CN117604194A

CN117604194A - 一种300M钢用真空自耗电极及其无Al脱氧精炼方法

Info

Publication number: CN117604194A
Application number: CN202410096558.8A
Authority: CN
Inventors: 王春旭; 刘雨; 韩顺; 雷斯敏; 耿如明; 厉勇
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2024-01-24
Filing date: 2024-01-24
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2044-01-24
Also published as: CN117604194B

Abstract

本申请涉及合金钢的技术领域，具体公开了一种300M钢用真空自耗电极及其无Al脱氧精炼方法。本申请公开的真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、浇铸；电炉冶炼出钢时：氩气流量为1.5‑2.5NL/min/吨钢，出钢量达到50‑90wt%时，加入高碱度低熔点精炼渣7‑10kg/吨钢；LF精炼：依次采用碳电极脱氧、钙处理脱氧；全程禁止采用铝脱氧。本申请利用上述精炼方法，降低了真空自耗电极的杂质元素和五害元素含量；利用该真空自耗电极制备300M钢材料，可以提高钢材纯净度，使钢获得优异的力学性能。

Description

一种300M钢用真空自耗电极及其无Al脱氧精炼方法

技术领域

本申请涉及合金钢的技术领域，具体涉及一种300M钢用真空自耗电极及其无Al脱氧精炼方法。

背景技术

作为现有民航飞机起落架主干材料，300M钢在服役过程中不断承受强烈的冲击载荷，因此其抗疲劳性能对其服役安全性和可靠性尤为重要。为了获得较高的纯净度，300M钢的生产过程中大多加入Al进行深度脱氧，现有的300M钢的标准中规定Al含量需＜0.03%。虽然加入Al可以显著提高钢液洁净度，降低T.O含量和夹杂物含量。但较高的Al含量形成了较多的Al₂O₃夹杂，研究表明，在循环载荷作用下，B类夹杂物与基体的结合界面处是疲劳性能的短板，易萌生疲劳裂纹。

此外，随着300M钢的应用范围越来越广、需求量越来越大，传统“双真空”工艺存在的设备投资大、周期长、成本高、规模小等问题凸显。在满足300M作为航空承力构件高纯净度、高组织均匀性要求的基础上，开发300M钢低成本化熔炼工艺需求迫切。

发明内容

针对现有300M钢双真空工艺成本高、规模小的问题，以及B类夹杂物损害300M钢疲劳性能的问题，本申请提供一种300M钢用真空自耗电极及其无Al脱氧精炼方法。

本申请提供了一种300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、浇铸制得所述真空自耗电极；

电炉冶炼的出钢过程中：钢包底吹氩气流量为1.5-2.5NL/min/吨钢，出钢量达到50-90wt%时，加入CaO/Al₂O₃比值为5.0-6.0的高碱度低熔点精炼渣7-10kg/吨钢；

LF精炼：采用0.2-0.4kg/吨钢的碳电极脱氧，钢包底吹氩气流量2.0-5.0NL/min/吨钢，时间15-20min；然后采用钙处理脱氧，钢包底吹氩气流量0.3-0.7NL/min/吨钢，软吹时间10-15min；

全程禁止采用铝脱氧。

本申请制备真空自耗电极的过程中，在LF精炼工艺中采用“前期碳电极脱氧+后期钙处理脱氧”的工艺，即前期采用碳电极脱氧，保证渣系的还原性，结合大流量底吹氩渣金界面反应，使得渣液界面反应剧烈，促使更充分地进行脱氧过程，同时促进大尺寸夹杂物上浮去除；然后后期采用钙处理脱氧，通过与软吹氩工序结合，喂钙线或者加入含钙硅铁合金促使Al₂O₃和MgO·Al₂O₃夹杂物改性转变为钙铝酸盐夹杂CaO-Al₂O₃-MgO，促进夹杂物去除，同时可以保护钢渣，避免大流量氩导致钢液的二次氧化。上述精炼方法采用全程无Al脱氧的工序，采用低含量Al₂O₃渣系，严格控制300M钢中[Al%]酸溶铝含量。经该方法冶炼的300M钢，杂质元素含量水平满足要求，且熔炼成本大幅度降低。

同时，本申请在二次精炼时，采用真空循环RH工艺强脱气，可以解决单真空工艺引起的气体含量偏高的问题。本申请采用了LF钢包精炼，进行脱硫、脱氧控制；配合后续的RH真空循环强脱气，实现了脱气（N、H）的冶金功能。

利用上述无Al脱氧精炼方法获得的真空自耗电极的铝、氧等杂质元素含量较少，且五害元素含量（Cd/Pb/Sb/Sn/As）较少，不仅有利于提高钢材纯净度，使得钢获得高强度、优异塑韧性和长低周疲劳寿命，而且能改善钢的热裂倾向，提升300M钢的热塑性以及焊接性能。

