CN115449713A - 一种高纯净度的高碳合金钢及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及钢铁冶金的技术领域，具体公开了一种高纯净度的高碳合金钢及其生产工艺。高碳合金钢，其包括以下重量百分含量的原料：碳0.8‑0.95%、硅0.45‑0.65%、锰0.55‑0.7%、铬0.1‑0.35%、钒0.05‑0.12%、钛0.01‑0.05%、镍0.01‑0.05%、混合稀土金属丝0.1‑0.3%、预熔渣0.2‑0.8%、脱氧脱硫剂0.1‑0.5%、余量为铁和不可避免的杂质；其生产工艺为：熔化铁，加其他原料混匀；真空处理，精炼；冷却，加预熔渣，精炼，扒渣；冷却，加脱氧脱硫剂混匀，浇筑后得到高碳合金钢。本申请的高碳合金钢，通过原料之间的协同作用，具有提高纯净度的优点。
Description
技术领域
本申请涉及钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种高纯净度的高碳合金钢及其生产工艺。
背景技术
随着社会经济的不断发展，合金钢的出现也越来越频繁。除铁、碳外，加入其它的合金元素，叫做合金钢。高碳合金钢属于合金钢的一种，含碳量高一些，且高碳合金钢具有良好的淬透性、较高的淬硬性、热处理变形量较小、耐磨性高，广泛应用于五金、家电、工具、石材加工、汽车、纺织等各个行业。
目前，高碳合金钢一般的组成元素有碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍等，经过高温烧结后冷却至室温加工而成，但是，在加工制作的过程中，高碳合金钢中会夹杂氧、氮等有害杂质元素，导致高碳合金钢的纯净度较低，影响使用。
发明内容
为了提高高碳合金钢的纯净度，本申请提供一种高纯净度的高碳合金钢及其生产工艺。
第一方面，本申请提供一种高纯净度的高碳合金钢，采用如下技术方案：
一种高纯净度的高碳合金钢，其包括以下重量百分含量的原料：碳0.8-0.95％、硅0.45-0.65％、锰0.55-0.7％、铬0.1-0.35％、钒0.05-0.12％、钛0.01-0.05％、镍0.01-0.05％、混合稀土金属丝0.1-0.3％、预熔渣0.2-0.8％、脱氧脱硫剂0.1-0.5％、余量为铁和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，本申请的高碳合金钢，通过各原料之间的协同作用，不仅能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，还能够降低合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，有助于提高合金钢的纯净度，其中，氧含量为2.5-4.0ppm，氮含量为1.3-3.2ppm，硫含量为1.8-2.9ppm，晶粒度为7.5-10.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级。
碳是合金钢中的最基本的强化元素，碳含量较高时，合金钢的拉伸强度较高，但是，过量的碳会促进中心偏析处先共析渗碳体的析出，降低塑性，因此控制碳量在0.8-0.95％之间。硅是铁强化元素，硅在渗碳体界面的富集有助于防止渗碳体在稳定化处理过程中发生分解，提高加工过程中的热稳定性，改善合金钢的致密性和热轧性能，提高强度；硅也是重要的脱氧剂，有助于降低合金钢中的氧含量，减少夹杂物。锰在合金钢中主要用于增加强度，同时可以增加奥氏体的稳定性，降低相变温度；同时，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，可降低合金钢中的氧含量和硫含量。铬是碳化物生成元素，在合金钢中主要存在于渗碳体片层中通过置换作用形成合金渗碳体，铬加入可提高奥氏体的稳定性，阻止热轧时晶粒的长大。钒能够降低相变温度，钒在奥氏体中的固溶度适中，强化效果明显，能够有效减少晶界渗碳体的析出，防止形成网状渗碳体。钛能够固定合金钢中的自由氮，防止氮在拉丝升温后产生应变时效；钛可抑制热轧时奥氏体晶粒的长大，还可以起到脱氧的作用。镍可提高合金钢的塑性和耐腐蚀能力。
混合稀土金属丝是由多种稀土元素混合而成，具有高沸点，能够在合金钢的加工过程中保持较高浓度的元素，因此可作为强脱氧剂和脱硫剂，加入合金钢的原料中，稀土元素跟氧和硫作用，能够在电磁场的作用下，作用产物随预熔渣排出，能够进一步减少合金钢中的杂质，从而提高合金钢的纯净度。预熔渣加入合金钢中，能够起到脱氧脱硫的作用，还能够吸附夹杂物，减少合金钢中的杂质，从而提高合金钢的纯净度。
作为优选：其包括以下重量百分含量的原料：碳0.86-0.9％、硅0.5-0.6％、锰0.58-0.62％、铬0.15-0.28％、钒0.06-0.09％、钛0.02-0.04％、镍0.02-0.04％、混合稀土金属丝0.15-0.25％、预熔渣0.4-0.6％、脱氧脱硫剂0.2-0.3％、余量为铁和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，通过对合金钢各原料的掺量进行优化，有助于使各原料更好的发挥作用，进一步提高合金钢的纯净度。
