CN116875871A - 一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空感应熔炼技术领域，尤其涉及一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征包括打结、包裹、顺序填加和熔炼，具体步骤如下：1)打结，坩埚打结位置在坩埚的中下部1/4处；2)包裹，将铋分为若干份，分别使用铁皮包裹完全；3)顺序填加，将铋放入料仓某一格后，在其后一格放入碎块状工业纯铁，料仓按前后顺序加料；4)熔炼，待除铋外其余合金均添加完毕后，关闭电源降温，钢水表面结膜，加入铁皮包裹后的铋块，立即再加入工业纯铁，使熔池上方钢液迅速降温凝固，送电加热；待熔池上方钢壳熔化，搅拌，然后迅速浇注成锭。本发明的优点是：铋以包裹的形式加入到钢中，减少因高温气化造成的挥发量，收得率达到85％以上。
Description
技术领域
本发明涉及真空感应熔炼技术领域，尤其涉及一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法。
背景技术
铋是一种密度大于钢的低熔点元素，密度为9.8g/cm3，其熔点为271.3℃，沸点约1560±5℃，在生产实践中，因为铅是有毒有害元素，铋常用来代替铅加入到易切削钢中，以提高钢钟的可切削加工性能。但由于其高密度、低熔点、低沸点和其在1600℃钢中的蒸汽压远高于铁的蒸气压的性质，致使铋加入钢水后出现收得率很低和元素分布不均匀的现象，尤其是在真空冶炼过程中，更容易发生挥发损失。
真空冶炼是采用真空感应炉在真空或保护气氛的条件下，完成对普通钢、特种钢、高温合金等材料的熔化、浇铸成型的冶金工艺过程，它能较好地控制合金成分，并具有电磁搅拌和强大的高真空脱气能力。使用真空炉冶炼含铋钢种时，因真空感应炉一般不进行造渣且处于真空密闭环境，所以常规的在中间包喂铋线的方式加铋合金无法使用，而加入铋合金后收得率很低，且铋含量的波动范围较大，还无法冶炼铋含量较高的钢种。本发明提供一种在真空感应炉冶炼钢水过程中加入金属铋的方法，其收得率能稳定保持在85％以上，且铋在钢中的分布均匀，能够满足科研工作中对含铋钢种的冶炼要求。
目前，常用的向钢水中加入铋的方式为在连铸中间包或结晶器喂铋线加入，或者直接加入铋合金或金属铋。公告号为CN 110205445的中国发明专利公开了一种在钢包加入金属铋的合金化方法，通过转炉冶炼并出钢至钢包中并在RH精炼处理；钢水在RH精炼结束后，随即进行底吹氩气；当观察到钢液面翻腾时，通过加料小车立即将包括铁皮的Bi金属加入到钢包指定区域，有多个盛铋容器时连续加入直至结束；在铋加入结束后继续底吹氩气2-3分钟；并要在不超过5秒内盛铋容器被钢水埋没已达到铋合金化的目的。该方法铋在头坯、中间坯、尾坯三者之间分布均匀，即铋的含量波动在±2％，铋的收得率稳定在40％。该方法可以使铋的分布均匀，但收得率过低。
公告号为CN108359768的中国发明专利公开了一种在钢包中进行铋合金化方法。该方法利用喂线机将金属铋以包芯线的方式喂入钢液,铋包芯线直径为8-14mm,钢质外皮的厚度为0.5-1.5mm,铋元素颗粒的直径为0-3mm。钢包开启底吹气搅拌，喂入温度在1600-1780℃之间,喂入速率为80-110m/min,喂入后继续搅拌3-8min。本发明避免了因金属铋熔沸点低、性质活泼造成的挥发、沉降及氧化损失大的问题,收得率达50％以上,有效降低了金属铋直接添加发生剧烈反应造成的飞溅危险和大量烟气污染。但使用真空感应炉冶炼，喂铋线操作实现起来较为复杂不易控制，且收得率也比较低。
公告号为CN112746215的中国发明专利公开了一种成分均匀的含低熔点高密度元素钢的冶炼方法；该方法在铋合金化前先进行冶炼和精炼，精炼过程中,冶炼钢液温度为1550℃-1650℃时,分至少3批次加入合金进行合金化,获得含合金元素的钢液；将含合金元素的钢液进行浇铸,获得钢锭；该方法通过控制冶炼钢液温度,保证合金在沸点附近加入到冶炼钢液,提高了元素的回收率,且分至少3批次加入合金进行合金化,有效的降低了反应喷溅程度。但该方法的铋的收得率较低。冶炼铋含量较高的钢种时较为困难。
