专利名称：一种通过钢水纯净化控制钢锭a偏析的方法
技术领域：
本发明涉及所有碳钢、合金钢等黑色金属材料的冶炼与浇注，具体为一种通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，应用于各种规格的圆锭、扁钢以及各种规格的普通连铸坯料、垂直大断面连铸坯料的制备。
背景技术：
钢锭制造过程中通常存在宏观偏析、大型非金属夹杂物、中心缩孔疏松等铸造缺陷，这些缺陷将严重影响锻件质量。宏观偏析特别是A偏析(连铸通常为V偏析，以下同)是最严重的缺陷，显著影响产品性能，而且无法通过后续工艺消除，因此迫切需要一种简单而实用的解决方法。近几年，国内炼钢设备不断升级与改进，但随着产品规格越来越大，对锻 件质量要求也在不断提高，因此产品合格率并没有大幅度提高，重要产品的合格率反而下降了，导致这种结果的最主要原因是钢锭或坯料中存在A偏析。A偏析区域存在大量的夹杂物，因此解决钢锭中的夹杂物缺陷意义重大。对于某些钢种(例如转子用钢)，A偏析中的Al2O3加MnS夹杂物将严重影响材料力学性能，成为裂纹源，因此减轻钢锭中的A偏析将有助于提高锻件质量。钢锭A偏析区富集C、S、P、氧化物、硫化物以及气体等，钢锭锻造后进行内部质量检测时，A偏析区往往成为缺陷区域，难以达到检测要求，从而增加了锻件的报废率，给生产钢锭、坯料的企业带来沉重的经济负担。按照国际现有理论，解决钢锭中A偏析的方法一般为加入外来冷却物质、外场处理或通过加强钢锭的外部冷却，实现钢锭或坯料的快速凝固，以达到减轻A偏析目的。但这些方法操作难度大，在大型钢锭或坯料制备过程难以实施。另外，这些方法在操作过程中可能带入外来大型夹杂物，直接能引起钢锭报废。因此，针对大型钢锭或者大断面连铸坯料，必须突破技术瓶颈，采用新技术解决A偏析问题。中国科学院金属研究所通过计算机模拟、X射线实时观察和实物解剖等可视化方法，发现A偏析的起源是夹杂物，主要为Al2O3加MnS，枝晶间流体缓慢流动将促进A偏析形成，但不是A偏析的根源。因此，通过钢水纯净化可以抑制A偏析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，解决钢锭制造过程中最主要宏观偏析缺陷问题，同时对控制黑色合金材料的夹杂物含量、分布、尺寸，减少金属液中的气体含量都具有很好的效果，最终显著减少直至消除钢锭中A偏析缺陷。本发明的技术方案是一种通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，包括以下步骤I)电炉出钢时，要求P彡O. 005wt%，严禁冶炼钢渣进入钢包内；同时，有害元素总含量< IOOppm ;钢水出炉过程中，添加氧化钙3-15kg/t钢水，同时添加铝< O. 5kg/t钢水，防止金属液沸腾；2)金属液预脱氧采用真空碳脱氧工艺，避免采用常规的铝脱氧剂，减少夹杂物，特别是氧化物夹杂的数量；3)利用LF炉精炼渣脱硫技术进行深脱硫，去除夹杂物，控制氧含量，要求S 彡 O.005wt% ；4)再通过VD真空脱气炉进行高真空脱气、尤其是脱氧去除夹杂，实现金属液冶炼纯净化，全氧含量< 15ppm,理想值< IOppm ;烧注过程采用惰性气体保护,或者在真空条件下浇注，进--步脱氧或者不增氧。所述步骤I)中，电炉出钢前应保证P彡O. 005wt%,同时保证在10-20min内没有P升高的现象，同时喷碳粉O. l-2kg/t钢水进行微脱氧。所述步骤I)中，有害元素为As、Sn、Sb、Bi、Pb。所述步骤I)中，钢水出炉过程中，添加铝小于O. 5kg/t钢水，或不添加铝。