作为优选：所述混合稀土金属丝为ReCe-48。
作为优选：所述混合稀土金属丝的直径为2.5-4mm。
通过采用上述技术方案，混合稀土金属丝ReCe-48是采用稀土金属Re和Ce的混合物制成的，其中，Re具有高熔点、强度和硬度，能够细化晶粒，提高晶粒度；Ce的丰富度较高，通过与Re之间的协同作用，对混合稀土金属丝的直径进行限定，能够增强脱氧脱硫的作用，能够使合金钢不仅保持良好的晶粒度，还能够减少氧、硫的含量，提高合金钢的纯净度。
第二方面，本申请提供一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，采用如下技术方案：一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，包括如下步骤：
S1：将铁熔化，加入碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍，混合均匀，得到钢水，加入混合稀土金属丝，混合均匀后，保温，得到混合液A；
S2：将混合液A进行真空处理，进行第一次精炼，得到混合液B；
S3：待混合液B冷却后，向混合液B中加入预熔渣，且在电磁场的作用下进行第二次精炼，扒渣后，得到混合液C；
S4：待混合液C冷却后，向混合液C中加入脱氧脱硫剂，混合均匀，浇筑后得到高碳合金钢。
进一步的，一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，包括如下步骤：
S1：将铁放在1600-1700℃的温度下熔化，加入碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍，搅拌30-40min，得到钢水，加入混合稀土金属丝，搅拌20-30min，保温5-10min，得到混合液A；
S2：将混合液A进行真空处理，进行第一次精炼，精炼时间为30-40min，得到混合液B；
S3：待混合液B冷却至表面结膜后，向混合液B中加入预熔渣，搅拌30-40min，升温至1400-1600℃，且在频率为1000-2500Hz的电磁场下进行第二次精炼，精炼时间为5-10min，扒渣后得到混合液C；
S4：待混合液C冷却至表面结膜后，向混合液C中加入脱氧脱硫剂，搅拌10-15min，浇筑后得到高碳合金钢。
作为优选：步骤S2中真空处理的真空度为0.05-1.25Pa。
通过采用上述技术方案，首先，将铁、碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍混合均匀后熔化，使原料之间混合的更加均匀，便于各原料发挥作用；然后加入混合稀土金属丝，进行真空处理，能够降低混合液A中的气体溶解度，同时混合稀土金属丝能够跟氧、硫作用，再加入预熔渣，预熔渣能够除去氮、夹杂物，扒渣后，除去固体颗粒，最后加入脱氧脱硫剂，再次进行脱氧脱硫，浇筑后得到高碳合金钢，有助于提高合金钢的纯净度。
作为优选：步骤S3中的预熔渣为CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MnO五元渣。
作为优选：所述预熔渣中的CaO的添加量为预熔渣总重的5-15wt％，SiO2的添加量为预熔渣总重的3-20wt％，Al2O3的添加量为预熔渣总重的10-30wt％，TiO2的添加量为预熔渣总重的10-50wt％，MnO的添加量为预熔渣总重的8-25wt％。
通过采用上述技术方案，预熔渣采用高碱度多元渣，能够在钢流的冲击下，被分裂成细小的渣粒，并分散在钢液中，增加了与钢液中夹杂物的接触的机会，为夹杂物上浮提供了条件，有助于脱硫；由于预熔渣碱度较高，能够避免脱氧合金化后钢包渣碱度降低，有助于吸收氧化物夹杂，有利于脱氧脱硫。另外，对预熔渣中的成分进行限定，更有利于对氧、硫的去除，进一步提高高碳合金钢的纯净度。
作为优选：所述脱氧脱硫剂为铝酸钙。
通过采用上述技术方案，铝酸钙具有较强的脱氧、脱硫效果，可减少钢液中产生气体，降低合金钢中夹杂，具有成渣迅速、较强的吸附钢中非金属夹杂物的能力，能够显著提高合金钢的纯净度。
作为优选：步骤S4中在加入脱氧脱硫剂时，通入氩气保护。
作为优选：步骤S4中在加入脱氧脱硫剂时，通入氩气保护，且通入氩气的流速为10-15L/min。
通过采用上述技术方案，在加入脱氧脱硫剂时，通入氩气作为保护气体，大大减小了空气对合金钢的影响，避免产生气孔，从而形成致密的组织，提高强度，也有利于提高合金钢的纯净度。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、由于本申请中采用混合稀土金属丝，能够加强对合金钢中的氧、硫的去除，从而提高合金钢的纯净度，可使氧含量达到2.5ppm，氮含量达到1.3ppm，硫含量达到1.8ppm，晶粒度达到10.5级，中心疏松等级达到1级，偏析等级达到1级。
