CN114134285A - 一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法，属于钢的冶炼除杂技术领域。该控制方法包括以下步骤：(1)控制熔炼温度1570～1620℃，分批次均匀加入渣料，溶清后保证除渣量达80％以上，制成初炼钢水；(2)将初炼钢水转移至LF炉，加入渣料，J‑Al粉和J‑Ca粉复合脱氧，待渣白升温至1660℃以上，维持PAr＝0.3～0.5MPa，补加渣料制成精炼钢水；(3)将精炼钢水转至VD炉，进行除渣，控制真空度67Pa以下，维持15min，吹Ar至PAr＝0.1～0.2MPa，进行后续冶炼制钢。通过本发明的控制方法，所得钢残余杂质元素含量为：S≤10ppm、Ti≤70ppm、N≤25ppm。

Description

一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法
技术领域
本发明属于钢的冶炼除杂技术领域，具体涉及一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法。
背景技术
当今先进高性能钢铁材料的应用越来越广泛，需求量也越来越大。高强强韧钢即是其中一种，现已发展成为应用广泛的重要钢类，大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢等特殊领域。
高强强韧钢材料不仅要有较高的强度，同时还要在尽可能低的成本下具有优异的韧性，尤其对材料平面断裂韧性指标要求很高。目前现有的高强钢冶炼方法，一般中碳高强钢的气体含量及纯净度较低，难以满足武器装备、航空航天等特殊领域用钢的需求，大多依靠进口，特殊领域使用的高强钢生产技术有待加强。
因此，对中碳高强强韧钢的纯净度研究迫在眉睫，亟待开发一种具有高纯净度，特别是控制中碳高强强韧钢中残余元素如Ti、S、N含量降低的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，从而提供一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法。本发明提供的方法很好控制了中碳高强强韧钢中残余元素如Ti、S、N的含量，满足了其在特殊工作环境下的使用要求。
本发明的目的之一是提供一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法，为了实现该目的，本发明采用的技术方案如下：
一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法，包括以下步骤：
(1)炼制钢水时，控制熔炼温度为1570～1620℃，熔炼过程中分批次小批量均匀加入渣料，使渣料完全覆盖钢液；待溶清后保证除渣量达到80％以上，制成初炼钢水；
(2)将步骤(1)的初炼钢水转移至LF炉，加入渣料，所述渣料为石灰和萤石按质量比2～5:1组成，在LF精炼期加入J-Al粉和J-Ca粉进行复合脱氧，待渣白快速升温至1660℃以上，维持Ar气压力为PAr＝0.3～0.5MPa，补加渣料制成精炼钢水；
(3)将步骤(2)的精炼钢水转至VD炉，进行除渣，然后抽真空，使真空度为67Pa以下，维持真空度达15min，吹Ar气保持PAr＝0.1～0.2MPa，进行后续冶炼制钢。
本发明通过上述控制方法，在步骤(1)中能够确保化料过程的内生夹杂TiO的去除，防止后期精炼过程TiO的还原导致Ti含量增加，通过步骤(1)的方法可使钢水中Ti含量降低至Ti(％)≤70ppm以下；进一步通过步骤(2)的方法，加入渣料先最大可能去除钢中的S含量，后续精炼过程中进一步补加渣料，确保在高温高碱度沸腾下能够很好去除SO2气体，使钢水中的S含量能够降低到S(％)≤10ppm以下，很好保证了所得材料的洁净性；在步骤(3)中，由于VD炉去N率与钢水原始的N含量有很大关系，前期精炼炉冶炼有效保持吹氩压力和渣料的覆盖量可以减少后期真空脱N的压力，使去N率增加，通过本发明的步骤(3)处理，最终使得钢中的N(％)≤25ppm，去N率达到65％以上。本发明方法，很好实现了中碳高强强韧钢冶炼过程中S含量、Ti含量和N含量的同时控制，最终所得钢中，以重量百分比％计，S(％)≤10ppm、Ti(％)≤70ppm、N(％)≤25ppm。
进一步的是，步骤(1)中所述炼制钢水在非真空感应炉中进行。
进一步的是，步骤(1)中所述渣料分两次添加。
进一步的是，步骤(1)中将所述初炼钢水升温至1620～1650℃兑入钢包，再进行步骤(2)的操作。
进一步的是，步骤(2)中升温至1660℃以上后，保持温度持续35～40min。
进一步的是，步骤(2)中将钢水升温至1720～1740℃，制成精炼钢水。
进一步的是，步骤(3)中控制除渣量达到60％以上。