公告号为CN103388050的中国发明专利公开了一种易切削钢液中低熔点金属铋的添加方法。其主要特征是铋添加前钢液表面加入足够厚的渣层,金属铋粉与铁粉(或满足冶炼钢成分要求的合金粉)以一定比例混合后作为铋源,并以喂线的方式添加到渣层下足够深的钢液中,铋源添加时及添加后始终吹入氩气进行软搅拌。该方法的喂线方式较为复杂，不适合真空感应炉冶炼，且包芯线加工成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，克服现有技术的不足，提高铋的收得率达到86％以上，且保证铋在钢中的分布均匀，能够冶炼高铋含量的钢种，能够满足生产和科研工作中对含铋钢种的使用要求。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，包括打结、包裹、顺序填加和熔炼，具体步骤如下：
1)打结，对真空感应炉使用的坩埚进行打结，保证其在熔化钢水过程中不开裂漏钢，坩埚打结位置在坩埚的中下部1/4处位置，与感应线圈的中部对齐；
2)包裹，取金属铋的粒度为2-15mm，将铋分为若干份，分别使用铁皮包裹完全，铁皮的包裹厚度为1-5mm，每份的铁皮包裹的厚度可以不同；
3)顺序填加，将用铁皮包裹好的铋放入真空感应炉上方料仓内，料仓内有多格放料区，将铋放入某一格后，在其后一格放入碎块状工业纯铁，料仓按前后顺序加料；
4)熔炼，按照正常的真空炉冶炼工序进行装料、熔化、精炼、合金化，待除铋外其余合金均添加完毕后，关闭电源降温到液相线以上10-25℃，此时钢水表面开始结膜，炉内压力在10000-90000pa，加入铁皮包裹后的铋块，铋块从加料斗高处掉落后直接进入到熔池内部不同深度，加入铋块后立即再加入工业纯铁碎块，致使熔池上方钢液迅速降温凝固，等待1-2min后，小功率送电；待熔池上方凝固的钢壳熔化后，再加电磁搅拌，然后迅速浇注成锭。
所述坩埚上端与感应圈上沿持平或者稍稍高出上沿5cm以内。
所述步骤2)中铁皮的单层厚度为2mm-7mm。
所述步骤2)中铁皮的材质为工业纯铁或者IF钢。
所述步骤3)中工业纯铁碎块的填加量m与坩埚尺寸的关系为：m>r2×3.14×0.01×ρ，式中：m为质量，单位为kg；r为坩埚内壁半径，单位为m；ρ为钢水密度，单位为kg/m3。
所述步骤4)中小功率送电的功率为设备电源有效功率的30％-60％。
所述步骤4)中电磁搅拌的功率为设备最大有效功率的80％-100％。
所述步骤4)中炉内压力为70000pa-80000pa。
本发明技术方案中因铋的密度较大，包裹后自身较重，从加料斗高处掉落后直接进入到熔池内，导致钢液温度下降，加入铋后随即加入大量工业纯铁碎块，使熔池上方钢液迅速降温凝固。铋表面因为包裹的铁皮尚未完全熔化，所以铋未参与合金化。等待1-2min后，小功率送电，此时因为坩埚打结的位置较高，在给电加热缓慢升温时，熔池中下方升温较快，熔池上方凝固处升温十分缓慢。所以铋块是在一个密闭的环境下进行合金化，且由于铋块尺寸较小，且在钢水中比较分散，合金化是依次进行，所以铋是缓慢的进行合金化，而气化部分的铋最终也会熔化在钢水中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)铋以包裹的形式加入到钢中，减少因高温气化造成的挥发量，使其收得率可以达到85％以上，最高可达到95％，并且没有喷溅和烟气污染；
2)钢水中铋的成分控制比较稳定，且可以稳定冶炼出高铋含量的钢种；
3)使用真空感应炉冶炼的钢锭铋的成分分布均匀，能够冶炼高铋含量的钢种，能够满足生产和科研工作中对含铋钢种的使用要求。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的具体实施例作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的具体实施例是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些具体实施例获得其他的具体实施例。