2、本申请中优选CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MnO五元渣，采用高碱度预熔渣，分散在钢液中，有助于脱硫、脱氧，还能够吸附夹杂物，从而提高合金钢的纯净度。
具体实施方式
以下结合具体内容对本申请作进一步详细说明。
原料
混合稀土金属丝为ReCe-48，稀土含量98％，Ce含量48％；脱氧脱硫剂为铝酸钙，耐火温度为1300℃，粒径为5-500mm。
实施例
实施例1
一种高纯净度的高碳合金钢，其原料配比见表1所示。
一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，包括如下步骤：
S1：将铁放在1650℃的温度下熔化，加入碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍，搅拌35min，得到钢水，加入混合稀土金属丝，搅拌25min，保温8min，得到混合液A，其中，混合稀土金属丝的直径为2.5mm；
S2：将混合液A放在真空度为0.08Pa的条件下进行真空处理，进行第一次精炼，精炼时间为35min，得到混合液B；
S3：待混合液B冷却至表面结膜后，向混合液B中加入CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MnO五元渣，搅拌35min，升温至1500℃，且在频率为1700Hz的电磁场下进行第二次精炼，精炼时间为7min，扒渣后得到混合液C，其中，预熔渣中的CaO的添加量为预熔渣总重的10wt％，SiO2的添加量为预熔渣总重的15wt％，Al2O3的添加量为预熔渣总重的20wt％，TiO2的添加量为预熔渣总重的30wt％，MnO的添加量为预熔渣总重的25wt％；
S4：待混合液C冷却至表面结膜后，向混合液C中加入脱氧脱硫剂，同时，通入氩气保护，且通入氩气的流速为12L/min，搅拌12min，浇筑后得到高碳合金钢。
实施例2-5
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢的原料配比不同，其原料配比见表1所示。
表1实施例1-5合金钢中各原料掺量(单位：kg)
实施例6-8
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例5的区别之处在于，合金钢的原料配比不同，其原料配比见表2所示。
表2实施例6-8合金钢中各原料掺量(单位：kg)
实施例9-11
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例8的区别之处在于，合金钢的原料配比不同，其原料配比见表3所示。
表3实施例9-11合金钢中各原料掺量(单位：kg)
| 原料 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 |
| 碳 | 0.86 | 0.9 | 0.95 |
| 硅 | 0.5 | 0.6 | 0.65 |
| 锰 | 0.58 | 0.62 | 0.7 |
| 铬 | 0.15 | 0.28 | 0.35 |
| 钒 | 0.06 | 0.09 | 0.12 |
| 钛 | 0.02 | 0.04 | 0.05 |
| 镍 | 0.02 | 0.04 | 0.05 |
| 混合稀土金属丝 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 预熔渣 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| 脱氧脱硫剂 | 0.2 | 0.3 | 0.5 |
| 铁和不可避免的杂质 | 96.51 | 96.03 | 95.53 |
实施例12
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例10的区别之处在于，合金钢原料中的混合稀土金属丝的直径为3.2mm。
实施例13
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例10的区别之处在于，合金钢原料中的混合稀土金属丝的直径为4mm。
对比例
对比例1
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中的混合稀土金属丝等量替换为稀土Re金属丝，且直径为2.5mm。
对比例2
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中的混合稀土金属丝等量替换为稀土Ce金属丝，且直径为2.5mm。
对比例3
