CN114908219B - 一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，采用“初炼炉+LF精炼+真空脱气+保护浇注”的工艺路线，从防止夹杂物生成的角度全流程精细化控制：初炼工序的出钢过程依据出钢量分批依次加入铝锭进行铝脱氧，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，加入铝酸钙预熔渣和石灰造渣操作，控制LF精炼过程炉渣碱度为5‑8，真空脱气破空后钢液中铝质量百分含量控制范围为0.01～0.025％；通过控制初炼炉氧位、出钢过程合金化制度及合金类型，避免了出钢过程硅锰类夹杂物的生成；通过控制精炼过程炉渣成分及脱气破空后的铝含量，避免了精炼过程硅锰类夹杂物的生成，显著提高了钢液洁净度，特别适用于包括42CrMo的硅、锰含量较高的铝镇静钢。

Description

一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金生产领域，具体涉及一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，特别适用于42CrMo等硅、锰含量较高的铝镇静钢。
背景技术
铝镇静钢中夹杂物类型通常为氧化铝、镁铝尖晶石、钙铝酸盐等。当钢液中局部氧浓度或硅、锰含量较高时，也会生成硅锰类夹杂物，这类夹杂物熔点低、尺寸大，与钢液润湿性好，不容易去除，最终有很大可能性遗传至成型的材料上，从而降低夹杂物评级合格率。当钢中存在大尺寸非金属夹杂物时，破坏了基体的连续性，导致产生应力集中，将会严重影响寿命及可靠性。因此，夹杂物呈细小、弥散化分布是炼钢技术人员不断追求的目标。
郭明玉等人通过研究发现，铝镇静钢LF精炼开始3min后，钢中的夹杂物以Al2O3-SiO2-MnO和纯Al2O3为主，其中前者主要是在出钢过程中形成的[钢铁钒钛,2002,28(3):14-18]。肖尊湖等人通过研究发现，低碳铝镇静钢在LF精炼中后期补加硅铁、硅锰时，LF出站和中间包钢液中均发现了Al2O3-SiO2-MnO夹杂物[钢铁，2019,54(9):62-72]，为了避免Al2O3-SiO2-MnO夹杂物的生成，肖尊湖等人提出需要严格控制LF精炼中后期补加硅铁、硅锰的操作。隋亚飞等人认为低碳铝镇静钢精炼过程中出现Al2O3-SiO2-MnO夹杂物是由于硅锰合金中的夹杂物与脱氧产物反应生成或Al、Si、Mn同时被氧化而生成[炼钢,2020,36(4):25-31.]。需要指出的是，夹杂物的控制是一项系统工程，Al2O3-SiO2-MnO夹杂物的控制与出钢合金化制度、合金类型、合金补加制度等均密切相关，基于此，有必要通过全流程精细化控制，减少特别是硅、锰含量较高的铝镇静钢中的硅锰类夹杂物。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，从防止夹杂物生成的角度全流程精细化控制，显著提高了钢液洁净度，避免了出钢和精炼过程硅锰类夹杂物的出现，特别适用于硅、锰含量较高的铝镇静钢。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，方法包括依次进行的初炼、LF精炼、真空脱气和保护浇注工序，所述初炼工序的出钢过程依据出钢量分批依次加入铝锭进行铝脱氧，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，加入铝酸钙预熔渣和石灰造渣操作，防止出钢过程Al2O3-SiO2-MnO夹杂物生成，控制钢液氧位在80-200ppm；控制LF精炼的炉渣碱度为5-8，真空脱气破空后钢液中铝质量百分含量控制在≥0.01％。
进一步地，所述初炼工序采用转炉或电弧炉，实现包括升温、脱碳及脱磷的初炼任务，初炼结束时，出钢条件：碳含量控制范围为0.20～0.30％，钢液温度为1610～1650℃。
进一步地，所述初炼工序中出钢量达到1/5～1/4时，吨钢加铝量为0.8～1.2kg/t。
