CN101798616B - 一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法 - Google Patents

一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢工艺方法，该方法是通过改进冶炼工艺，使用碳化硅作为电弧炉炼钢还原用脱氧剂，结合包内冲入法采用钇基重稀土硅铁合金净化钢水；该方法包括还原、脱氧、取样、采用包内冲入法净化钢液和浇注步骤。本发明提供的方法能够有效地减少了铸钢件的表面龟裂现象，提高了铸钢件的质量和生产效率，是一种生产工艺技术和工业应用效果的创新，能够为提高电弧炉炼钢综合经济效益作出贡献。

Description

一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，特别是涉及一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法。
背景技术
近年来，随着客户验收标准及各船级社规范要求的不断提高，船用铸钢件在报检过程中，遇到表面磁粉探伤质量不合格。虽经多次打磨焊补修整，还是存在大量细小的裂纹难以消除。针对铸钢件生产的这一质量问题，曾经尝试了一些措施，如调整改进造型工艺、开箱时间和方式、热处理工艺等工序，仍然不能有效改善铸钢件表面的龟裂质量问题。对龟裂处的材质微观组织分析表明，此处氧化夹杂物较多。因此，从冶炼工艺着手，改进还原用的脱氧剂并结合钢水净化处理来解决铸钢件表面的龟裂问题。
炼钢还原过程中用的脱氧剂有很多种，如碳粉、铝粉、硅铁粉、电石等。采用碳粉作为炼钢还原脱氧剂时，由于碳粉密度小，易漂浮在渣面上，大量烧损，而且还原时间较长，不利于冶炼钢水的质量。单独使用硅铁粉脱氧烧损率也很大。按一定比例混合的硅铁粉、碳粉脱氧，实际很难达到均匀分布，往往是硅铁粉在下面，碳粉在上面，达不到良好的脱氧效果。
众所周知，钢液脱氧有沉淀脱氧、扩散脱氧和钢渣界面脱氧三种方式。钢渣界面是脱氧的最佳区域。据反应热力学可知：在一定温度条件下，化学反应的自由能ΔG0的变化可确定反应进行的方向。SiC与渣中FeO和与钢液中溶解氧[O]的脱氧反应可分别用下述的反应式(1)和(2)表示：
SiC(s)+3(FeO)＝(SiO2)+{CO}+3[Fe]    (1)
ΔG0＝-261001-52.88T J/mol
SiC(s)+3[O]＝(SiO2)+{CO}            (2)
ΔG0＝-607354+91.57T J/mol
在1600℃(1873K)的炼钢温度下，反应式(1)和(2)的反应自由能分别为-360.05kJ/mol和-435.84kJ/mol。由此可以看出，在炼钢温度下，无论碳化硅是在渣中还是在钢液进行脱氧反应时，其自由能皆为负值，且远远小于零，因而碳化硅的脱氧反应可以快速进行。
从动力学角度看来，SiC密度为3.2g/cm3，比钢渣密度3.0g/cm3稍大，比钢水小，其反应在渣-钢界面进行，而且其脱氧产物又有CO气泡，起搅拌作用，加快渣钢界面的反应，使[O]不断地向渣钢界面扩散。虽然加入SiC，渣子变白很快，但[O]不一定马上降下来，故还需要将白渣保持一定时间。
因此，碳化硅的脱氧速度明显高于碳粉、硅铁粉，向炉中加入碳化硅后炉渣能迅速转白，缩短冶炼时间，有效降低钢水中的夹杂物。
钇基重稀土硅铁合金是一种市售产品。利用稀土元素钇具有的细化晶粒、脱氧、脱硫、消除元素的偏析能力，在钢液中可有效去除氧、硫等杂质元素，净化钢液，改善其高温抗氧化性能，提高铸钢件的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电弧炉炼钢方法，以有效解决铸钢件表面龟裂问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法，是采用脱氧剂脱氧，结合包内冲入法采用钇基重稀土硅铁合金净化钢水。该方法步骤包括：
(1)还原：先按工艺要求扒出大部分普碳钢炉渣，对低合金钢则扒除全部炉渣，再按钢种加入所要求的锰元素质量分数下限计算所需锰铁量及1％～1.5％的渣料，并送电，形成稀薄渣液；所述锰铁为锰元素质量分数为78％的锰铁，所述渣料的成份重量配比为石灰∶萤石＝3∶1；
