CN117512270A - 炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，涉及冶金领域。炉外精炼钢液的方法包括两种：电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件；电炉氧化钢液→钢包炉精炼→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，所述纯净度评价的工艺方法包括：在炉外精炼过程中，每一钢种进行2‑5炉钢试验，在钢包回归到加热工位或加完最后一批次合金后5‑15min，不同炉钢吹惰性气体的流量不同，每一炉钢固定吹惰性气体流量，以间隔时间为5‑10min对出钢前的钢液进行取样，每一炉钢取5‑10个样作为试样，分析试样中的氧含量和夹杂物含量，从而获取最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。该工艺可以生产出氧含量低、夹杂物含量低的纯净钢水。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体涉及炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法。
背景技术
炉外精炼是一种炼钢过程中的技术，是将初炼过的钢液从转炉、平炉或电炉中移至另一个容器中进行精炼的冶金过程，也称“钢包冶金”或“二次冶金”。炉外精炼主要分为以下步骤：初炼：在转炉、平炉或电炉中进行初炼，熔化钢料、脱磷、脱碳、去除非金属夹杂物和主合金化，以获得初炼钢液。精炼：将初炼的钢液倒入真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和成分微调等。浇注：精炼完成后，根据需要将钢液浇注到铸模中，得到所需形状和规格的钢锭或钢材。
在机械制造行业或者冶金行业，评价精炼后钢液的纯净度往往依靠钢中氧含量、钢水对应的铸锻件产品的UT、MT、PT探伤，以及力学性能等指标间接的检验。氧含量虽然能实时取样分析，针对分析结果实时调整工艺，进行脱氧操作，满足相关产品的检验标准，则认为是合格的、纯净的；不满足则认为是不纯净的，但是探伤及力学性能却是事后检验，即使不满足标准要求，也无法处理，这时就会给制造企业带来废品损失，严重影响企业的盈利能力和企业形象。
炉外精炼过程中，氩气流量的调整在搅拌的阶段对钢渣反应、熔化、夹杂物上浮等都起着重要作用。当氩气流量较低时，氩气对钢渣的搅拌作用较弱，不利于钢渣反应的进行；而当氩气流量较高时，氩气对钢渣的搅拌作用增强，有利于钢渣反应的进行。另外，氩气流量的调整还影响氩气喷粉的阶段。当氩气流量较低时，氩气载体不足以将脱硫剂、脱氧剂带入熔池内部，会影响脱硫、脱氧效果；而当氩气流量较高时，氩气载体能够将脱硫剂带入熔池内部，有利于脱硫效果的实现。
钢包炉精炼过程出钢时间过短，会使钢水中的杂质没有充分去除，影响钢的质量；出钢时间过长，使钢水中的合金元素烧损、冶炼效率降低等，同样会影响钢的质量和成本的问题。因此，在钢包炉精炼过程中，要根据钢水的成分和纯净度要求，合理控制出钢时间。
因此，在炉外精炼过程中，氩气流量和出钢时间的控制至关重要，而现有技术中并没有在炉外精炼过程中如何控制氩气流量和出钢时间来提高钢锭质量的具体方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，用该方法可以指导炉外精炼钢液纯净度的控制。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，炉外精炼钢液的方法包括两种：第一种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，第二种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，其特征在于，所述纯净度评价的工艺方法包括：在炉外精炼过程中，每一钢种进行2-5炉钢试验，在钢包回归到加热工位或加完最后一批次合金后5-15min，不同炉钢吹惰性气体的流量不同，每一炉钢固定吹惰性气体流量，以间隔时间为5-10min对出钢前的钢液进行取样，每一炉钢取5-10个样作为试样，分析试样中的氧含量和夹杂物总量，从而获取最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
在一个具体实施方式中，吹惰性气体流量的范围为15L/min-60L/min；优选的，吹惰性气体流量的范围为30L/min-45L/min；钢包吨位控制在20-160t；优选的，钢包吨位控制在55-160t；出钢前钢液温度控制在1450℃-1650℃；钢包炉精炼采用底吹惰性气体；真空脱气处理时采用蒸汽喷射泵或者机械泵。