进一步地，所述初炼工序中出钢量达到1/3～1/2时，硅铁合金吨钢加入量为14～16kg/t，低碳锰铁吨钢加入量为9～11kg/t，其他合金选用铬铁，铬铁吨钢加入量为14～15kg/t。
进一步地，所述初炼工序中出钢量达到3/4时，铝酸钙预熔渣吨钢加入量为3～4kg/t，石灰吨钢加入量为5.5～6.5kg/t。
进一步地，所述LF精炼工序进行包括造渣、升温以及钢液成分微调的LF精炼操作，实现氧、硫等杂质元素的深度脱除，LF精炼工艺时间为40～60min，LF精炼过程按0～1.0kg/t钢液补加石灰，禁止补加硅锰合金。
进一步地，所述LF精炼工序精炼结束时，炉渣成分满足：ω(CaO)：53～58％、ω(SiO2)：7～10％、ω(Al2O3)：24～28％、ω(MgO)：3～5％、ω(FeO)<0.7％，一方面促进夹杂物的吸收，另一方面为了防止VD过程铝氧化严重。
进一步地，所述真空脱气工艺为VD或RH，达到去气、去夹杂的冶金效果，真空脱气在≤67Pa的极真空时间控制范围为15～25min。
进一步地，所述真空脱气工序破空之后进行软搅拌，氩气流量为1.2～1.5L/min/吨钢，软搅拌时间为20～30min，出站时钢液温度为1520～1545℃。
进一步地，所述铝镇静钢含硅、锰，铝镇静钢包括42CrMo。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用“初炼炉+LF精炼+真空脱气+保护浇注”的工艺路线，从防止夹杂物生成的角度全流程精细化控制：
(1)初炼炉终点碳含量范围为0.2～0.3％，防止过氧化，保证钢液较低的氧位。
(2)出钢过程依据出钢量分批依次加入铝锭进行铝脱氧，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，加入铝酸钙预熔渣和石灰造渣，防止出钢过程Al2O3-SiO2-MnO夹杂物生成。
(3)控制LF精炼炉渣成分，保证精炼过程较高的炉渣碱度，一方面促进夹杂物的吸收，另一方面为了防止真空脱气过程铝氧化严重。
(4)当铝含量低于0.01％时，容易出现Al2O3-SiO2-MnO夹杂物，本发明控制真空脱气破空后钢液中铝质量百分含量控制范围为0.01～0.025％，防止夹杂物生成。
综上，本发明通过控制初炼炉氧位、出钢过程合金化制度及合金类型，避免了出钢过程硅锰类夹杂物的生成；通过控制精炼过程炉渣成分及脱气破空后的铝含量，避免了精炼过程硅锰类夹杂物的生成，显著提高了钢液洁净度，特别适用于硅、锰含量较高的铝镇静钢，42CrMo铝镇静钢冶炼后经扫描检测未发现大尺寸Al2O3-SiO2-MnO夹杂物。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例与对比例的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物检测结果对比图。
图2为对比例1连铸坯中发现的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物形貌图。
图3为对比例2连铸坯中发现的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物形貌图。
图4为对比例3连铸坯中发现的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物形貌图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本实施例提供一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，所述铝镇静钢为42CrMo，其方法包括以下步骤：
S1、转炉初炼：向转炉内兑入铁水，通过吹氧、造渣操作初炼铁水得到钢液，实现包括升温、脱碳及脱磷的初炼任务，初炼结束及出钢过程需满足如下要求：
初炼结束时，出钢条件：碳含量ω[C]的控制范围为0.23％，钢液温度为1632℃；
出钢过程依次进行铝脱氧、合金化及造渣操作：