(2)脱氧：在稀薄渣液中加入0.8％～1.1％的还原渣料，还原渣料的成份重量配比为石灰∶碳化硅＝4∶1，并按由此形成的钢水总重量的0.3％～0.5％加入碳化硅进行脱氧反应，脱氧剂尽量加入到电弧下面，同时关上电弧炉门以防止大量空气进入炉内不利于脱氧；5～8min后加入第二批碳化硅，形成白渣钢液；
(3)取样：对白渣钢液充分搅拌后取样，并调整电压或电流使电弧炉的温度保持在高于浇注温度45～55℃；在取样分析结果未出之前，用钢液重量的0.1％～0.2％的碳粉或碳化硅保持还原气氛及白渣状态，出钢时一定要保持熔池内物料的流动性；
(4)采用包内冲入法净化钢液：出钢过程中按钢液重量的0.1％～0.3％加入粒度为20～25mm的钇基重稀土硅铁合金并待钢液出净后，吹氩进行钢液净化处理，然后静置2～3min，得到净化钢液；
(5)浇注：将净化钢液浇注至铸型内，冷却后得到能有效消除表面龟裂的铸钢件。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
其一.可缩短冶炼时间，降低电耗。
用碳化硅代替碳粉脱氧，脱氧迅速，炉渣变白快，平均小于10min.，相应的节约了冶炼时间，降低了电耗。
其二.白渣形成迅速，还原效果突出。
在加入碳化硅5～8min.后，还原白渣迅速形成，渣子流动性良好，还原样脱氧效果良好。由于脱氧生成物二氧化硅起到了调整炉渣流动性的作用，因此萤石用量较以往减少了三分之一以上，碳粉也基本上不使用。
其三.利于环境保护。
由于碳化硅比重大，粒度粗，使用中烟尘少，加之碳粉、萤石用量的减少，降低了碳粉粉尘和有毒氟气的浓度，减轻了对环境的污染。
其四.有较好的脱硫效果。
氧、硫在元素周期表中是一族元素，它们有相似的性质。根据测定数据，在1600℃时，[S]/[O]≈4.0，这表明在脱氧的同时也脱硫。在生产实践中得出加SiC后，炉渣快速变白，钢液脱硫率可达41.3％。而在出钢过程中，由于钢渣混出，脱硫反应更加彻底，平均脱硫率为61.5％，而老工艺平均在51.0％左右。
其五.能有效净化钢水。
结合使用钇基重稀土硅铁合金采用包内冲入法，可有效净化钢水。使用量为每吨钢水1.0～3.0kg，粒度23mm左右，冲入温度高于浇注温度45～55℃。冲入时吹氩搅拌，氩气压力为2～4大气压，然后静置2～3min。
其六.可明显减少铸钢件的龟裂现象。
在试验过程中，跟踪了采用本工艺的铸件产品，特别是锚杆、锚头和锚链轮的表面龟裂现象后，发现以前容易产生龟裂的常规及长线产品，经过粗磨后基本上无龟裂现象存在，相对以前反复打磨、气刨、补焊方式消除龟裂，劳动强度大幅降低。
总之，本发明经过在电炉炼钢还原期使用碳化硅，结合钇基重稀土净化钢液生产后，船检产品报检均一次合格，生产效率显著提高，产品质量也明显得到提高。
具体实施方式
本发明提供的能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法，是采用脱氧剂脱氧，结合包内冲入法采用钇基重稀土硅铁合金净化钢水，该方法步骤包括：
(1)还原：先按工艺要求扒出大部分普碳钢炉渣，对低合金钢则扒除全部炉渣，再按钢种加入所要求的锰元素质量分数下限计算所需锰铁及1％～1.5％的渣料，并送电，形成稀薄渣液；所述锰铁为锰元素质量分数为78％的锰铁，所述渣料的成份重量配比为石灰∶萤石＝3∶1。
在还原过程中，还原反应温度为1600～1640℃。
(2)脱氧：在稀薄渣液中加入0.8％～1.1％的还原渣料，还原渣料的成份重量配比为石灰∶碳化硅＝4∶1，并按由此形成的钢水总重量的0.3％～0.5％加入脱氧剂进行脱氧反应，脱氧剂尽量加入到电弧下面，同时关上电弧炉门以防止大量空气进入炉内不利于脱氧；5～8min后加入第二批碳化硅，形成白渣钢液。
在形成白渣钢液过程中，碳钢形成白渣钢液时间一般为8～10min，低合金钢形成白渣钢液时间一般为16～20min。
所述脱氧剂为TG50的碳化硅，其主要成分为SiC 50％、游离碳8％～12％、水份≤0.5％，粒度为1～5mm。
(3)取样：对白渣钢液充分搅拌后取样，并调整电压或电流使电弧炉的温度保持在高于浇注温度45～55℃；在取样分析结果未出之前，用钢液重量的0.1％～0.2％的碳粉或碳化硅保持还原气氛及白渣状态，出钢时一定要保持熔池内物料的流动性。
形成白渣钢液后，对碳钢还原剂为TG50碳化硅或碳粉。碳化硅主要成分为SiC 50％、游离碳8％～12％、水份≤0.5％，粒度为1～5mm。
对低合金钢，形成白渣钢液后，还原剂为碳粉，保持还原气氛10～15min后出钢。
为保持熔池内物料的流动性，可通过改换电压或电流方法，使熔池温度保持在1600～1640℃。
