CN114807509A - 一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法 - Google Patents

一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，该方法采用50～150吨全废钢电炉→LF精炼→连铸工艺，电炉冶炼终点出钢控制钢水中C元素质量百分比为0.02％‑0.08％；钢水温度为1620～1650℃，出钢采用铝沉淀脱氧；LF精炼调整C、Si、Mn、P、S、Pb元素含量在控制范围内并向钢液中喂入铝线，确保1570～1580℃时，钢水氧活度达到10～30ppm；钢水中加入低碳钢铁皮包裹的工业纯碲块，同时钢包底吹氩气；LF精炼成分调整达标后，钢包软吹氩搅拌；最后采用小方坯连铸机进行连续铸钢。本发明开发了铅碲硫复合易切削钢的冶炼新方法，可实现Pb收得率75％以上，Te收得率68％以上，刀具磨损程度降低20％以上，加工后产品表面粗糙度提高10％以上。

Description

一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法
技术领域
本发明涉及一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，属于冶金技术领域。
背景技术
现代化工业不断向自动化、高速化和精密化的加工方向发展，金属材料的切削速度已提高到100m/min以上，最高达300m/min。机加工成本是制造业零部件制造成本的重要组成部分(甚至达到零部件制造成本40-60％)，这对钢材的切削加工性能提出了更高的要求。
易切削钢，是通过加入一种或多种易切削元素(如硫、磷、铅、钙、硒、碲等)，使其切削性能得到显著提高的钢材。目前全世界每年消耗易切削钢超过400万吨，市场需求量巨大。近年来日本先后开发了“超级易切削钢”，成分体系分为Pb-Te-S及Bi-Te-S，尤其是低碳的Pb-Te-S系超级易切削钢，在环保可控范围内，是目前切削性能最优良的钢铁产品。然而该成分体系中Pb元素的偏析控制、Te元素的合金化稳定控制、轧制顺行等成为制约其工业化生产的主要技术瓶颈。尤其是Te锭属于贵重合金，价格昂贵，做成包芯线有一定损失，熔点、沸点低，喂线易挥发，收得率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，其冶炼过程通过控制电炉终点脱氧以及Te合金化时机与方式，实现稳定的工业化生产，Te收得率68％以上，从而克服上述现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，采用50～150吨全废钢电炉→LF精炼→连铸工艺冶炼铅碲硫复合易切削钢，按照如下工艺步骤：
(1)全废钢电炉冶炼，终点出钢控制钢水中C元素质量百分比为0.02％-0.08％；钢水温度T为1620～1650℃，出钢时采用铝沉淀脱氧，确保精炼到站时钢水氧活度降到20ppm以下；
(2)LF精炼，向钢水中加入锰铁、硫铁，调整C、Si、Mn、P、S、Pb元素含量在控制范围内，并向钢液中喂入铝线，确保1570～1580℃时，钢水氧活度达到10～30ppm；
(3)向钢水中加入低碳钢铁皮包裹的工业纯碲块，并同时匹配钢包底吹氩气强度为0.30MPa～0.50MPa，吹氩持续时间为2～4min；
(4)LF精炼成分调整达标后，钢包软吹氩搅拌，氩气流量为30～100NL/min，保持时间大于10min；
(5)按照常规工艺，采用小方坯连铸机进行连续铸钢。
作为一种优选，上述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法中，所述的铅碲硫复合易切削钢按质量百分比计成份为：C：0.04～0.10％、Mn：0.80～1.50％、S：0.25～0.40％、Si：≤0.05％、Te：0.01～0.02％、Pb：0.25～0.30％、T[O]：0.0010～0.0250％，其余部分为Fe及杂质。
作为一种优选，前述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法中，步骤(2)中LF精炼过程，渣面加入碳化硅间接脱氧，精炼炉渣二元碱度R为3-4。
作为一种优选，前述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法中，步骤(3)中，工业纯Te块尺寸在5～10mm，分多次加入钢包，每批量加入0.10～0.20kg/吨钢，批次间隔1～2分钟。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在全废钢电炉→LF精炼炉→小方坯连铸工艺条件下，开发了铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，本发明的冶炼方法可实现Pb收得率75％以上，Te收得率68％以上，刀具磨损程度降低20％以上，加工后产品表面粗糙度提高10％以上。