出钢量达到1/5时，加入铝锭沉淀脱氧，吨钢加铝量为1.0kg/t；
出钢量达到1/3时，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，硅铁合金成分组成为碳≤0.2％、硅≥71％，硅铁合金吨钢加入量为14.5kg/t，低碳锰铁成分组成为碳≤0.4％、锰≥80％，低碳锰铁吨钢加入量为10.2kg/t，其他合金选用铬铁，铬铁吨钢加入量为14.5kg/t；
出钢量达到3/4时，加入铝酸钙预熔渣(45～55％CaO，25～35％Al2O3)和石灰造渣，铝酸钙预熔渣吨钢加入量为3.5kg/t，具有熔点低、熔速快、硫容量高的优点，石灰吨钢加入量为6.1kg/t；
S2、LF精炼：具有经步骤S1钢液的钢包到站后通电升温，之后加入钼铁合金进行合金化，进行包括造渣、升温以及钢液成分微调的LF精炼操作，实现氧、硫等杂质元素的深度脱除；
LF精炼工艺时间为48min；
精炼前期按0.08kg/t钢液补加石灰，用于调整炉渣成分，禁止补加硅锰合金；
精炼结束时，炉渣成分按质量百分数计为：ω(CaO)：54.7％、ω(SiO2)：8.42％、ω(Al2O3)：25.4％、ω(MgO)：3.78％、ω(FeO)：0.53％，控制LF精炼的炉渣碱度，钢液铝质量百分含量为0.028％，渣量为17.7kg/吨钢；
S3、RH真空脱气：具有经步骤S2钢液的钢包到站后接通氩气，开始抽真空，真空脱气在≤67Pa的极真空时保持时间为16min，破空后取样，钢液中铝质量百分含量为0.024％，之后开始软搅拌，氩气流量为1.2L/min/吨钢，软搅拌时间为24min，达到去气、去夹杂的冶金效果，出站时钢液温度为1535℃；
S4、保护浇注：采取全氩气保护浇注经步骤S3的钢液，防止钢液与空气接触二次氧化，连铸过程中保持中间包及结晶器内液面稳定，防止发生卷渣，得到铸坯，浇铸成型的连铸坯化学成分为：ω[C]0.42％，ω[Si]0.25％，ω[Mn]0.75％，ω[Cr]1.10％，ω[Mo]0.21％，ω[Alt]0.022％，ω[O]0.0008％。
对比例1：
一种铝镇静钢的冶炼方法，方法包括依次进行的转炉初炼、LF精炼、RH真空脱气和保护浇注工序，转炉初炼与实施例2的区别在于转炉工序中的合金化制度，LF精炼、RH真空脱气和保护浇注工序与实施例2一致。转炉初炼与实施例2具体区别在于：出钢量达到1/2，将硅铁合金、锰铁合金改为硅锰合金(FeMn68Si18)，硅锰合金吨钢加入量为0.97kg/t。
将实施例1和对比例1的整个冶炼过程全流程取钢样，共6个，分别为LF精炼初样、LF精炼出站样、RH破空样、RH出站样、中间包样、连铸坯样。将所取试样进行ASPEX自动扫描分析，单个试样扫描面积为169mm2，总扫描面积达1014mm2。
实施例2：
本实施例提供一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，所述铝镇静钢为42CrMo，其方法包括以下步骤：
S1、电弧炉初炼：向电弧炉内兑入铁水，通过吹氧、造渣操作初炼铁水得到钢液，实现包括升温、脱碳及脱磷的初炼任务，初炼结束及出钢过程需满足如下要求：
初炼结束时，出钢条件：碳含量ω[C]的控制范围为0.24％，钢液温度为1615℃；
出钢过程依次进行铝脱氧、合金化及造渣操作：
出钢量达到1/4时，加入铝锭沉淀脱氧，吨钢加铝量为0.9kg/t；
出钢量达到1/2时，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，硅铁合金成分组成为碳≤0.2％、硅≥71％，硅铁合金吨钢加入量为14.8kg/t，低碳锰铁成分组成为碳≤0.4％、锰≥80％，低碳锰铁吨钢加入量为10.3kg/t，其他合金选用铬铁，铬铁吨钢加入量为14.3kg/t；
出钢量达到3/4时，加入铝酸钙预熔渣(12CaO·7Al2O3＞85％)和石灰造渣，铝酸钙预熔渣吨钢加入量为3.6kg/t，石灰吨钢加入量为6.3kg/t；
S2、LF精炼：具有经步骤S1钢液的钢包到站后通电升温，之后加入钼铁合金进行合金化，进行包括造渣、升温以及钢液成分微调的LF精炼操作，实现氧、硫等杂质元素的深度脱除；