在一个具体实施方式中，取样时的间隔时间固定；对于经过真空脱气处理的钢液，取样是以钢包回归到加热工位为起点取样；对于不经过真空脱气处理的钢液，以加完最后一批次合金后5-15min为起点取样。
在一个具体实施方式中，每一钢种进行3炉钢试验，3炉钢的钢包炉精炼过程吹惰性气体流量分别为30L/min、35L/min、40L/min，每炉钢以间隔时间为5min对出钢前的钢液进行取样，每炉钢共取8个样。
在一个具体实施方式中，取样的步骤是：将样杯插入出钢前的钢液，装满钢液后拿出，冷却后脱出试样，控制试样长度为60-130mm。
在一个具体实施方式中，所述样杯内长为80-150mm，底部直径为30-50mm，上部直径为50-80mm。
在一个具体实施方式中，将所述试样加工成直径为5mm，长度＞30mm的小试棒，分析氧含量，即为取样时的钢液的氧含量。
在一个具体实施方式中，将所述试样统一加工成直径为25mm，长度为60-120mm的小试棒，同一炉次试样长度相同，采用电解法分析夹杂物总量。
在一个具体实施方式中，将所述试样加工成20*20*20mm的金相试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20-50个视场照片，同一炉次每个试样照片张数相同，再对每个试样上的夹杂物统计计算表面积或者总长度，用表面积或者总长度代表夹杂物的总量。
在一个具体实施方式中，以取样的时间为X轴，以每个试样的夹杂物总量或氧含量为Y轴，做夹杂物总量或氧含量分布曲线，分析不同吹惰性气体流量下，夹杂物总量或氧含量的分布规律，得到最佳的吹惰性气体流量下夹杂物和氧含量的分布曲线，从而获得最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
在分布曲线中，如果找到夹杂物总量或者氧含量的低点，以及夹杂物总量或者氧含量趋于平稳的初始点，则为最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
否则需要增加试验验证方案，一是增加其他吹惰性气体流量，例如已经试验的吹氩气流量是30L/min、35L/min、40L/min，就需要增加分别为25L/min或者45L/min的试验方案，直到找到夹杂物总量或者氧含量的低点，以及夹杂物总量或者氧含量趋于平稳的初始点为止。二是，在每一种氩气流量下，增加2-4个取样点，直到找到夹杂物总量或者氧含量趋于平稳的初始点为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，该方法分析吹惰性气体流量、出钢时间与夹杂物以及氧含量的分布规律，得到最佳的吹氩/吹氮参数和最佳出钢时间，达到提高钢液纯净度的目的。
附图说明
图1为实施例1中20SiMn钢种炉外精炼钢液的夹杂物总量与氩气流量以及取样时间之间的关系图；
图2为实施例中20SiMn钢种炉外精炼钢液的氧含量与氩气流量以及取样时间之间的关系图；
图3为实施例2中30Cr2Ni4MoV钢种炉外精炼钢液的夹杂物总量与氩气流量以及取样时间之间的关系图；
图4实施例2中30Cr2Ni4MoV钢种炉外精炼钢液的氧含量与氩气流量以及取样时间之间的关系图；
图5为实施例3中Cr5钢种钢种炉外精炼钢液的夹杂物总量与氩气流量以及取样时间之间的关系图；
图6为实施例3中Cr5钢种钢种炉外精炼钢液的氧含量与氩气流量以及取样时间之间的关系图。
具体实施方式
本发明提供了炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，炉外精炼钢液的方法包括两种：第一种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，第二种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，所述纯净度评价的工艺方法包括：在炉外精炼过程中，每一钢种进行2-5炉钢试验，在钢包回归到加热工位或加完最后一批次合金后5-15min，不同炉钢吹惰性气体的流量不同，每一炉钢固定吹惰性气体流量，以间隔时间为5-10min对出钢前的钢液进行取样，每一炉钢取5-10个样作为试样，分析试样中的氧含量和夹杂物总量，从而获取最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
本发明适用于所有经过真空脱气处理或者没有真空脱气处理的钢液的纯净度评价。当进行真空脱气处理时，所述吹惰性气体流量指的是钢包回归到加热工位后的吹惰性气体流量；当不进行真空脱气处理时，所述吹惰性气体流量指的是加完最后一批次合金后5-15min的吹惰性气体流量。
