CN105463299B - 一种高铝氮化钢的冶炼方法 - Google Patents

一种高铝氮化钢的冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种高铝氮化钢的制造方法。本发明采用EAF‑CONVERTER电转炉冶炼+LF+VD+CCM的工艺路线冶炼高铝氮化钢，所得的高铝氮化钢成分要求范围为：C 0.35～0.40％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.40～0.50％、Cr 1.40～1.50％、Mo 0.15～0.25、Al 0.75～1.00％、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe。轧制得圆钢的钢质均匀、洁净度高、性能质量稳定。

Description

一种高铝氮化钢的冶炼方法
技术领域
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种高铝氮化钢的制造方法。
背景技术
高铝氮化钢是一种以高铝钢为基础的调质渗氮钢，表面经渗氮处理后形成氮化铝(AlN)层，利用氮化铝的弥散强化来提高表面的硬度和强度，并且在较高温度(600～700℃)时也能保持一定的硬度,同时该钢种还含有适量的钼，可以有效抑制高温回火脆性，因此，该钢种具有淬透性好、回火脆性倾向少、高温加工性好、耐磨性及抗疲劳强度高特点。该钢种广泛用于生产具有高耐磨性、高疲劳强度和相当大的强度，热处理后尺寸精确的氮化零件，或各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件，如镗杆、磨床主轴、自动车床主轴、蜗杆、精密丝杆、精密齿轮、高压阀门、阀杆、量规、样板、滚子、仿模、气缸体、压缩机活塞杆，汽轮机上的调速器、转动套、固定套，橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件等。
然而由于该钢种含铝量极高，冶炼时发生氧化、固氮、回硅趋势大，连铸生产过程极易发生二次氧化、保护渣失效等现象从而导致铝收得率不稳定、非金属夹杂物控制难度增大、卷渣结瘤普遍且严重、点状偏析频发等问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的问题，本发明采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼+LF+VD+CCM的工艺路线冶炼高铝氮化钢，所得的高铝氮化钢成分要求范围为：C 0.35～0.40％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.40～0.50％、Cr 1.40～1.50％、Mo 0.15～0.25、Al 0.75～1.00％、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe。
具体工艺为：
(1)EAF-CONVERTER电转炉冶炼
电转炉总装入量控制在100吨左右，铁水比例为90％，冷料比例为10％，其中3％为生铁，其余为优质废钢；电炉配有铁水倾翻装置，采用在线铁水装入模式，结合泡沫渣操作工艺，稳定炉内碳氧反应气氛，达到脱P控温的目的；本步骤要求高拉碳操作，严禁出钢钢水过氧化，出钢成分满足0.12％≤C≤0.20％、P≤0.010％即可出钢，出钢温度T≥1640℃，确保迅速化渣；出钢量控制在85±2吨，以保证钢包净空高度，确保真空抽气顺利；出钢过程加入150kg Al块及150kg电石脱氧，加入硅锰、高碳铬铁及钼铁合金化，并加入800kg石灰及300kg低硅合成渣料(SiO2≤2.0％)造渣；出钢末期严格控制炉内余钢量(10～13吨/炉)，严禁出钢下渣，有效避免电炉渣对钢液成分(特别是P、Si)的影响以及精炼条件的恶化作用；
(2)LF精炼
LF精炼前期使用Al粒和少量SiC进行脱氧，中后期小批量多次均匀飘散SiC至渣面脱氧保渣，保持精炼良好的还原性气氛，同时SiC的加入有利于LF精炼前期化渣以及保证LF精炼末期高碱度渣具有适当粘度及流动性，良好的渣况是确保后续VD真空处理顺利进行的重要基础；初样成分出来后补加合金调整成分，精炼前期调整氩气压力至0.4～0.6MPa(视炉渣情况进行调整)，中后期氩气压力为0.2～0.35MPa，保持炉内微正压；精炼吊包前10分钟(精炼结束前10分钟)达到除Al、Si以外各元素的目标含量；进VD前喂入铝线调整Al含量达到0.100％，LF吊包前Si控制在成分范围的中下限，防止真空大量回硅(回硅量0.03～0.05％)后超出Si含量控制范围；精炼时间达到40～70分钟，钢液温度符合要求、渣况合理(二元碱度R：9～15)，即吊包进入VD进行真空处理，