通常在此处具体实施例中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以无数种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在具体实施例中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
本发明一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，包括打结、包裹、顺序填加和熔炼，具体步骤如下：
1)打结，首先对真空感应炉使用的坩埚进行打结，保证其在熔化钢水过程中不开裂漏钢，坩埚与感应圈的相对位置与常规的不同，常规的坩埚摆放位置要保证钢水的高温搅拌区域在坩埚的中部，而本发明专利将坩埚打结位置上移，坩埚打结位置在坩埚的中下部1/4处位置，与感应线圈的中部对齐，使高温搅拌区域在坩埚的中下部1/4左右；
2)包裹，金属铋选择使用或破碎成粒度2-15mm，按照钢种中铋的含量计算铋的加入量，铋分为若干份，分别使用铁皮包裹完全，铁皮的包裹厚度为1-5mm，每份的铁皮包裹的厚度可以不同；
3)顺序填加，将包裹好的铋放入真空感应炉上方料仓，料仓内有多格放料区，可以实现连续加料功能，将铋放入某一格后，在其后一格放入碎块状工业纯铁，料仓按前后顺序加料；
4)熔炼，按照正常的真空炉冶炼工序进行装料、熔化、精炼、合金化，待除铋外其余合金均添加完毕后，关闭电源降温到液相线以上10-25℃，此时钢水表面开始结膜，炉内压力在10000-90000pa，最优压力值为80000pa，此时加入包裹后的铋块，因铋的密度较大，包裹后自身较重，从加料斗高处掉落后直接进入到熔池内部不同深度，导致钢液温度下降，加入铋后立即加入大量工业纯铁碎块，致使熔池上方钢液迅速降温凝固。此时，因为铋表面包裹的铁皮尚未完全熔化，所以铋未进行合金化。等待1-2min后，小功率送电，此时因为坩埚打结的位置较高，在给电加热缓慢升温时，熔池中下方升温较快，熔池上方凝固处升温十分缓慢。所以使铋块在一个密闭的环境下进行合金化，且由于铋块尺寸较小，且在钢水中比较分散，合金化依次进行，合金化过程是缓慢的，而气化部分的铋最终也会熔化在钢水中。待熔池上方凝固的钢壳熔化后，再加大功率电磁搅拌，然后迅速浇注成锭。
实施例1
本发明真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，实施例1应用到200kg真空感应炉冶炼含铋含量0.25％的某钢种中，坩埚内径275mm，具体步骤如下：
1)打结，对真空感应炉使用的坩埚进行打结，坩埚打结高度超过感应圈2cm，使高温搅拌区域在坩埚的中下部1/4左右；
2)包裹，将加入的金属铋512g分成9份，粒度小于15mm，使用厚度为0.5mm的工业纯铁皮包裹2层、3层、4层各三块；
3)顺序填加，将铁皮包裹好的铋放入到料仓中，后面料仓放10kg小块工业纯铁，按顺序填加；冶炼钢水总重设计为175kg。
4)熔炼，关闭真空感应炉门，抽真空后加热，熔化后进行精炼，加入其它合金后，保证炉内气压为70000pa，保护气氛为氩气。关闭加热电源降温到1540摄氏度，这时钢水表面开始结一层薄膜，此时加入铋块，铋块掉落到钢水深处，立即加小块工业纯铁，钢水上表面迅速凝固成壳，等待1分钟后小功率60千瓦送电升温，坩埚熔池中下部开始升温，而上部凝壳处升温缓慢，铋慢慢进行合金化，待熔池上方凝壳完全熔化后，使用设备的最大功率110千瓦电磁搅拌调整温度，迅速出钢。
将实施例1所冶炼的钢锭取样分析化验，铋的收得率为88％。
实施例2
本发明真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，实施例2应用到50kg真空感应炉冶炼含铋含量0.1％的某钢种中，坩埚内经为180mm，具体步骤如下：