进一步的是，步骤(3)中冶炼后所得钢中，残余元素杂质含量为：以重量百分比％计，S(％)≤10ppm、Ti(％)≤70ppm、N(％)≤25ppm。
本发明的目的之二是提供由如上方法获得的中碳高强强韧钢，按重量百分比计，其化学元素组成为：
C：0.29～0.30％、Si：0.28～1.45％、Mn：0.45～0.70％、Cr：0.75～3.4％、Ni：0.98～4.48％、Mo：0.25～0.49％、W：0～0.48％，V：0～0.20％，余量为Fe。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的中碳高强强韧钢残余元素(Ti、S、N)含量控制方法，首先，通过在非真空感应炉全程分批次小批量均匀加入渣料，钢液覆盖充分，无裸露，两次造渣，溶清除渣大于80％，确保化料过程的内生夹杂TiO的去除并制成初炼钢水，确保Ti含量降至最低，减少Ti、N元素的溶度积，防止钢液凝固前在枝晶间隙中形成聚集、硬而尖锐的TiN，影响钢材韧性。其次，在LF炉中，采用精脱硫渣，精炼期采用J-Al粉、J-Ca粉进行复合脱氧，渣白，脱氧充分并快速升温＞1660℃，维持时间t＝35～40min，Ar气压力保持PAr＝0.3～0.5MPa，过程补加渣料至1000～1200kg，确保高温高碱度沸腾去除SO2气体，降低S含量，防止形成MnS夹杂，影响材料塑性，特别是横向塑性指标。最后，在VD炉中，控制除渣＞60％，快速抽空至真空度P罐＜67Pa，维持时间t＞15min，吹Ar保持PAr＝0.1～0.2MPa，做到进一步精炼去N气，提高材料纯净度。
通过本发明生产控制得到的高纯净电极棒，S(％)≤10ppm、Ti(％)≤70ppm、N(％)≤25ppm，达到国内先进水平，为中碳高强强韧钢材料的整体性能提高一个台阶，在国内乃至国外市场更具竞争力，后续具有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种中碳高强高韧钢种，其化学元素组成按重量百分比计为：C：0.30％、Si：1.45％、Mn：0.70％、Cr：3.4％、Ni：0.98％、Mo：0.49％、W：0.48％，余量Fe。
通过优选纯铁+金属合金配比主体成分，并使用非真空感应炉熔炼，熔炼温度为1570℃，熔炼过程全程分批次小批量均匀加入渣料，钢液覆盖充分，无裸露，两次造渣，溶清除渣大于80％，钢水升温至1620℃兑入钢包；钢水转移至LF炉，采用精脱硫渣，该渣组元为石灰和萤石，按质量比例＝2:1，精炼期采用J-Al粉、J-Ca粉进行复合脱氧，渣白，脱氧充分并快速升温至1670℃，维持时间t＝35min，Ar气压力保持PAr＝0.3MPa，过程补加渣料至1000kg，钢水温度升至1720℃，制成精炼钢水；将钢水转至VD炉，除渣量60％，快速抽空至真空度P罐＝65pa，维持时间t＝16min，吹Ar保持PAr＝0.1MPa，制得所需电极棒。
实施例2
一种中碳高强高韧钢种，其化学元素组成按重量百分比计为：C：0.29％、Si：1.80％、Mn：0.70％、Cr：1.05％、Ni：4.48％、Mo：0.60％，余量Fe。通过优选纯铁+金属合金配比主体成分，并使用非真空感应炉熔炼，熔炼温度为1620℃，熔炼过程全程分批次小批量均匀加入渣料，钢液覆盖充分，无裸露，两次造渣，溶清除渣达到85％，钢水升温至1650℃兑入钢包；钢水转移至LF炉，采用精脱硫渣，该渣组元为石灰和萤石，按质量比例为5:1，精炼期采用J-Al粉、J-Ca粉进行复合脱氧，渣白，脱氧充分并快速升温至1662℃，维持时间t＝40min，Ar气压力保持PAr＝0.5MPa，过程补加渣料至1200kg，钢水温度升至1740℃，制成精炼钢水；将钢水转至VD炉，除渣量65％，快速抽空至真空度P罐＝64Pa，维持时间t＝18min，吹Ar保持PAr＝0.2MPa，制得所需电极棒。
实施例3
一种中碳高强高韧钢种，其化学元素组成按重量百分比计为：C：0.30％、Si：0.28％、Mn：0.45％、Cr：0.75％、Ni：2.30％、Mo：0.25％、V：0.20％，余量Fe。通过优选纯铁+金属合金配比主体成分，并使用非真空感应炉熔炼，熔炼温度为1610℃，熔炼过程全程分批次小批量均匀加入渣料，钢液覆盖充分，无裸露，两次造渣，溶清除渣至82％，钢水升温至1645℃兑入钢包；钢水转移至LF炉，采用精脱硫渣，该渣组元为石灰和萤石，质量比例为3:1，精炼期采用J-Al粉、J-Ca粉进行复合脱氧，渣白，脱氧充分并快速升温至1665℃，维持时间t＝38min，Ar气压力保持PAr＝0.4MPa，过程补加渣料至1100kg，钢水温度升至1730℃，制成精炼钢水；将钢水转至VD炉，除渣量62％，快速抽空至真空度P罐＝60Pa，维持时间t＝20min，吹Ar保持PAr＝0.15MPa，制得所需电极棒。
对比例1
按照实施例1的方法，不同之处在于：熔炼过程中采用一次性造渣，溶清后除渣量为75％，石灰和萤石的质量比例＝1:1，升温至1660℃后控制Ar气压力为PAr＝0.2MPa，其余与实施例1相同，制得所需电极棒。