所述步骤I)中，钢水出钢时采用偏心底出钢，或者倒换底漏包的方式进行，防止钢洛进入精炼钢包。所述步骤I)中，钢水出炉时添加的氧化钙与铝材料干燥，分2-10次进行添加。所述步骤2)中，预脱氧采用真空碳脱氧的工艺为将出钢后形成的钢渣全部去除后，按每吨钢水计，添加白灰Ca05-15kg/t钢水，C粉l-4kg/t钢水，萤石O. 5_5kg/t钢水，造新洛。所述步骤2)中，真空碳脱氧前钢包温度控制在1610-1650°C ;其中，真空度达到O. 25-5乇，并且保持10-30min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到30_100L/min。所述步骤3)中，进行预脱氧以后，利用LF精炼炉进行深脱硫工艺；其中，渣的化学成分与重量比例为 CaO :50-70%, SiO2 :6_10%，CaF2 :10-30%, Al2O3 :1_3%，Mg0〈6%，(FeO+MnO)〈O. 9%, Fe余量；出钢前保证钢渣中(FeO+MnO)总含量小于O. 9%的时间保持在30min以上，同时要求S ( O. 005wt% ;若冶炼过程达不到上述要求，则进行第二次真空碳脱氧。所述步骤4)中，将经过LF炉精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD真空脱气炉的真空度为O. 25-2乇，真空下利用40-100L/min的流量，从钢包底部吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为20-40min ;在浇注过程中，对于重量在30吨以上的特大型钢锭，采用真空浇注方式，达到进一步脱氧和脱气的目的；对于常压浇注，采用惰性气体进行封闭保护，防止增氧。本发明具有如下有益效果I.本发明通过对金属液进行纯净化控制，减少金属液中的夹杂和有害元素，同时降低了金属液中的硫含量、磷含量与氧含量，采用真空碳脱氧方法在真空下用碳进行脱氧，少铝或者无铝脱氧，避免了氧化产物，从而抑制或消除A偏析。这是提高钢锭质量的一种简单而实用的操作方法。2.本发明通过严格控制金属液的冶炼过程，防止冶炼钢渣进入精炼包而避免了精炼过程的回磷现象，防止磷含量的上升。通过本发明的精炼渣能够实现深脱硫工艺，将硫的含量控制在O. 005% (wt%，下同)以下，并且有利于降低冶炼时间。通过本发明的真空脱气炉(VD)冶炼工艺有利于降低金属液中的气体含量。通过上述技术的运用提高了金属液的纯净度，消除或抑制A偏析。与其它控制A偏析的方法相比，此方法实际操作性更强，是一种创新方法，对大断面钢锭和连铸坯具有特殊意义。3.本发明适用于所有吨位钢锭，连铸坯料的制备，对大断面、大吨位钢锭和坯料尤其有效。本发明运用范围广，显著提高钢锭以及坯料的内部质量。总之，通过本发明中的纯净化冶炼和浇注控制技术，减少金属液中的夹杂物以及气体含量，提高钢水纯净度，实现减轻或消除A偏析的目的，适用于所有碳钢、合金钢等黑色金属材料的冶炼，以及各种规格的圆锭、方锭以及各种规格的连铸坯料、垂直大断面连铸坯料的制备。
图I为500kg材质为45#钢锭低倍检验结果。图2为60吨材质为12Cr2Mol钢锭低倍检验结果。图3为45吨材质为12Cr2Mol钢锭低倍检验结果。
图4为100吨材质为30Cr2Ni4钢锭低倍检验结果。
具体实施例方式本发明通过钢水纯净化控制钢锭A偏析缺陷，开发纯净化冶炼控制技术，减少了金属液中的夹杂物，特别是氧化物，可有效解决钢锭、连铸坯料中的A偏析问题，提高坯料的内部质量，该方法主要包括I)电炉出钢时要求P彡O. 005wt%，避免钢渣进入钢包内。同时，对As、Sn、Sb、Bi、
Pb等有害元素进行控制，其总含量< lOOppm，每种有害元素含量< O. 006wt%。2)金属液预脱氧采用真空碳脱氧工艺，避免采用常规的铝脱氧剂，减少夹杂物数量。3)利用LF (精炼炉)进行深脱硫，去除夹杂物，控制氧含量，要求S < O. 005wt%。4)再通过VD (真空脱气炉)高真空进行脱氧、脱气、去除夹杂，实现金属液纯净化控制，使全氧含量< 15ppm,理想值< lOppm。实施例I浇注500kg砂型钢锭，材料为45#，采用真空电炉熔炼，电炉出钢前P=O. 003wt%,同时15min内没有P含量升高的现象，添加O. 5kg/t (千克/吨)钢水的碳粉进行预脱氧。As、Sn,Sb,Bi,Pb等有害元素总含量为80ppm，每种元素含量均彡O. 005wt%。钢水出炉时，添加氧化钙12kg/t钢水。钢水出炉时添加的氧化钙要求干燥，分4次进行添加。形成钢渣后，进行扒渣。