优选地，所述出钢步骤中：采用偏心炉底无渣出钢，使用滑板挡渣操作，钢包中渣厚度控制在3cm以下；所述高碱度低熔点精炼渣由以下重量百分比的组分组成：MgO 5-10%，SiO₂10-15%，CaF₂5%，剩余为CaO和Al₂O₃，且CaO/Al₂O₃比值为5.0-6.0。

优选地，所述出钢步骤中：钢包底吹氩气流量为1.5-2.5NL/min/吨钢，出钢量达到60-80wt%时，加入CaO/Al₂O₃比值为5.0-6.0的高碱度低熔点精炼渣7-10kg/吨钢；

优选地，所述碳电极脱氧步骤中：加入0.25-0.35kg/吨钢的碳粉或SiC进行脱氧，钢包底吹氩气流量3.0-4.0NL/min/吨钢。

在一个具体的实施方案中，所述碳电极脱氧步骤中：碳粉或SiC的加入量可以为0.2kg/吨钢、0.25kg/吨钢、0.3kg/吨钢、0.35kg/吨钢、0.40kg/吨钢。

在一个具体的实施方案中，所述碳电极脱氧步骤中：钢包底吹氩气流量可以为2.0NL/min/吨钢、3.0NL/min/吨钢、3.5NL/min/吨钢、4.0NL/min/吨钢、5.0NL/min/吨钢。

优选地，所述钙处理步骤中：钢液中T.Ca含量为0.0005-0.0030%，钢包软吹氩流量0.4-0.6NL/min/吨钢。

在一个具体的实施方案中，所述钙处理步骤中：钢液中T.Ca含量可以为0.0005%、0.0010%、0.0015%、0.0020%、0.0025%、0.0030%。

在一个具体的实施方案中，所述钙处理步骤中：钢包软吹氩流量可以为0.3NL/min/吨钢、0.4NL/min/吨钢、0.5NL/min/吨钢、0.6NL/min/吨钢、0.7NL/min/吨钢。

优选地，按照重量百分比计，所述LF精炼后的杂质元素成分满足以下条件时，在1680-1700℃温度下出钢：Al≤0.008%，Ti≤0.005%，S≤0.0015%，P≤0.010%，H≤0.0002%，N≤0.0030%，T.O≤0.0025%。

优选地，所述RH真空脱气步骤包括：底吹氩流量300-500NL/min，钢液循环流量60-80t/min；工作真空度为67-110Pa，真空处理时间30-45min；RH出钢温度1550-1600℃；按照重量百分比计，出钢杂质元素含量满足Al≤0.006%，Ti≤0.004%，S≤0.002%，P≤0.010%，H≤0.0001%，N≤0.0020%，T.O≤0.0015%。

进一步地，所述RH真空脱气步骤包括：底吹氩流量350-450NL/min，钢液循环流量65-75t/min；工作真空度为70-100Pa，真空处理时间30-45min。

第二方面，本申请提供了一种300M钢用真空自耗电极，利用上述无Al脱氧精炼方法制备得到。

优选地，按照重量百分比计，所述真空自耗电极的元素组成为：C 0.39-0.45%，Mn0.90-1.40%，Si 1.40-1.80%，Cr 0.70-0.95%，Ni 1.60-2.00%，Mo 0.30-0.50%，V 0.05-0.10%，Ca 0.0005-0.0030%，Cu≤0.2%，Al≤0.006%，Ti≤0.004%，S≤0.002%，P≤0.010%，H≤0.0001%，N≤0.0020%，T.O≤0.0020%，Cd≤0.0005%，Pb≤0.0015%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0100%，As≤0.0150%，余量为Fe。

第三方面，本申请提供了一种300M钢，将上述真空自耗电极经过真空自耗重熔获得。

综上所述，本申请的技术方案具有以下效果：

本申请通过采用无Al脱氧精炼方法，对出钢、LF精炼、RH真空脱气工艺进行设计优化，使各工艺参数之间进行良好配合，生产得到的真空自耗电极中的铝和氧杂质元素含量较低，且真空自耗电极的精炼加工工艺稳定性好，组织均匀性好。

利用本申请提供的技术方案获得的真空自耗电极，制备300M钢材料，可以提高钢材纯净度，使钢获得高强度、表面高硬度以及尺寸稳定性、超长接触疲劳寿命和较高弯曲疲劳强度。

与传统的采用真空感应+真空自耗重熔的双真空工艺相比，利用本申请生产的真空自耗电极为原材料，利用单真空自耗重熔工艺，以制备300M钢，可以大大减轻真空冶炼的工艺压力，且生产周期快，从而使得生产成本大幅度降低。