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中未添加混合稀土金属丝。
对比例4
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中的预熔渣等量替换为CaO-SiO2-Al2O3三元渣，且预熔渣中的CaO的添加量为预熔渣总重的30wt％，SiO2的添加量为预熔渣总重的35wt％，Al2O3的添加量为预熔渣总重的35wt％。
对比例5
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中未添加预熔渣。
对比例6
一种高纯净度的高碳合金钢，其和实施例1的区别之处在于，合金钢原料中未添加混合稀土金属丝、预熔渣。
性能检测试验
对实施例1-13和对比例1-6中的高碳合金钢进行下述性能检测：高碳合金钢原料中氧含量为40ppm，氮含量为20ppm，硫含量为10ppm。
氧含量：依据GB/T26416.5-202x《稀土铁合金化学分析方法第5部分：氧量的测定脉冲-红外吸收法》对氧含量进行测定，检测结果如表4所示。
氮含量：依据GB/T223.37-2020《钢铁及合金氮含量的测定蒸馏分离靛酚蓝分光光度法》对氮含量进行测定，检测结果如表4所示。
硫含量：依据GB/T26416.7-2021《稀土铁合金化学分析方法第7部分：碳、硫量的测定高频-红外吸收法》对硫含量进行测定，检测结果如表4所示。
晶粒度：依据GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》对晶粒度进行测定，检测结果如表4所示。
中心疏松等级：依据GB/T3077-1988《合金结构钢技术条件》对中心疏松等级进行测定，检测结果如表4所示。
偏析等级：依据GB/T3077-1988《合金结构钢技术条件》对偏析等级进行测定，检测结果如表4所示。
表4检测结果
结合实施例1-13和对比例6可以看出，本申请的高碳合金钢，通过各原料之间的协同作用，不仅能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，还能够降低合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，有助于提高合金钢的纯净度，其中，氧含量为2.5-4.0ppm，氮含量为1.3-3.2ppm，硫含量为1.8-2.9ppm，晶粒度为7.5-10.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级。
结合实施例1和对比例1-3可以看出，实施例1中合金钢的氧含量为4.0ppm，氮含量为3.2ppm，硫含量为2.9ppm，晶粒度为7.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于对比例1-3，表明合金钢中加入混合稀土金属丝更为合适，不仅能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，还能够降低合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，提高了合金钢的纯净度。
结合实施例1和对比例4-5可以看出，实施例1中合金钢的氧含量为4.0ppm，氮含量为3.2ppm，硫含量为2.9ppm，晶粒度为7.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于对比例4-5，表明合金钢中加入CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MnO五元渣更为合适，能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，使合金钢保持优良的心部质量，还降低了合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，进而提高了合金钢的纯净度。
结合实施例1和对比例6可以看出，实施例1中合金钢的氧含量为4.0ppm，氮含量为3.2ppm，硫含量为2.9ppm，晶粒度为7.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于对比例6，表明合金钢中一并加入混合稀土金属丝和CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MnO五元渣更为合适，能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，使合金钢保持优良的心部质量，还降低了合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，进而提高了合金钢的纯净度。