将出钢后形成的钢渣全部去除，按每吨钢水计，添加白灰(CaO) 10kg/t钢水，C粉2kg/t钢水，萤石I. 5kg/t钢水，造新渣。钢包温度控制在1610°C进行真空碳脱氧工艺。其中，真空度达到O. 25乇，保持15min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到30L/min (升/分钟)。进行预脱氧以后，利用LF进行深脱硫工艺，其中渣的化学成分与重量含量为CaO 55%, SiO2 :8%，CaF2 :15%，Al2O3 1%, MgO :4%，(FeO+MnO) :0. 6%, Fe 余量；出钢前钢渣在 30min时(FeO+MnO)总含量为0. 7%，硫的含量为0. 005wt%。将经过LF精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD的真空度为0. 5乇，真空下利用70L/min的流量底吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为25min。真空浇注后，通过钢锭解剖结果可知，钢锭内部不存在A偏析，钢锭全氧量平均为8ppm,如图I所示。实施例2浇注60t钢锭，材料为12Cr2Mol，采用偏心底电炉出钢，避免钢渣进入钢包，电炉出钢前P=O. 003wt%,同时15min内没有P含量升高的现象，喷O. 5kg/t钢水的碳粉进行预脱氧。As、Sn、Sb、Bi、Pb等有害元素总含量为80ppm，每种元素含量均彡O. 005wt%。钢水出炉过程中，添加氧化钙10kg/t钢水，铝O. 2kg/t钢水。钢水出炉时添加的氧化钙与铝材料要求干燥，分3次进行添加。形成钢渣后，进行扒渣。将出钢后形成的钢渣全部去除，按每吨钢水计，添加白灰(Ca0)10kg/t钢水,C粉lkg/t钢水,萤石lkg/t钢水,造新洛。钢包温度控制在1620°C进行真空碳脱氧工艺。其中，真空度达到I乇，保持20min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到50L/min。进行预脱氧以后，利用LF进行深脱硫工艺，其中渣的化学成分与重量含量为 CaO 50%, SiO2 :7%，CaF2 :15%，Al2O3 :2%，MgO :4%，(FeO+MnO) :0. 7%，Fe 余量；出钢前钢渣在30min时(FeO+MnO)总含量为0. 7%，硫的含量为0. 004wt%。将经过LF精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD的真空度为I乇，真空下利用70L/min的流量底吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为25min。真空浇注后，通过钢锭解剖结果可知，钢锭内部不存在A偏析,钢锭全氧量平均为IOppm,如图2所示。实施例3
浇注45t钢锭，材料为12Cr2Mol，采用偏心底电炉出钢，避免钢渣进入钢包，电炉出钢前P的含量为0. 004wt%,同时Ilmin内没有P含量升高的现象，喷碳粉0. 8kg/t钢水进行预脱氧。As、Sn、Sb、Bi、Pb等有害元素总含量为70ppm,每种元素含量均;^ 0. 004wt%。钢水出炉过程中，添加氧化钙12kg/t钢水，铝0. 3kg/t钢水。钢水出炉时添加的氧化钙与铝材料要求干燥，分4次进行添加。形成钢渣后，进行扒渣。将出钢后形成的钢渣全部去除，按每吨钢水计，添加白灰(CaO) 9kg/t钢水，C粉2kg/t钢水，萤石2kg/t钢水，造新渣。钢包温度控制在1640°C进行真空碳脱氧工艺。其中，真空度达到I. 5乇，保持23min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到60L/min。进行预脱氧以后，利用LF进行深脱硫工艺，其中渣的化学成分与重量含量为 CaO 55%, SiO2 :9%，CaF2 :20%，Al2O3 :2%，MgO 5%, (FeO+MnO)0. 8%, Fe余量；出钢前钢渣在35min时(FeO+MnO)总含量为0. 