(4)采用包内冲入法净化钢液：出钢过程中按钢液重量的0.1％～0.3％加入粒度为20～25mm的钇基重稀土硅铁合金并待钢液出净后，在氩气压力为2～4大气压下进行吹氩气搅拌，使钢液进行净化。然后静置2～3min，得到净化钢液。
在净化钢液过程中，钢液冲入温度高于浇注温度45～55℃。
(5)浇注：将净化钢液浇注至铸型内，冷却后得到能有效消除表面龟裂的铸钢件。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以下实施例采用上述能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法。
实施例1：
牌号：ZG200-400C    冶炼炉次：08346    钢水量：7800kg
浇注产品：见表1。
工艺过程：
配料：碳钢浇、冒口4000kg，废钢3800kg，增碳剂60kg
冶炼记录如下；
24：25装料4700kg，
24；30送电210V，
1：25拖炉加料2100kg，
1：55拖炉加料1000kg，
2：20吹氧助熔，
2：28取样①，
2：35吹氧氧化，
2：55取样②，
3：00扒渣、加锰铁55kg，加渣(石灰∶萤石＝3∶1)约1.5％，
3：07加1％的还原渣，加FeSi75约50kg，撒碳化硅20kg，
3：15搅拌取样③，
3：17测温1639℃，
3：20撒碳化硅10kg，
3：28补加锰铁5kg，
3：33加铝脱氧出钢，
3：36炉后测温1594℃。
然后包内按1.5kg/吨钢放置粒度23mm左右的钇基重稀土硅铁合金，并以2.5大气压氩气吹入搅拌，并静置2～3min。
实施例1中，取样①、取样②和搅拌取样③检测记录见表2。
检验过程及结果：根据技术要求，铸件应按GB 9444进行磁粉探伤，按GB 7233进行超声波探伤。实际探伤检验中，该炉铸件均为一次合格；其中：锚杆和卸扣磁粉探伤一级，超声波探伤二级，并通过ABS船级社船检；六块焊接工艺评定试块磁粉探伤均为一级，超声波探伤均为一级，采用该批试板进行焊接工艺评定，获得GL船级社认可。
实施例2：
材质：碳钢  牌号：ASTM A352 GRADE LCC    冶炼炉次：08327    钢水量：8200kg
浇注产品情况：见表3。
工艺过程：
配料：碳钢浇、冒口4100kg，废钢4200kg，增碳剂70kg
冶炼记录如下；
21：30装料6300kg，
22：00送电210V，
23：25拖炉加料2000kg，
23：45吹氧助熔，
23：55取样①，
23：58加矿氧化，
24：05吹氧氧化，
24：30取样②，
24：38扒渣、加锰铁(110公斤)加稀薄渣(石灰∶萤石＝3∶1)约1.5％，
24：43加1％的还原渣(石灰∶碳化硅＝4∶1)，
24：50加硅铁50kg，撒碳化硅15kg，
24：58搅拌取样③，
1：00测温1621℃，
1：02撒碳粉10kg，
1：10加铝脱氧出钢，
1：13炉后测温1588℃。
然后包内按1.5kg/吨钢放置粒度23mm左右的钇基重稀土硅铁合金，并以2.5大气压氩气吹入搅拌，并静置2～3min。
实施例2中，取样①、取样②和搅拌取样③检测记录见表4。
检验过程及结果：根据技术要求，铸件应按ASTM E709进行磁粉探伤，按ASTM A609进行超声波探伤。实际探伤检验中，该炉铸件均为一次合格，所有铸件的磁粉探伤均达到一级，超声波探伤均达到二级，并一次通过ABS船级社船检。
实施例3：
材质：低合金钢    牌号：EH36    冶炼炉次：08578    钢水量：7000kg
浇注产品情况：见表5。
工艺过程：
配料：碳钢浇、冒口4100kg，废钢2900kg，增碳剂60kg
冶炼记录如下；
24：30装料5100kg，
24：35送电210V，
1：45拖炉加料1900kg，
2：10吹氧助熔，
2：20取样①，
2：25加矿氧化，
2：35吹氧氧化，
2：50取样②，
3：00扒渣、加锰铁(105kg)加渣(石灰∶萤石＝3∶1)约1.5％，
3：05加1％还原渣(石灰∶碳化硅＝4∶1)，
3：13加硅铁45kg，撒碳化硅10kg，
3：20搅拌取样③，
3：21测温1618℃，
3：22撒碳粉10kg，
3：30加钒铁7kg，加铌铁6kg，搅拌，
3：33加铝脱氧出钢，
3：36炉后测温1592℃。