步骤(2)中，前期加入碳化硅是为了强化深脱氧功效，同时有利于化渣；中后期多次加入碳化硅则是为了保持白渣状态及保持炉内气氛的还原性，保证对钢液的脱氧效果得到保持，并且也便于调节渣况，为后续VD过程的顺利进行奠定基础；
(3)VD真空处理
该步骤时先进行第一次真空处理，抽至高真空(≤67Pa)后保压10分钟，高真空下要求明显可见钢液裸露翻腾，破空后加8.5kg/t铝块，再抽真空进行第二次真空处理，高真空度(≤67Pa)下保压5分钟，铝块经氩气搅拌而溶解并均匀分布于钢液中，从而完成钢液的铝合金化；VD真空过程回硅量控制在0.03～0.05％范围内；第二次破空后，连浇组的第一炉喂入80米纯Ca线，进行夹杂物变性处理，确保开浇炉的可浇性，后续炉次严禁喂Ca线，以避免喂线时钢液发生严重的二次氧化；软吹时间≥35分钟，确保钢液中夹杂物充分上浮；
(4)CCM连铸
连铸连浇炉次过热度控制在15～25℃，而首炉过热度适当提高至25～35℃；本发明的钢种连铸低倍易产生疏松，严格执行0.70m/min的恒拉速控制；连铸过程采用碱性覆盖剂，中包内安装镁质挡墙，保持中包黑渣面操作，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压(0.7～0.9Pa)，尽量减少连铸过程的二次氧化；采用Φ45mm的加大口径水口，增加夹杂物与水口的接触面积，降低单位水口内壁面积内的夹杂物数目，降低钢液中夹杂物聚集结瘤的几率；除此之外，使用高铝钢专用保护渣(Al2O3含量≤3.0％)，以防止浇注过程出现保护渣失效的情况，并有效吸附钢液中的夹杂物，进一步提高钢液的可浇性，增加连浇炉数。
本发明的有益效果在于：在高铝氮化钢的冶炼中，大胆启用含硅脱氧剂碳化硅促进钢液脱氧并降低精炼过程铝的损耗，成功解决了硅含量的问题，与此同时真空处理过程回硅量也得到有效控制；适量碳化硅的加入也保证了LF精炼早期化渣效果以及LF高碱度精炼终渣具有良好的粘度及流动性：精炼渣流动性好且粘度适当是防止精炼过程钢液严重吸气及保证后续VD真空处理脱气效果的重要基础，本钢种冶炼时采用高碱度渣，出钢化渣效果及钢液流动性并不能得到很好保障。为此，通常需在精炼阶段加入萤石来促进化渣得到粘度合适及流动性较好的炉渣，然而萤石的加入虽然有利于提高化渣效果，同时也将加重钢包耐材的腐蚀，而碳化硅的加入在不侵蚀耐材的前提下有利于促进精炼渣流动性的改善，减少钢液裸露面积及几率，同时也将增强精炼渣的发泡性，有利于精炼初期造好泡沫渣，实现埋弧操作，节约电耗的同时进一步抑制精炼吸气，特别是增氮的不利影响。
本发明利用简化的造渣工艺获得高碱度渣，增强对钢液中三氧化二铝夹杂的吸附作用，进一步保证钢液洁净度；通过优化铝块加入时机，降低固氮效应的同时实现了较高的铝收得率，使得本生产方法在成本方面更具竞争力；连铸工序严格做好保护浇注并采用高铝钢专用保护渣及大口径水口，实现了该高铝钢种多炉次的平稳连浇。轧制得圆钢的钢质均匀、洁净度高、性能质量稳定。
具体实施方式
实施例1
采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产高铝氮化钢：
电转炉总装入量控制在101.46吨，铁水比90％，生铁加入量为3.2吨，其余为优质废钢。出钢终点成分C：0.12％、P：0.008％、出钢温度T：1642℃，出钢量87.2吨；出钢过程加入120kg Al块及110kg电石脱氧，加入硅锰455kg、高碳铬铁2148kg及钼铁250kg进行炉后合金化，并加入800kg石灰及300kg低硅合成渣料进行造渣；
LF精炼前期采用80kg铝粒和30kg碳化硅加强脱氧，底吹氩气压力调整至0.45MPa，通电加热8分钟后即实现白渣化；取LF初样测定成分后补加46kg硅锰(FeSi18Mn68)、175kg高碳铬铁(FeCr55C10.0)、50kg钼铁(FeMo60)，达到除Al、Si以外各元素的成品目标成分(其中Si按要求范围下限控制)；当炉渣已转变为白渣、且合金成分基本到位后，小批量多次(8次)均匀飘散SiC至渣面脱氧保渣，共计18kg，氩气流量调整至0.27MPa；LF吊包前10分钟喂入铝线调整Al含量至0.102％，随即吊包上VD炉，吊包温度1658℃，LF精炼时长63分钟；