1)打结，坩埚打结高度超过感应圈1cm，使高温搅拌区域在坩埚的中下部1/4左右；
2)包裹，将经计算需要加入的50g金属铋分成4份，粒度小于10mm，使用厚度为0.3mm的工业纯铁皮包裹2层、3层各二块，
3)顺序填加，将铁皮包裹好的铋放入到料仓中，后面料仓放4kg小块工业纯铁。冶炼钢水总重设计为45kg。
4)熔炼，关闭真空感应炉门，抽真空后加热，熔化后进行精炼，加入其它合金后，保证炉内气压为60000pa，保护气氛为氩气。关闭加热电源降温到1535摄氏度，这时钢水表面开始结一层薄膜，此时加入铋块，铋块掉落到钢水深处，立即加小块工业纯铁，钢水上表面迅速凝固成壳，等待2分钟后小功率30千瓦送电升温，坩埚熔池中下部开始升温，而上部凝壳处升温缓慢，铋慢慢进行合金化，待熔池上方凝壳完全熔化后，设备的最大功率70千瓦搅拌调整温度迅速出钢。
将实施例2所冶炼的钢锭取样分析化验，铋的收得率为91％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，包括打结、包裹、顺序填加和熔炼，具体步骤如下：
1)打结，对真空感应炉使用的坩埚进行打结，保证其在熔化钢水过程中不开裂漏钢，坩埚打结位置在坩埚的中下部1/4处位置，与感应线圈的中部对齐；
2)包裹，取金属铋的粒度为2-15mm，将铋分为若干份，分别使用铁皮包裹完全，铁皮的包裹厚度为1-5mm，每份的铁皮包裹的厚度可以不同；
3)顺序填加，将用铁皮包裹好的铋放入真空感应炉上方料仓内，料仓内有多格放料区，将铋放入某一格后，在其后一格放入碎块状工业纯铁，料仓按前后顺序加料；
4)熔炼，按照正常的真空炉冶炼工序进行装料、熔化、精炼、合金化，待除铋外其余合金均添加完毕后，关闭电源降温到液相线以上10-25℃，此时钢水表面开始结膜，炉内压力在负压10000pa-90000pa之间，分次加入铁皮包裹后的铋块，每次加入一份或几块份，铋块从加料斗高处掉落后直接进入到熔池内部不同深度，加入铋块后立即再加入工业纯铁碎块，致使熔池上方钢液迅速降温凝固，等待1-2min后，小功率送电；待熔池上方凝固的钢壳熔化后，再加电磁搅拌，然后迅速浇注成锭。
2.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述坩埚上端与感应圈上沿持平或者稍稍高出上沿5cm以内。
3.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤2)中铁皮的单层厚度为2mm-7mm。
4.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤2)中铁皮的材质为工业纯铁或者IF钢。
5.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤3)中工业纯铁碎块的填加量m与坩埚尺寸的关系为：m>r2×3.14×0.01×ρ，式中：m为质量，单位为kg；r为坩埚内壁半径，单位为m；ρ为钢水密度，单位为kg/m3。
6.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤4)中小功率送电的功率为设备电源有效功率的30％-60％。
7.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤4)中电磁搅拌的功率为设备最大有效功率的80％-100％。
8.根据权利要求1所述的一种真空感应炉熔炼钢水中金属铋的合金化方法，其特征在于，所述步骤4)中炉内压力为70000pa-80000pa。
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2023
- 2023-06-27 CN CN202310764658.9A patent/CN116875871A/zh active Pending
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