8%，硫的含量为0. 005wt%。将经过LF精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD的真空度为0. 5乇，真空下利用70L/min的流量底吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为20min。通过钢锭解剖结果可知，钢锭内部不存在A偏析，钢锭全氧量平均为9ppm，如图3所示。实施例4浇注IOOt钢锭，材料为30Cr2Ni4，采用偏心底电炉出钢，避免钢渣进入钢包，电炉出钢前P的含量为0. 005wt%,同时15min内没有P含量升高的现象，碳粉喷3kg/t钢水进行预脱氧。As、Sn、Sb、Bi、Pb等有害元素总含量60ppm，每种元素含量均< 0. 005wt%。钢水出炉过程中，添加氧化钙15kg/t钢水，铝0. 25kg/t钢水。钢水出炉时添加的氧化钙与铝材料要求干燥，共分4次进行添加。形成钢渣后20min后进行扒渣。将出钢后形成的钢渣全部去除，按每吨钢水计，添加白灰(CaO) 12kg/t钢水，C粉lkg/t钢水,萤石4kg/t钢水,造新渣。钢包温度控制在1630°C进行真空碳脱氧工艺。其中，真空度达到I乇，保持25min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到80L/min。进行预脱氧以后，利用LF进行深脱硫工艺，其中渣的化学成分与重量含量为 CaO 60%, SiO2 :7%，CaF2 20%, Al2O3 :2%，MgO :4%，(FeO+MnO)0. 7%，Fe余量；出钢前钢渣在30min时(FeO+MnO)总含量为0. 7%，硫的含量0. 003wt%。将经过LF精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD的真空度为0. 5乇，真空下利用80L/min的流量底吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为25min。通过钢锭解剖结果可知，钢锭内部不存在A偏析，钢锭全氧量平均为lOppm，如图4所示。本发明工作过程及结果本发明通过对金属液的纯净化控制，减少金属液中的夹杂与气体含量，特别是氧化物含量。通过控制措施防止冶炼钢渣进入精炼包，避免了精炼过程的回磷现象，防止磷含量的上升。采用真空碳脱氧的方式避免了脱氧产物，减少了夹杂物含量，通过本发明的精炼渣能够实现深脱硫工艺，将硫的含量控制在O. 005wt%以下，并且有利于降低冶炼时间。通过本发明的VD冶炼工艺有利于降低气体含量。通过上述技术的运用提高了金属液的纯净度，消除或抑制A偏析。实施例的结果表明，与其它控制A偏析的方法相比，此方法在大型件中实际操作性更强。通过控氧纯净化冶炼技术，减少了金属液中的夹杂物，特别是氧化物含量，可有效 抑制或消除钢锭、连铸坯料中的A偏析缺陷，提高坯料的内部质量，是提高钢锭或者坯料质量的一种简单而实用的操作方法。本发明为大断面、大吨位钢锭和大断面连铸坯料A偏析控制提供了新途径，突破了 A偏析控制的技术瓶颈，也有利于凝固偏析理论的发展。
权利要求
1.一种通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，包括以下步骤 1)电炉出钢时，要求PS0. 005wt%，严禁冶炼钢渣进入钢包内；同时，有害元素总含量(IOOppm ;钢水出炉过程中，添加氧化钙3-15kg/t钢水，同时添加铝< 0. 5kg/t钢水，防止金属液沸腾； 2)金属液预脱氧采用真空碳脱氧工艺，避免采用常规的铝脱氧剂，减少夹杂物，特别是氧化物夹杂的数量； 3)利用LF炉精炼渣脱硫技术进行深脱硫，去除夹杂物，控制氧含量，要求S 彡 0.005wt% ； 4)再通过VD真空脱气炉进行高真空脱气、尤其是脱氧去除夹杂，实现金属液冶炼纯净化，全氧含量< 15ppm,理想值< IOppm ;烧注过程采用惰性气体保护,或者在真空条件下烧注，进一一步脱氧或者不增氧。