结合实施例1-5可以看出，实施例5中合金钢的氧含量为3.4ppm，氮含量为2.3ppm，硫含量为2.4ppm，晶粒度为8.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于其他实施例，表明实施例5中的混合稀土金属丝的添加量更为合适，不仅使合金钢保持较优的心部质量和晶粒度，还有效降低了合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，提高了合金钢的纯净度。
结合实施例6-8可以看出，实施例8中合金钢的氧含量为2.9ppm，氮含量为1.7ppm，硫含量为2.1ppm，晶粒度为9.0级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于其他实施例，表明实施例8中的预熔渣的添加量更为合适，不仅使合金钢保持较优的心部质量和晶粒度，还有效降低了合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，提高了合金钢的纯净度。
结合实施例9-11可以看出，合金钢中除混合稀土金属丝和预熔渣外的其他原料的添加量对合金钢的性能没有太大影响。
结合实施例10、实施例12-13可以看出，实施例12中合金钢的氧含量为2.4ppm，氮含量为1.3ppm，硫含量为1.8ppm，晶粒度为10.5级，中心疏松等级为1级，偏析等级为1级，优于其他实施例，表明混合稀土金属丝的直径选择3.2mm更为合适，能够使合金钢保持较优的晶粒度、中心疏松等级和偏析等级，使合金钢保持优良的心部质量，还降低了合金钢中的氧含量、氮含量和硫含量，进而提高了合金钢的纯净度。
上述具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高纯净度的高碳合金钢，其特征在于：其包括以下重量百分含量的原料：碳0.8-0.95%、硅0.45-0.65%、锰0.55-0.7%、铬0.1-0.35%、钒0.05-0.12%、钛0.01-0.05%、镍0.01-0.05%、混合稀土金属丝0.1-0.3%、预熔渣0.2-0.8%、脱氧脱硫剂0.1-0.5%、余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高纯净度的高碳合金钢，其特征在于：其包括以下重量百分含量的原料：碳0.86-0.9%、硅0.5-0.6%、锰0.58-0.62%、铬0.15-0.28%、钒0.06-0.09%、钛0.02-0.04%、镍0.02-0.04%、混合稀土金属丝0.15-0.25%、预熔渣0.4-0.6%、脱氧脱硫剂0.2-0.3%、余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高纯净度的高碳合金钢，其特征在于：所述混合稀土金属丝为ReCe-48。
4.根据权利要求3所述的一种高纯净度的高碳合金钢，其特征在于：所述混合稀土金属丝的直径为2.5-4mm。
5.一种如权利要求1-4任一所述的高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将铁熔化，加入碳、硅、锰、铬、钒、钛、镍，混合均匀，得到钢水，加入混合稀土金属丝，混合均匀后，保温，得到混合液A；
S2：将混合液A进行真空处理，进行第一次精炼，得到混合液B；
S3：待混合液B冷却后，向混合液B中加入预熔渣，且在电磁场的作用下进行第二次精炼，扒渣后，得到混合液C；
S4：待混合液C冷却后，向混合液C中加入脱氧脱硫剂，混合均匀，浇筑后得到高碳合金钢。
6.根据权利要求5所述的一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于：步骤S2中真空处理的真空度为0.05-1.25Pa。
7.根据权利要求5所述的一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于：步骤S3中的预熔渣为CaO - SiO2 - Al2O3 -TiO2-MnO五元渣。
8.根据权利要求7所述的一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于：所述预熔渣中的CaO的添加量为预熔渣总重的5-15wt%，SiO2 的添加量为预熔渣总重的3-20wt%，Al2O3的添加量为预熔渣总重的10-30wt%，TiO2的添加量为预熔渣总重的10-50wt%，MnO的添加量为预熔渣总重的8-25wt%。
9.根据权利要求5所述的一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于：所述脱氧脱硫剂为铝酸钙。
10.根据权利要求5所述的一种高纯净度的高碳合金钢的生产工艺，其特征在于：步骤S4中在加入脱氧脱硫剂时，通入氩气保护。
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