具体实施方式

以下结合实施例、对比例以及性能检测试验对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例

实施例1-3

实施例1-3分别提供了一种300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法。

上述实施例的不同之处在于：无Al脱氧精炼方法中工艺参数不同以及生产得到的电极元素组分不同，具体如表1所示。

上述实施例中真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法的具体步骤为：

（1）电炉冶炼

配料：使用40-80t的废钢、10-30t的生铁、10-30t钒铁、硅铁、镍板、铬铁、金属锰、钼铁其他原料（总量为100吨）进行电炉冶炼与合金成分微调；

熔化：初期按照吨钢加入石灰20kg造渣脱P，底吹氧流量30Nm³/h/吨钢，侧吹氧流量800NL/min/吨钢，石灰石喷吹流量为100kg/min，造泡沫渣埋弧冶炼；

氧化末期扒渣防止回磷，采用偏心底出钢；

出钢：控制P≤0.0080%，出钢温度1650-1670℃。

（2）出钢合金化到LF处理位成渣过程

LF处理预备期：电炉冶炼终点以及出钢钢水温度1650-1670℃，钢包底吹氩气流量为1.5-2.5NL/min/吨钢，出钢量50-90t时，钢包加入高碱度低熔点精炼渣（由以下重量百分比的组分组成：MgO 5-10%，SiO₂10-15%，CaF₂5%，剩余为CaO和Al₂O₃，且CaO/Al₂O₃比值为5.0-6.0）7-10kg/吨钢；

采用偏心炉底出钢，挡渣操作为使用滑板挡渣控制，防止氧化渣流入钢包，保证无渣出钢，将钢包中渣厚度控制在3cm以下。

（3）LF精炼

初炼钢液完全到站后，脱硫、去夹杂及合金微调，促进大尺寸夹杂物上浮去除，降低300M钢中夹杂物尺寸，具体步骤为：

出钢钢液至LF到位温度1600-1620℃，加入石灰造白渣脱硫，成分控制为CaO/SiO₂约3.0，插入碳电极升温，升温速率控制3-8℃/min，电极加热防止表面结壳；

LF处理过程控制钢包底吹氩气流量2.0-5.0NL/min/吨钢，时间15-20min；顶部覆盖精炼渣；

LF处理中期，进行一次扒渣处理，扒渣后加入石英0.3-0.5kg/吨钢和石灰1.0-2.0kg/吨钢进行渣系成分调整，造高碱度精炼白渣，白渣精炼期时间15-30min；高碱度精炼白渣由以下重量百分比的组分组成：CaO 55-60%、SiO₂15-20%、Al₂O₃10-15%、MgO 15-20%，强还原气氛下，高碱度炉渣可以实现进一步扩散脱硫、脱氧以及终点铝含量控制；同时采用0.25-0.35kg/吨钢的碳粉或SiC进行脱氧进行碳电极脱氧，保证渣系还原性，显著提高后续RH深脱气过程中的脱氧效率；

LF处理中后期，钢包底吹氩气流量0.3-0.7NL/min/吨钢，软吹时间10-15min；通过喂钙线（硅钙线、纯钙线或钙铁线）或者加入含钙硅铁合金（钙含量在0.1%以上）进行钙处理脱氧，有助于夹杂物改性和[Al%]酸溶铝降低；钙线加入量为将钢中T.Ca重量含量控制为0.0005-0.0025%，将钢中夹杂物改性为CaO/Al₂O₃/MgO；

精炼10min后取样测成分，依据成分结果依次加入硅铁、锰铁、镍铁等调节钢液成分；钢包底吹氩气流量0.2-0.45NL/min/吨钢，软吹时间15min；

精炼终点温度1680-1700℃，过程采用挡渣球进行挡渣处理；LF精炼后的杂质元素成分满足以下条件时，在1680-1700℃温度下出钢：Al≤0.008%，Ti≤0.005%，S≤0.0015%，P≤0.010%，H≤0.0002%，N≤0.0030%，T.O≤0.0025%。

（4）RH真空脱气

主要冶金功能是脱气（N、H）、夹杂物去除，可满足300M钢对终点铝含量控制的要求，具体步骤为：

出钢结束后立即向钢包渣面加入0.4-0.8kg/吨钢的渣料，底吹氩流量300-500NL/min，钢液循环流量60-80t/min；工作真空度为67-110Pa，真空处理时间30-45min；

RH出钢温度1550-1600℃，按照重量百分比计，出钢杂质元素含量满足Al≤0.006%，Ti≤0.004%，S≤0.001%，P≤0.010%，H≤0.0001%，N≤0.0020%，T.O≤0.0015%。