易切削钢生产的控制核心是控制其中易切削质点(MnS、MnTe、Pb颗粒等)在钢中的分布，这些质点细小弥散，有利于切削断屑。通过控制全废钢电炉终点的C含量和温度，可以有效控制钢水电炉终点的氧活度在较高水平，可使得钢水在加入Al脱氧后，产生大量的细小氧化物夹杂物，成为MnS形核的核心，从而起到弥散MnS的效果。与此同时，钢中加入Te之后，生成的MnTe依附在MnS外围，因而该环节通过增加氧化物数量，起到易切削质点弥散化的效果。
本发明中的步骤(2)-(3)极为关键，随着冶炼进行，向钢水中加入锰铁、硫铁调整合金成分到位，需要完成Te元素的合金化。特别需要说明的是：Te元素为沸点低的元素，无法像Pb一样直接加入钢水中，需要用铁皮包裹好，穿过渣面后，铁皮熔化，碲块进入钢液，实现合金化。工业碲块分多份包裹在低碳钢铁皮中加入，每份质量在5kg～10kg，每次向钢水中加入一份，批次间隔1分钟。
此处强调间隔时间是因为Te元素熔点低，Te的合金化并没有采用目前常用的包芯线加入方式，因为Te锭属于贵重合金，价格昂贵，做成包芯线有一定损失，而且其熔点、沸点低，喂线易挥发，收得率低。相比较包芯线方式，本发明采用的铁皮包裹碲办法收得率有保障，且加工成本、操作成本更低。
在Pb、Te合金化之前，需要为二者合金化操作预留时间和钢水温降空间，尤其在Pb加入后，大底吹流量搅拌，会导致钢水吸氧，配合Pb合金化的钢水氧活度控制水平，最终Pb、Te合金化后，钢水氧活度可达60～120ppm水平。
在整个LF精炼过程，本发明渣面加入碳化硅间接脱氧，精炼炉渣二元碱度R为3-4，该操作可以配合合金化钢水中部分大颗粒Al2O3夹杂物上浮，而部分较低熔点的钙铝酸盐等依旧保留在钢水中，为MnS夹杂物形核做准备，从而保障成品总氧含量的控制目标。
采用本发明生产的Pb-Te-S复合超级易切削钢时，Pb的收得率达到75％以上，Te的收得率达到65％以上。经过对比切削试验证实，该类超级易切削钢与传统PbS复合易切削钢相比，刀具磨损程度降低20％以上，加工后产品表面粗糙度提高10％以上，而且本发明加Te的方法易操作，Te的收得率高且成分均匀。
附图说明
图1为实施例1中12L14钢种的后刀面磨损程度示意图；
图2为实施例1中12L14+0.017Te钢种的后刀面磨损程度示意图；
图3为实施例1中12L14钢种的已加工表面粗糙度示意图；
图4为实施例1中112L14+0.017Te钢种的已加工表面粗糙度示意图；
图5为实施例2中12L14+0.012Te、12L14、1215MS三种材料各切削速度对已加工表面质量的影响图；
图6为实施例2中12L14+0.012Te断屑情况照片；
图7为实施例2中12L14断屑情况照片；
图8为实施例2中1215MS断屑情况照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步详细的说明。
实施例1：采用60吨全废钢电炉→LF精炼→小方坯连铸工艺流程冶炼铅碲硫复合易切削钢，其工艺步骤如下：
(1)全废钢电炉冶炼，终点出钢控制钢水中碳元素质量百分比为C：0.07％，钢水温度：1633℃；出钢时采用铝沉淀脱氧，钢水到LF精炼站时钢水氧活度为15ppm；
(2)LF精炼，向钢水中加入锰铁、硫铁，调整C、Si、Mn、Cu、P、S元素含量到控制范围，并向钢液中喂入铝线，渣面加入碳化硅间接脱氧，精炼炉渣碱度R为3.8，LF精炼过程取样钢水中各元素的质量百分数如下表所示；
取样位置 C Si Mn P S Alt
电炉终点 0.02 0.00 0.027 0.011 0.09 0.38
J1 0.03 0.00 0.90 0.052 0.33 0.004
J2 0.04 0.00 1.11 0.055 0.32 0.004
成分调整到位后，测得J2钢水温度1570～1580℃时，钢水氧活度达到10～30ppm；
(3)向钢水中加入低碳钢铁皮包裹的工业纯碲块，并同时匹配钢包底吹氩气强度0.30MPa～0.50MPa，底吹持续时间2～4min；工业纯Te块尺寸在5～10mm，分多次加入钢包，每批量加入0.10～0.20kg/吨钢，批次间隔1分钟。
(4)LF精炼成分调整达标后，钢包软吹氩搅拌，氩气流量为30～100NL/min，保持时间大于10min。
软吹后取样测温，钢水成分如表中所示：
取样位置 C Si Mn P S Alt Pb Te a(O)
LF软吹后 0.04 0.00 1.11 0.055 0.31 0.004 0.34 0.014 30
(5)按照常规工艺采用小方坯连铸机进行连续铸钢。