LF精炼工艺时间为53min；
精炼前期按0.07kg/t钢液补加石灰，用于调整炉渣成分，禁止补加硅锰合金；
精炼结束时，炉渣成分按质量百分数计为：ω(CaO)：55.6％、ω(SiO2)：8.95％、ω(Al2O3)：24.4％、ω(MgO)：4.23％、ω(FeO)：0.55％，控制LF精炼的炉渣碱度，钢液铝质量百分含量为0.026％，渣量为16.7kg/吨钢；
S3、VD真空脱气：具有经步骤S2钢液的钢包到站后接通氩气，开始抽真空，真空脱气在≤67Pa的极真空时保持时间为18min，破空后取样，钢液中铝质量百分含量为0.026％，之后开始软搅拌，氩气流量为1.3L/min/吨钢，软搅拌时间为25min，达到去气、去夹杂的冶金效果，出站时钢液温度为1538℃；
S4、保护浇注：采取全氩气保护浇注经步骤S3的钢液，防止钢液与空气接触二次氧化，连铸过程中保持中间包及结晶器内液面稳定，防止发生卷渣，得到铸坯，浇铸成型的连铸坯化学成分为：ω[C]0.42％，ω[Si]0.26％，ω[Mn]0.76％，ω[Cr]1.08％，ω[Mo]0.2％，ω[Alt]0.024％，ω[O]0.0009％。
对比例2：
一种铝镇静钢的冶炼方法，方法包括依次进行的电炉初炼、LF精炼、VD真空脱气和保护浇注工序，转炉初炼和保护浇注工序与实施例2一致，与实施例2的区别在于LF精炼末期炉渣成分及VD破空后的Al含量，具体地：
S2、LF精炼：具有经步骤S1钢液的钢包到站后通电升温，之后加入钼铁合金进行合金化，进行包括造渣、升温以及钢液成分微调的LF精炼操作，LF精炼工艺时间为51min；
精炼前期按0.05kg/t钢液补加石灰；精炼结束时，炉渣成分按质量百分数计为：ω(CaO)：51.7％、ω(SiO2)：12.42％、ω(Al2O3)：24.6％、ω(MgO)：4.12％、ω(FeO)：0.65％，钢液铝质量百分含量为0.026％，渣量为16.9kg/吨钢；
S3、VD真空脱气：具有经步骤S2钢液的钢包到站后接通氩气，开始抽真空，真空脱气在≤67Pa的极真空时保持时间为20min，破空后取样，钢液中铝质量百分含量为0.006％，之后喂入铝线至铝质量百分含量0.025％，之后开始软搅拌，氩气流量为1.2L/min/吨钢，软搅拌时间为27min，出站时钢液温度为1542℃。
对比例3：
一种铝镇静钢的冶炼方法，方法包括依次进行的电炉初炼、LF精炼、VD真空脱气和保护浇注工序，转炉初炼与实施例2的区别在于转炉工序中的合金化制度，LF精炼、RH真空脱气和保护浇注工序与实施例2一致。转炉初炼与实施例2具体区别在于：出钢量达到1/5，将铝锭和硅铁合金、低碳锰铁及其他合金一起加入。
将实施例2、对比例2、对比例3的整个冶炼过程全流程取钢样，共6个，分别为LF精炼初样、LF精炼出站样、VD破空样、VD出站样、中间包样、连铸坯样。将所取试样进行ASPEX自动扫描分析，单个试样扫描面积为169mm2，总扫描面积达1014mm2。
实施例1-2，对比例1-3在破空样、出站样、中间包样以及连铸坯样的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物检测结果如附图1和下表1所示：
编号 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3
Al2O3-SiO2-MnO(个/m2) 0 0 0.03 0.02 0.05
实施例1和实施例2的扫描结果均未发现大尺寸Al2O3-SiO2-MnO夹杂物，对比例1-3整个冶炼过程均发现了硅锰类夹杂物，对比例1-3在破空样、出站样、中间包样以及连铸坯样的Al2O3-SiO2-MnO夹杂物检测结果如附图2-4所示，在附图2-4中分别标注图谱标签1-9，其Al2O3-SiO2-MnO夹杂物成分下表2所示：