本发明在炉外精炼钢液过程中，通过控制钢种重复试验次数(吹惰性气体流量不同)、取样的时间间隔以及取样个数，对出钢前的钢液试样中氧含量和夹杂物含量进行综合评价分析，用试样的氧含量和夹杂物含量代表取样时钢液的氧含量和夹杂物含量，得到吹惰性气体流量、出钢时间与氧含量和夹杂物含量的分布规律，从而获得最佳的吹氩/吹氮参数、最佳出钢时间，达到提高钢液纯净度的目的。
惰性气体可以选用氩气、氮气、一氧化碳、水蒸气、空气等等不参与反应的气体。
在一个具体实施方式中，钢包炉精炼过程吹惰性气体流量的范围为15L/min-60L/min；优选的，钢包炉精炼过程吹惰性气体流量的范围为30L/min-45L/min；钢包吨位控制在20-160t；优选的，钢包吨位控制在55-160t；出钢前钢液温度控制在1450℃-1650℃之间；钢包炉精炼采用底吹惰性气体；真空脱气处理时采用蒸汽喷射泵或者机械泵。
吹惰性气体流量可以根据钢包吨位大小进行调整，钢包吨位小取下限，钢包吨位大取上限。
在一个具体实施方式中，取样时的间隔时间固定；对于经过真空脱气处理的钢液，取样是以钢包回归到加热工位为起点取样；对于不经过真空脱气处理的钢液，以加完最后一批次合金后5-15min为起点取样。
取样时的间隔时间固定是为了排除试验中时间不固定所带来的样本偏差。
在一个具体实施方式中，每一钢种进行3炉钢试验，3炉钢的钢包炉精炼过程吹惰性气体流量分别为30L/min、35L/min、40L/min，每炉钢以间隔时间为5min对出钢前的钢液进行取样，每炉钢共取8个样。
在一个具体实施方式中，取样的步骤是：将样杯插入出钢前的钢液，装满钢液后拿出，冷却后脱出试样，控制试样长度为60-130mm。
在一个具体实施方式中，所述样杯内长为80-150mm，底部直径为30-50mm，上部直径为50-80mm。
样杯的底部及上部直径选取遵循斜度控制原则。
在一个具体实施方式中，将所述试样加工成直径为5mm，长度＞30mm的小试棒，分析氧含量，即为取样时的钢液的氧含量。
氧含量的分析可以采用氧氮仪或者氢氧氮仪。
在一个具体实施方式中，将所述试样统一加工成直径为25mm，长度为60-120mm的小试棒，同一炉次试样长度相同，采用电解法分析夹杂物总量。
在一个具体实施方式中，将所述试样加工成20*20*20mm的金相试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20-50个视场照片，同一炉次每个试样照片张数相同，再对每个试样上的夹杂物统计计算表面积或者总长度，用表面积或者总长度代表夹杂物的总量。
在一个具体实施方式中，以取样的时间为X轴，以每个试样的夹杂物总量或氧含量为Y轴，做夹杂物总量或氧含量分布曲线，分析不同吹惰性气体流量下，夹杂物总量或氧含量的分布规律，得到最佳的吹惰性气体流量下夹杂物和氧含量的分布曲线，从而获得最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例炉外精炼钢液的钢种是20SiMn，炉外精炼钢液的步骤为：电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件。
本实施例的钢种重复做3炉钢，钢包吨位控制在160t。具体如下：
第一炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在30L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
第二炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在35L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
第三炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在40L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
3炉钢共24个样，加工成20*20*20的标准试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20个视场100X照片，再对每个试样上的夹杂物统计计算长度，用总长度代表夹杂物的总量，进行夹杂物分析，将得到的数据进行绘图，见图1。
通过图1可以得出，随着吹氩时间的延长，夹杂物总量呈下降趋势，但是达到一定时间后，夹杂物变化趋势大幅降低。不同氩气流量下，夹杂物水平有差异，总的来说氩气流量在35L/min，搅拌30min夹杂物水平最低，为最佳出钢时间点，钢液纯净度最佳。