二次精炼完成进行浇钢，过程采用挡渣球进行挡渣处理。

（5）浇铸

VD精炼结束后，浇铸为铸锭得到电极，浇铸温度为1570±20℃。

表1 实施例1-3与对比例1中的具体工艺参数

实施例4-6

实施例4-6分别提供了一种300M钢。

上述实施例的不同之处在于：用于生产300M钢的真空自耗电极分别来源于实施例1-3。

上述实施例中300M钢的制备方法具体包括以下步骤：

将实施例1-3制备的电极将依次通过真空自耗重熔、锻造、热处理工艺，得到300M钢成品；其中，具体的工艺参数为：

真空自耗重熔工艺参数为：真空度≤0.4Pa，熔速6.5kg/min，时间48h；

锻造的工艺参数为：保温温度1080±20℃，历经四墩四拔后锻造；

热处理的工艺参数为：在880±10℃的温度下淬火，在220±10℃的温度下回火。

对比例

对比例1

本对比例提供了一种真空自耗电极的精炼方法。

本对比例与实施例2的不同之处在于：精炼方法中的工艺参数，具体如表1所示。

对比例2

本对比例提供了一种300M钢。

本对比例与实施例5的不同之处在于：用于生产300M钢的真空自耗电极来源于对比例1。

本对比例与实施例5中300M钢的制备方法相同。

性能检测试验

对实施例4-6与对比例2中300M钢成品进行化学成分分析和力学性能、夹杂物评级以及疲劳性能进行检测。

测定方法与检测结果：如表2所示。

表2 实施例4-6与对比例2中300M钢成品的化学成分分析和性能检测结果

结合表2的检测结果，可知，本申请提供了一种无Al脱氧精炼方法来制备真空自耗电极，作为用于生产300M钢的原料，本申请通过对LF+RH精炼工艺进行设计优化，并在LF精炼工艺中采用“碳电极脱氧+钙处理脱氧”的工艺，生产得到真空自耗电极，严格控制真空自耗电极中的铝含量和氧含量，提高钢材纯净度，进而制备300M钢棒材/锻件，使得钢获得高强度、优异塑韧性和较长的疲劳寿命。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、浇铸制得所述真空自耗电极；

全程禁止采用铝脱氧。

2.根据权利要求1所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，所述出钢步骤中：采用偏心炉底无渣出钢，使用滑板挡渣操作，钢包中渣厚度控制在3cm以下；所述高碱度低熔点精炼渣由以下重量百分比的组分组成：MgO 5-10%，SiO₂ 10-15%，CaF₂ 5%，剩余为CaO和Al₂O₃，且CaO/Al₂O₃比值为5.0-6.0。

3.根据权利要求1所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，所述碳电极脱氧步骤中：加入0.25-0.35kg/吨钢的碳粉或SiC进行脱氧，钢包底吹氩气流量3.0-4.0NL/min/吨钢。

4.根据权利要求1所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，所述钙处理步骤中：钢液中T.Ca含量为0.0005-0.0030%，钢包软吹氩流量0.4-0.6NL/min/吨钢。

5.根据权利要求1所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，按照重量百分比计，所述LF精炼后的杂质元素成分满足以下条件时，在1680-1700℃温度下出钢：Al≤0.008%，Ti≤0.005%，S≤0.0015%，P≤0.010%，H≤0.0002%，N≤0.0030%，T.O≤0.0025%。

6.根据权利要求1所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，所述RH真空脱气步骤包括：底吹氩流量300-500NL/min，钢液循环流量60-80t/min；工作真空度为67-110Pa，真空处理时间30-45min；RH出钢温度1550-1600℃；按照重量百分比计，出钢杂质元素含量满足Al≤0.006%，Ti≤0.004%，S≤0.002%，P≤0.010%，H≤0.0001%，N≤0.0020%，T.O≤0.0015%。

7.根据权利要求6所述300M钢用真空自耗电极的无Al脱氧精炼方法，其特征在于，所述RH真空脱气步骤包括：底吹氩流量350-450NL/min，钢液循环流量65-75t/min；工作真空度为70-100Pa，真空处理时间30-45min。

8.一种300M钢用真空自耗电极，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的无Al脱氧精炼方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的300M钢用真空自耗电极，其特征在于，按照重量百分比计，所述真空自耗电极的元素组成为：C 0.39-0.45%，Mn 0.90-1.40%，Si 1.40-1.80%，Cr 0.70-0.95%，Ni 1.60-2.00%，Mo 0.30-0.50%，V 0.05-0.10%，Ca 0.0005-0.0030%，Cu≤0.2%，Al≤0.006%，Ti≤0.004%，S≤0.002%，P≤0.010%，H≤0.0001%，N≤0.0020%，T.O≤0.0020%，Cd≤0.0005%，Pb≤0.0015%，Sb≤0.0015%，Sn≤0.0100%，As≤0.0150%，余量为Fe。

10.一种300M钢，其特征在于，将权利要求8-9任一项所述的真空自耗电极经过真空自耗重熔获得。