由实施例1与对比例1的对比结果可知，当分别加入硅铁合金、低碳锰铁合金时，硅、锰分别与溶解氧反应，生成固态的SiO2、MnO，其与沉淀脱氧的产物Al2O3不容易反应，避免了出钢过程硅锰类夹杂物的生成；当硅铁合金、锰铁合金改为硅锰合金时，加入的硅锰合金与钢水中的溶解氧反应，生成SiO2-MnO液态夹杂物，进一步与Al2O3反应生成Al2O3-SiO2-MnO夹杂物。
由实施例2和对比例2的对比结果可知，LF精炼末期，炉渣碱度偏低，VD过程铝损大，破空后Al含量过低，Al与Si、Mn、O反应生成了硅锰类夹杂物，对比例2在连铸坯上也发现了大尺寸Al2O3-SiO2-MnO。
由实施例2和对比例3的对比结果可知，铝锭、硅铁、低碳锰铁合金加入到氧浓度较高的钢水中，直接反应生成了大量硅锰类夹杂物，在连铸坯上发现了大尺寸Al2O3-SiO2-MnO。
综上，本发明通过严格控制出钢碳含量、添加合金的类型、出钢合金化方式、LF精炼炉渣成分、精炼过程铝含量，显著提高了钢液洁净度，避免了硅锰类夹杂物的出现。初炼炉出钢时加入铝进行沉淀脱氧，降低了钢水氧位，之后加入硅铁、低碳锰铁，降低了出钢过程硅锰类夹杂物生成的可能性；进一步通过控制精炼过程炉渣成分及铝含量，降低了精炼过程硅锰类夹杂物生成的可能性，彻底避免了硅锰类夹杂物的出现，大幅度增加了夹杂物评级合格率。通过对比例可以看出，当部分条件无法满足时，则无法达到更理想的冶炼效果。
本发明可以应用于42CrMo及类似钢种的冶炼，特别适用于硅、锰含量较高的铝镇静钢，42CrMo是一种典型的合金结构钢，具有良好的机械性能和可加工性，可用于制作风电偏航变桨轴承套圈，采用本发明的冶炼方法显著减少了风电用42CrMo铝镇静钢中的硅锰类夹杂物，有利于提高基体连续性、避免应力集中，从而提高风电轴承的寿命及可靠性。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，其特征在于，方法包括依次进行的初炼、LF精炼、真空脱气和保护浇注工序，所述初炼工序的出钢过程依据出钢量分批依次加入铝锭进行铝脱氧，加入硅铁合金、低碳锰铁及其他合金进行合金化，加入铝酸钙预熔渣和石灰造渣操作，控制钢液氧位在80-200ppm，出钢条件：碳含量控制范围为0.20~0.30%；
所述初炼工序中出钢量达到1/5~1/4时，吨钢加铝量为0.8~1.2kg/t；
所述初炼工序中出钢量达到1/3~1/2时，硅铁合金吨钢加入量为14~16kg/t，低碳锰铁吨钢加入量为9~11kg/t；
所述初炼工序中出钢量达到3/4时，铝酸钙预熔渣吨钢加入量为3~4kg/t，石灰吨钢加入量为5.5~6.5kg/t；
控制LF精炼的炉渣碱度为5-8，LF精炼过程禁止补加硅锰合金，所述LF精炼工序精炼结束时，炉渣成分满足：ω(CaO)：53~58%、ω(SiO2)：7~10%、ω(Al2O3)：24~28%、ω(MgO)：3~5%、ω(FeO)<0.7%；真空脱气破空后钢液中铝质量百分含量控制在≥0.01%；所述铝镇静钢为42CrMo。
2.根据权利要求1所述的一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，其特征在于，所述初炼工序采用转炉或电弧炉，初炼结束时，钢液温度为1610~1650℃。
3.根据权利要求1所述的一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，其特征在于，所述LF精炼工艺时间为40~60min，LF精炼过程按0~1.0kg/t钢液补加石灰。
4.根据权利要求1所述的一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，其特征在于，所述真空脱气工艺为VD或RH，真空脱气在≤67Pa的极真空时间控制范围为15~25min。
5.根据权利要求1所述的一种减少铝镇静钢中硅锰类夹杂物的冶炼方法，其特征在于，所述真空脱气工序破空后钢液中铝含量控制范围为0.01~0.025%，之后进行软搅拌，软搅拌时间为20~30min，出站时钢液温度为1520~1545℃。
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