再把取样的样品加工成直径为5mm，长度55mm的小试棒，分析氧含量，将得到的数据进行绘图，见图2。
由图2可知：氩气流程在35L/min时，吹氩30min时，氧含量最低，为初始条件下的最佳出钢参数。
为了验证不同氩气流量下夹杂物变化规律的再现性，再重复以上试验，每一种氩气流量进行一次重复，再得到24个试样，重复上述夹杂物长度的分析方法，得到同图1的图，并进行方差和中位数的比较分析，即用每一种氩气流量下、同样时长的搅拌时间试样中夹杂物总长或者氧含量的方差进行比较，中位数和氧含量同时小的即为最佳出钢条件。
实施例2
本实施例炉外精炼钢液的钢种是30Cr2Ni4MoV，炉外精炼钢液的步骤为：电炉氧化钢液→钢包炉精炼→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件。
本实施例的钢种重复做3炉钢，钢包吨位控制在55t。具体如下：
第一炉钢：在钢包炉精炼过程中，加完最后一批次合金后8min，将氩气流量控制在30L/min保持至出钢，加完最后一批次合金后8min，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够7个样，结束取样。
第二炉钢：在钢包炉精炼过程中，加完最后一批次合金后8min，将氩气流量控制在35L/min保持至出钢，加完最后一批次合金后8min，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够7个样，结束取样。
第三炉钢：在钢包炉精炼过程中，加完最后一批次合金后8min，将氩气流量控制在40L/min保持至出钢加完最后一批次合金后8min，，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够7个样，结束取样。
3炉钢共21个样，加工成20*20*20的标准试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20个视场100X照片，再对每个试样上的夹杂物统计计算长度，用总长度代表夹杂物的总量，进行夹杂物分析，将得到的数据进行绘图，见图3。
通过图3可以得出，随着吹氩时间的延长，夹杂物总量呈下降趋势，但是达到一定时间后，夹杂物变化趋势大幅降低。不同氩气流量下，夹杂物水平有差异，总的来说氩气流量在35L/min，搅拌25min夹杂物水平最低，为最佳出钢时间点，钢液纯净度最佳。
再把取样的样品加工成直径为5mm，长度55mm的小试棒，分析氧含量，将得到的数据进行绘图，见图4。
由图4可知：氩气流程在35L/min时，吹氩25min时，氧含量最低，为初始条件下的最佳出钢参数。
实施例3
本实施例炉外精炼钢液的钢种是Cr5，炉外精炼钢液的步骤为：电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件。
本实施例的钢种重复做4炉钢，钢包吨位控制在145t。具体如下：
第一炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在30L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
第二炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在35L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
第三炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在40L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
第四炉钢：在真空脱气处理时，钢渣充分搅拌、混合，真空结束前，将氩气流量控制在45L/min保持至出钢，真空结束后钢渣迅速分离，钢包回到真空工位后，立即取第一个样，并计时；间隔5min后立即取第二个样，并计时；重复以上操作，直到取够8个样，结束取样。
4炉钢共32个样，加工成20*20*20的标准试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20个视场100X照片，再对每个试样上的夹杂物统计计算长度，用总长度代表夹杂物的总量，进行夹杂物分析，将得到的数据进行绘图，见图5。
通过图5可以得出，随着吹氩时间的延长，夹杂物总量呈下降趋势，但是达到一定时间后，夹杂物变化趋势大幅降低。不同氩气流量下，夹杂物水平有差异，总的来说氩气流量在40L/min，搅拌30min夹杂物水平最低，为最佳出钢时间点，钢液纯净度最佳。
再把取样的样品加工成直径为5mm，长度55mm的小试棒，分析氧含量，将得到的数据进行绘图，见图6。