2.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤I)中，电炉出钢前应保证P彡0. 005wt%,同时保证在10-20min内没有P升高的现象，同时喷碳粉0. l-2kg/t钢水进行微脱氧。
3.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤I)中，有害元素为As、Sn、Sb、Bi、Pb。
4.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤I)中，钢水出炉过程中，添加铝小于0. 5kg/t钢水，或不添加铝。
5.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤I)中，钢水出钢时采用偏心底出钢，或者倒换底漏包的方式进行，防止钢渣进入精炼钢包。
6.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤I)中，钢水出炉时添加的氧化钙与铝材料干燥，分2-10次进行添加。
7.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤2)中，预脱氧采用真空碳脱氧的工艺为将出钢后形成的钢渣全部去除后，按每吨钢水计，添加白灰Ca05-15kg/t钢水，C粉l-4kg/t钢水，萤石0. 5_5kg/t钢水，造新渣。
8.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤2)中，真空碳脱氧前钢包温度控制在1610-1650°C ;其中，真空度达到0. 25-5乇，并且保持10-30min，真空保持过程中钢包氩气流量调整到30_100L/min。
9.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤3)中，进行预脱氧以后，利用LF精炼炉进行深脱硫工艺；其中，渣的化学成分与重量比例为 CaO :50-70%, SiO2 :6_10%，CaF2 :10-30%，Al2O3 :1_3%，Mg0<6%, (FeO+MnO)〈O. 9%, Fe余量；出钢前保证钢洛中(FeO+MnO)总含量小于0. 9%的时间保持在30min以上，同时要求S ( 0. 005wt% ;若冶炼过程达不到上述要求，则进行第二次真空碳脱氧。
10.按照权利要求I所述的通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，其特征在于，所述步骤4)中，将经过LF炉精炼之后的金属液进入VD真空脱气炉内冶炼，VD真空脱气炉的真空度为0. 25-2乇，真空下利用40-100L/min的流量，从钢包底部吹氩气进行搅拌，净化金属液，处理时间为20-40min ;在浇注过程中，对于重量在30吨以上的特大型钢锭，采用真空浇注方式，达到进一步脱氧和脱气的目的；对于常压浇注，采用惰性气体进行封闭保护，防止增氧。
全文摘要
本发明涉及所有碳钢、合金钢等黑色金属材料的冶炼与浇注，具体为一种通过钢水纯净化控制钢锭A偏析的方法，应用于各种规格的圆锭、扁钢以及各种规格的普通连铸坯料、垂直大断面连铸坯料的制备。电炉出钢时要求P含量≤0.005wt％，避免钢渣进入钢包内。金属液预脱氧采用真空碳脱氧工艺，少用或避免采用常规的铝脱氧剂，减少夹杂物数量。利用LF进行深脱硫、去除夹杂物、控制氧含量，要求硫的含量≤0.005wt％。再通过高真空进行脱氧、脱气去除夹杂，实现金属液纯净化控制，最后使全氧含量≤15ppm，理想值≤10ppm。本发明通过纯净化冶炼和浇注控制技术，减少金属液中的夹杂物，特别是氧化物含量可有效减少，直至消除钢锭、连铸坯料中A偏析问题，显著提高钢锭的内部质量。
文档编号C21C7/00GK102808062SQ20121025178
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者李殿中, 傅排先, 刘宏伟, 夏立军, 李依依 申请人:中国科学院金属研究所