含量

在对比例2中，炉渣中过量的CaO导致钢中Ca含量较高。钢中的主要氧化物成分为CaO-Al₂O₃，又本对比例中CaS的析出能力比MnS强，最终形成以CaO-Al₂O₃为核心的CaS夹杂物，如图5A所示，图5B是该(CaO-Al₂O₃)_核心-CaS夹杂物的面扫描能谱图。钢锭的偏析缺陷没有得到改善，易形成粗大的碳化物，导致产生裂纹缺陷。图6为对比例2制备钢锭中裂纹缺陷处的金相组织典型形貌，裂纹沿晶界形成，裂纹处珠光体较多。

对比例3

本对比例与发明例基本相同，不同之处在于RH真空冶炼阶段，加入了过量的FeS，导致最终钢液中S元素的百分含量为0.021，超过了权利的控制范围。本对比例元素含量如表3所示。

表4工业生产条件下由本发明工艺生产的铸锭的化学成分含量

在对比例3中，RH真空冶炼阶段加入过量的FeS导致钢中S元素的含量较高，钢中形成了大量大尺寸的MnS夹杂物，如图7A所示，图7B是该MnS夹杂物的能谱图。大尺寸的MnS夹杂物降低了钢的疲劳性能。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1.电炉熔炼：以铁水和废钢作为主要原料，在出钢过程中首先加入铝粒脱氧，加铝量为0.3～0.5kg/吨钢，然后进行合金化，出钢前检测钢液成分，所述钢液成分ω(Al）中元素的质量分数在0.010%～0.015%范围内，ω(S)的含量小于0.01%；

S2.LF精炼：

在LF炉中加入精炼渣、石灰和/或萤石造渣，精炼时间为50～60min，在40min后保证炉渣成分中ω(CaO)：50％～55％、ω(SiO2 )：10％～20％、ω(Al2O3 )：15％～25％、ω(MgO)：3％～8％、ω(CaF2 )：1％～5％；其余为不可避免的杂质，ω为质量分数，进而使钢液中Ca元素的质量分数小于0 .001％，Mg元素的质量分数范围为1～5ppm，精炼结束时Al元素的质量分数在0.005%～0.008%范围内，通过控制炉渣成分，LF结束时S元素的质量分数≤0.005%；

S3.RH真空脱气：

RH真空处理10-20min补充铝粒，使Al元素的质量分数在0.008%～0.012%范围内；使O元素的质量分数在0.001％～0.002％范围内，RH真空处理20-30min加入FeS，S元素的质量分数在0.008%～0.015%范围内，在RH结束时检测钢液成分，实现钢液中Al、S元素的控制；

S4.模铸：采用全封闭保护浇注，形核剂在钢液凝固过程中自发形成，最终得到组织均匀的钢锭。

2.根据权利要求1所述的含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述S4中的所述形核剂为包括基底和MnS的复合夹杂物，其中，所述基底为(Mg、Mn)O-Al₂O₃氧化物，在所述基底外围包裹所述MnS，所述基底中(Mg、Mn)O质量分数为30%-40%，所述基底中Al₂O₃质量分数为60%-70%。

3.根据权利要求2所述的含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述基底的尺寸为0.5～2μm，复合夹杂物的尺寸为3～5μm，数量≥200个/mm²。

4.根据权利要求1所述的含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述S1中的合金化时加入的物料包括硅铁、硅锰和/或金属锰。

5.根据权利要求1所述的含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述S3中RH真空精炼时间为30～40min。

6.根据权利要求1所述的含有形核剂的27SiMn钢的冶炼方法，其特征在于，所述S4后钢液的成分为：ω[C]：0.24％～0.32％、ω[Si]：1.10％～1.40％、ω[Mn]：1.10％～1.40％、ω[Al]：0.008％～0.012％、ω[O]：0.001％～0.002％、ω[S]：0.008％～0.015％、ω[Ca]<0.001％、ω[Mg]：1～5ppm，其余为杂质元素，ω为质量分数。