然后包内按1.5kg/吨钢放置粒度23mm左右的钇基重稀土硅铁合金，并以2.5大气压氩气吹入搅拌，并静置2～3min。
实施例3中，取样①、取样②和搅拌取样③检测记录见表6。
检验过程及结果：根据技术要求，铸件应按GB 9444进行磁粉探伤，按GB 7233进行超声波探伤。实际探伤检验中，该炉铸件均为一次合格；所有铸件磁粉探伤均达到一级，超声波探伤均达到二级，并一次通过BV船级社船检。
实施例4：
材质：低合金钢牌号：ASTM A487 GRADE 4D    冶炼炉次：08677    钢水量：8300kg
浇注产品情况：见表7。
工艺过程：
配料：本牌号浇、冒口3100kg，废钢5200kg，增碳剂80kg
冶炼记录如下；
11：30装料8300kg，
12：00送电210V，
14：00吹氧助熔，
14：28取样①，
14：30扒渣加1.0％的渣料，
14：35加镍板37kg，加钼铁25kg，
14：37加矿氧化，
14：50吹氧氧化，
15：12取样②，
15：18扒渣、加锰铁(110kg)加渣(石灰∶萤石＝3∶1)约1.5％(石灰∶萤石为3∶1)，
3：25加还原渣(石灰∶碳化硅＝4∶1)，渣量约2％，
3：33加硅铁50kg，铬铁55kg，撒碳化硅15kg，
3：40搅拌取样③，
3：41测温1616℃，
3：42撒碳粉10kg，
3：48加铝脱氧出钢，
3：52炉后测温1585℃。
然后包内按1.5kg/吨钢放置粒度23mm左右的钇基重稀土硅铁合金，并以2.5大气压氩气吹入搅拌，并静置2～3min。
实施例4中，取样①、取样②和搅拌取样③检测记录见表8。
检验过程及结果：根据技术要求，铸件应按GB 9444进行磁粉探伤，按GB 7233进行超声波探伤。实际探伤检验中，该炉铸件均为一次合格；其中：两件齿轮轴套磁粉探伤均为一级，超声波探伤均为二级；焊接工艺评定试块磁粉探伤一级，超声波探伤一级，采用该试板进行焊接工艺评定，获得ABS船级社认可。
附表
表1  实施例1浇注产品情况
  产品名称   数量/件   毛重/kg   浇重/kg
  3175kg结构锚锚杆   4   1060   1580
  3175kg结构锚卸扣   4   85   160
  焊接工艺评定试板   6   75   150
表2  实施例1浇注产品取样检测记录
  送样次数 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％ Ni％ Mo％ Cu％ Al％
  ①   0.43   \   0.20   0.031   0.022   0.14   0.15   0.03   0.09   0.53
  ②   0.18   \   0.10   0.018   0.020   0.09   0.14   0.03   0.08   0.42
  ③   0.19   0.51   0.75   0.019   0.016   0.26   0.14   0.03   0.09   \
  成品   0.20   0.47   0.79   0.020   0.010   0.28   0.14   0.03   0.09   0.035
表3  实施例2浇注产品情况
  产品名称   数量/件   毛重/kg   浇重/kg
  箱轴块   2   1600   3100
  轴承块   1   460   760
  帽   1   300   600
表4  实施例2浇注产品取样检测记录
  送样次数 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％ Ni％ Mo％ Cu％ Al％
  ①   0.66   \   0.18   0.025   0.030   0.07   0.08   0.02   0.05   0.33
  ②   0.16   \   0.10   0.010   0.026   0.07   0.08   0.03   0.05   0.36
  ③   0.17   0.50   1.18   0.015   0.018   0.10   0.08   0.03   0.05   \
  成品   0.17   0.41   1.15   0.016   0.015   0.10   0.08   0.03   0.05   0.038
表5  实施例3浇注产品情况
  产品名称   数量/件   毛重/kg   浇重/kg