本实施例中，Pb元素收得率达到76％，Te收得率达到67％。其成品轧制成50mm圆棒之后，展开对比切削试验。对照的两个试样中各主要元素的质量百分数如表中所示：
钢种牌号 C Si Mn P S Pb Te T.O
12L14 0.04 0.00 1.10 0.054 0.32 0.33 - 120
12L14+0.017Te 0.04 0.00 1.11 0.055 0.31 0.34 0.014 120
试验参数为进给量＝0.1mm/r、背吃刀量＝0.5mm，切削速度＝150m/min与同比的12L14产品，后刀面磨损程度降低如图1、2所示，已加工表面粗糙度如图3、4所示。
实例2：采用60吨全废钢电炉→LF精炼→小方坯连铸工艺流程冶炼铅碲硫复合易切削钢，其工艺步骤如下：
(1)全废钢电炉冶炼，终点出钢控制钢水中碳元素质量百分比为C：0.03％，钢水温度：1643℃；出钢时采用铝沉淀脱氧，钢水到LF精炼站时钢水氧活度：18ppm；
(2)LF精炼调整C、Si、Mn、Cu、P、S元素含量到控制范围，渣面加入碳化硅间接脱氧，精炼炉渣碱度R＝3.3，LF精炼过程取样钢水中各元素的质量百分数如表所示；
取样位置 C Si Mn P S Alt
电炉终点 0.03 0.00 0.05 0.013 0.03 0.35
J1 0.04 0.00 1.00 0.053 0.37 0.004
J2 0.05 0.00 1.13 0.054 0.32 0.003
成分调整到位后，测得J2钢水温度1570～1580℃时，钢水氧活度达到10～30ppm；
(3)向钢水中加入低碳钢铁皮包裹的工业纯碲块，并同时匹配钢包底吹氩气强度0.30MPa～0.50MPa，底吹持续时间2～4min；
(4)LF成分调整达标后，钢包软吹氩搅拌，氩气流量为30～100NL/min，保持时间大于10min；
软吹后取样测温，钢水成分如表中所示：
取样位置 C Si Mn P S Alt Pb Te a(O)
LF软吹后 0.05 0.00 1.13 0.054 0.32 0.004 0.31 0.033 35
(5)小方坯连铸机进行连续铸钢。
本实施例中，Pb元素收得率达到75％，Te收得率达到68％。
其成品轧制成60mm圆棒之后，展开对比切削试验。对照的两个试样中各主要元素的质量百分数如表中所示：
钢种牌号 C Si Mn P S Pb Te T.O
12L14 0.05 0.01 1.05 0.049 0.32 -- -- 115
1215MS 0.06 0.01 1.22 0.050 0.35 -- -- 119
12L14+0.012Te 0.05 0.00 1.13 0.054 0.32 0.31 0.033 121
比较已加工表面的粗糙度，同种切削条件下三种产品表面粗糙度如图5所示，三种材料的切削断屑情况如图6、7、8所示。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，其特征在于：采用50～150吨全废钢电炉→LF精炼→连铸工艺冶炼铅碲硫复合易切削钢，按照如下工艺步骤：
(1)全废钢电炉冶炼，终点出钢控制钢水中C元素质量百分比为0.02％-0.08％；钢水温度T为1620～1650℃，出钢时采用铝沉淀脱氧，确保精炼到站时钢水氧活度降到20ppm以下；
(2)LF精炼，向钢水中加入锰铁、硫铁，调整C、Si、Mn、P、S、Pb元素含量在控制范围内，并向钢液中喂入铝线，确保1570～1580℃时，钢水氧活度达到10～30ppm；
(3)向钢水中加入低碳钢铁皮包裹的工业纯碲块，并同时匹配钢包底吹氩气强度为0.30MPa～0.50MPa，吹氩持续时间为2～4min；
(4)LF精炼成分调整达标后，钢包软吹氩搅拌，氩气流量为30～100NL/min，保持时间大于10min；
(5)采用小方坯连铸机进行连续铸钢。
2.根据权利要求1所述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，其特征在于：所述的铅碲硫复合易切削钢按质量百分比计成份为：C：0.04～0.10％、Mn：0.80～1.50％、S：0.25～0.40％、Si：≤0.05％、Te：0.01～0.02％、Pb：0.25～0.30％、T[O]：0.0010～0.0250％，其余部分为Fe及杂质。
3.根据权利要求1所述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，其特征在于：步骤(2)中LF精炼过程，渣面加入碳化硅间接脱氧，精炼炉渣二元碱度R为3-4。
4.根据权利要求1所述的铅碲硫复合易切削钢的冶炼方法，其特征在于：步骤(3)中，工业纯Te块尺寸在5～10mm，分多次加入钢包，每批量加入0.10～0.20kg/吨钢，批次间隔1～2分钟。
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