由图6可知：氩气流程在40L/min时，吹氩30min时，氧含量最低，为初始条件下的最佳出钢参数。
当氧含量和夹杂物总量分布曲线不一致，获得最佳氩气流量和最佳出钢时间的依据主要参考夹杂物曲线，因为夹杂物是对钢水纯净度直观的评价，而氧含量则是一个间接的评价方法，其影响因素更多，带来的不确定性也更多，所以在夹杂物和氧量评价不一致时采用夹杂物的参数作为评价指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，炉外精炼钢液的方法包括两种：第一种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→真空脱气处理→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，第二种是电炉氧化钢液→钢包炉精炼→精确调整成分、温度→出钢浇注铸锻件，其特征在于，所述纯净度评价的工艺方法包括：在炉外精炼过程中，每一钢种进行2-5炉钢试验，在钢包回归到加热工位或加完最后一批次合金后5-15min，不同炉钢吹惰性气体的流量不同，每一炉钢固定吹惰性气体流量，以间隔时间为5-10min对出钢前的钢液进行取样，每一炉钢取5-10个样作为试样，分析试样中的氧含量和夹杂物总量，从而获取最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
2.根据权利要求1所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，吹惰性气体流量的范围为15L/min-60L/min；优选的，吹惰性气体流量的范围为30L/min-45L/min；钢包吨位控制在20-160t；优选的，钢包吨位控制在55-160t；出钢前钢液温度控制在1450℃-1650℃；钢包炉精炼采用底吹惰性气体；真空脱气处理时采用蒸汽喷射泵或者机械泵。
3.根据权利要求1所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，取样时的间隔时间固定；对于经过真空脱气处理的钢液，取样是以钢包回归到加热工位为起点取样；对于不经过真空脱气处理的钢液，以加完最后一批次合金后5-15min为起点取样。
4.根据权利要求1所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，每一钢种进行3炉钢试验，3炉钢的钢包炉精炼过程吹惰性气体流量分别为30L/min、35L/min、40L/min，每炉钢以间隔时间为5min对出钢前的钢液进行取样，每炉钢共取8个样。
5.根据权利要求1所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，取样的步骤是：将样杯插入出钢前的钢液，装满钢液后拿出，冷却后脱出试样，控制试样长度为60-130mm。
6.根据权利要求5所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，所述样杯内长为80-150mm，底部直径为30-50mm，上部直径为50-80mm。
7.根据权利要求5所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，将所述试样加工成直径为5mm，长度＞30mm的小试棒，分析氧含量，即为取样时的钢液的氧含量。
8.根据权利要求5所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，将所述试样统一加工成直径为25mm，长度为60-120mm的小试棒，同一炉次试样长度相同，采用电解法分析夹杂物总量。
9.根据权利要求5所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，将所述试样加工成20*20*20mm的金相试样，经过打磨、抛光后，在显微镜下，按照顺时针或者逆时针方向观察试样，连续拍20-50个视场照片，同一炉次每个试样照片张数相同，再对每个试样上的夹杂物统计计算表面积或者总长度，用表面积或者总长度代表夹杂物的总量。
10.根据权利要求5所述的炉外精炼钢液纯净度评价的工艺方法，其特征在于，以取样的时间为X轴，以每个试样的夹杂物总量或氧含量为Y轴，做夹杂物总量或氧含量分布曲线，分析不同吹惰性气体流量下，夹杂物总量或氧含量的分布规律，得到最佳的吹惰性气体流量下夹杂物和氧含量的分布曲线，从而获得最佳的吹惰性气体流量和最佳的出钢时间。
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