  爪头   2   1200   2250
  支架   1   950   1700
  帽   1   43   80
表6  实施例3浇注产品取样检测记录
  送样次数 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Al％ V％
  ①   0.37   \   0.18   0.030   0.026   0.28
  ②   0.13   \   0.17   0.008   0.020   0.36
  ③   0.14   0.32   1.39   0.014   0.021   \
  成品   0.13   0.41   1.32   0.014   0.010   0.038   0.053
表7  实施例4浇注产品情况
  产品名称   数量/件   毛重/kg   浇重/kg
  齿轮轴套   2   2200   3980
  焊接工艺评定试板   1   70   140
表8  实施例4浇注产品取样检测记录
  送样次数 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％ Ni％ Mo％ Cu％ Al％
  ①   0.81   \   0.22   0.026   0.023   0.11   0.23   0.09   0.11   0.48
  ②   0.26   \   0.15   0.009   0.018   0.08   0.66   0.27   0.11   0.32
  ③   0.25   0.50   0.97   0.010   0.014   0.54   0.70   0.25   0.11   \
  成品   0.24   0.42   0.91   0.010   0.011   0.54   0.69   0.24   0.05   0.036

Claims (4)

1.一种能有效消除铸钢件表面龟裂的电弧炉炼钢方法，其特征在于使用脱氧剂脱氧，结合包内冲入法采用钇基重稀土硅铁合金净化钢水，该方法步骤包括：
(1)还原：先按工艺要求扒出大部分普碳钢炉渣，对低合金钢则扒除全部炉渣，再按钢种加入所要求的锰元素含量下限计算所需锰铁量及质量百分数为1～1.5％的渣料，并送电，形成稀薄渣液；所述锰铁为Mn质量百分数为80％的锰铁，所述渣料的成份重量配比为石灰∶萤石＝3∶1；在还原过程中，还原反应温度为1600～1640℃；
(2)脱氧：在稀薄渣液中加入质量百分数为0.8～1.1％的还原渣料，还原渣料的成份重量配比为石灰∶碳化硅＝4∶1，并按由此形成的钢水总重量的0.3～0.5％加入脱氧剂进行脱氧反应，脱氧剂尽量加入到电弧下面，同时关上电弧炉门以防止大量空气进入炉内不利于脱氧；5～8min后加入第二批碳化硅，形成白渣钢液；脱氧剂为TG50的碳化硅，其主要成分为碳化硅50％，游离碳8％～12％，水份≤0.5％，粒度1～5mm；
(3)取样：对白渣钢液充分搅拌后取样，并调整电压或电流使电弧炉的温度保持在高于浇注温度45～55℃；在取样分析结果未出之前，用钢液重量的0.1～0.2％的碳粉或碳化硅保持还原气氛及白渣状态，对于碳钢，还原剂为TG50碳化硅或碳粉；碳化硅主要成分质量为SiC 50％、游离碳8～12％、水份≤0.5％，粒度为1～5mm；对于低合金钢使用碳粉为还原剂，保持还原气氛10～15min后出钢；出钢时一定要保持熔池内物料的流动性；
(4)采用包内冲入法净化钢液：出钢过程中按钢液重量的0.1～0.3％加入粒度为20～25mm的钇基重稀土硅铁合金并待钢液出净后，吹氩进行钢液净化处理，然后静置2～3min，得到净化钢液；在净化钢液过程中，钢液冲入温度高于浇注温度45～55℃；
(5)浇注：将净化钢液浇注至铸型内，冷却后得到能有效消除表面龟裂的铸钢件。
2.根据权利要求1所述的电弧炉炼钢方法，其特征在于：通过调整电压或电流方法，使熔池温度保持在1600～1640℃。
3.根据权利要求1所述的电弧炉炼钢方法，其特征在于：钢液出净时吹氩气搅拌，氩气压力为2～4大气压。
4.根据权利要求1所述的电弧炉炼钢方法，其特征是在形成白渣钢液过程中，碳钢形成白渣钢液时间为8～10min，低合金钢形成白渣钢液时间为16～20min。
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