对比例2
按照实施例2的方法，不同之处在于：石灰和萤石的质量比例为2:1，脱氧充分并快速升温至1650℃，维持时间t＝60min，将钢水转至VD炉，除渣量为60％，快速抽空至真空度P罐＝70Pa，维持时间t＝20min，吹Ar保持PAr＝0.6MPa，其余与实施例1相同，制得所需电极棒。
对比例3
按照实施例3的方法，不同之处在于：熔炼温度为1560℃，溶清除渣量75％，精脱硫渣采用萤石，脱氧充分并快速升温至1665℃，维持时间t＝40min，Ar气压力保持PAr＝0.2MPa，快速抽空至真空度P罐＝68Pa，维持时间t＝10min，吹Ar保持PAr＝0.22MPa，其余与实施例1相同，制得所需电极棒。
实验例
将实施例1-3和对比例1-3控制制作的中碳高强高韧钢经过检测，检测材料的夹杂物(TiN、MnS)级别和Ti、S、N含量，检测方法参照ASTM E45-2018《钢中夹杂物含量评定的标准试验方法》，结果如下表1所示。从表1可以看出，本发明实施例的方法获得的中碳高强高韧钢中夹杂物级别和含量均显著降低，达到国内先进水平。可见，本发明将中碳高强强韧钢材料的整体性能提高了一个台阶，在国内乃至国外市场更具竞争力，后续具有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
表1 材料的夹杂物(TiN、硫化物)级别和Ti、S、N含量对比
项目 TiN(级) 硫化物(级) Ti(％) S(％) N(％)
标准控制要求 ≤1.0 0.5 ≤0.010 ≤0.002 ≤0.0040
实施例1 0 0 0.004 0.0009 0.0019
实施例2 0.5 0 0.004 0.0008 0.0021
实施例3 0.5 0 0.005 0.0008 0.0023
对比例1 1 1 0.012 0.0019 0.0035
对比例2 1.5 0.5 0.013 0.0018 0.0041
对比例3 1.5 1 0.015 0.0020 0.0037

Claims (9)

1.一种中碳高强强韧钢残余元素含量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)炼制钢水时，控制熔炼温度为1570～1620℃，熔炼过程中分批次小批量均匀加入渣料，使渣料完全覆盖钢液；待溶清后保证除渣量达到80％以上，制成初炼钢水；
(2)将步骤(1)的初炼钢水转移至LF炉，加入渣料，所述渣料为石灰和萤石按质量比2～5:1组成，在LF精炼期加入J-Al粉和J-Ca粉进行复合脱氧，待渣白快速升温至1660℃以上，维持Ar气压力为PAr＝0.3～0.5MPa，补加渣料制成精炼钢水；
(3)将步骤(2)的精炼钢水转至VD炉，进行除渣，然后抽真空，使真空度为67Pa以下，维持真空度达15min，吹Ar气保持PAr＝0.1～0.2MPa，进行后续冶炼制钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述炼制钢水在非真空感应炉中进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述渣料分两次添加。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中将所述初炼钢水升温至1620～1650℃兑入钢包，再进行步骤(2)的操作。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中升温至1660℃以上后，保持温度持续35～40min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中将钢水升温至1720～1740℃，制成精炼钢水。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中控制除渣量达到60％以上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中冶炼后所得钢中，残余杂质元素含量为：以重量百分比％计，S(％)≤10ppm、Ti(％)≤70ppm、N(％)≤25ppm。
9.根据权利要求1-8任一项所述方法获得的中碳高强强韧钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学元素组成为：
C：0.29～0.30％、Si：0.28～1.45％、Mn：0.45～0.70％、Cr：0.75～3.4％、Ni：0.98～4.48％、Mo：0.25～0.49％、W：0～0.48％，V：0～0.20％，余量为Fe。
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