VD处理时先进行一次真空处理，并在高真空度下(67Pa)保压10分钟，随即破空，移除VD炉盖，加入750kg铝块至钢液中，然后将VD炉盖复位，继续进行二次抽真空处理，67Pa并保压5分钟。在二次真空处理过程中，适当加大钢包底吹氩气流量，确保加入的铝块经氩气搅拌均匀溶解于钢液中，从而完成钢液的铝合金化，铝块回收率为92.1％。该炉为本组第一炉，故在真空处理后喂入18kg(80m)纯钙线，并软吹39分钟，以进行夹杂物变性及上浮处理，确保开浇炉的可浇性，VD吊包温度1572℃；
连铸过热度29℃，拉速恒定0.70m/min；开启结晶器电磁搅拌(150A/2Hz)及末端电磁搅拌(80A/6Hz)，确保钢液均匀性；连铸过程采用碱性覆盖剂，中包内安装镁质挡墙，保持中包黑渣面操作，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压0.8Pa，尽量减少二次氧化；采用优质内装式Φ45mm的加大口径水口以及高铝钢专用保护渣，本组共连浇9炉，浇铸过程平稳，未出现严重的液面波动及结瘤现象。
通过上述方法冶炼得高铝钢经轧制所得圆钢的成品成份为C：0.37％，Si：0.26％，Mn：0.42％，Cr：1.45％，Mo：0.21％，Al：0.85％，P：0.011％，S：0.001％，余量为Fe。
低倍指标检测结果显示中心疏松、一般疏松均为0.5级，中心偏析为1.0级，且并未出现一般点状偏析以及边缘点状偏析，达到了GB/T3077-1999中特级优质钢的标准；金相高倍检测表明A、C类非金属夹杂物均为0级，B类最高不超过0.5级，D类最高不超过1.0级，氧含量4.3ppm，氮含量33.5ppm。
实施例2
采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产高铝氮化钢：
电转炉总装入量控制在100.62吨，铁水比91％，生铁加入量为2.9吨，其余为优质废钢。出钢终点成分C：0.15％、P：0.009％、出钢温度T：1649℃，出钢量86.8吨；出钢过程加入150kg Al块及100kg电石脱氧，加入硅锰450kg、高碳铬铁2150kg及钼铁260kg进行炉后合金化，并加入750kg石灰及200kg低硅合成渣料进行造渣；
LF精炼前期采用70kg铝粒和25kg碳化硅加强脱氧，底吹氩气压力调整至0.55MPa，通电加热10分钟后即实现白渣化；取LF初样测定成分后补加50kg硅锰(FeSi18Mn68)、105kg高碳铬铁(FeCr55C10.0)、30kg钼铁(FeMo60)，吊包前15分钟达到除Al、Si以外各元素的成品目标成分(其中Si按要求范围下限控制)；精炼中后期当炉渣已转变为白渣、且合金成分基本到位后小批量多次均匀飘散SiC至渣面脱氧保渣，共计16kg，氩气流量调整至0.25MPa；LF吊包前10分钟喂入铝线调整Al含量至0.105％，随即吊包上VD炉，吊包温度1639℃，LF精炼时长58分钟；
VD处理时先进行一次真空处理，并在高真空度下(≤67Pa)保压12分钟，随即破空，移除VD炉盖，加入730kg铝块至钢液中，然后将VD炉盖复位，继续进行二次抽真空处理，并保压5分钟。在二次真空处理过程中，适当加大钢包底吹氩气流量，确保加入的铝块经氩气搅拌均匀溶解于钢液中，从而完成钢液的铝合金化，铝块回收率为95.2％。真空处理后软吹35分钟，以进行夹杂物变性及上浮处理，确保开浇炉的可浇性，VD吊包温度1558℃；
连铸过热度21℃，拉速恒定0.70m/min；连铸过程采用碱性覆盖剂，中包内安装镁质挡墙，保持中包黑渣面操作，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压0.9Pa，尽量减少二次氧化；开启结晶器电磁搅拌(150A/2Hz)；采用优质内装式Φ45mm的加大口径水口以及高铝钢专用保护渣，本组共连浇8炉，浇铸过程平稳，未出现严重的液面波动及结瘤现象；
通过上述方法冶炼得高铝钢经轧制所得圆钢的成品成份控制为C：0.38％，Si：0.27％，Mn：0.44％，Cr：1.43％，Mo：0.21％，Al：0.86％，P：0.012％，S：0.001％，余量为Fe。
低倍指标检测结果显示一般疏松为0.5级、中心疏松和中心偏析均为1.0级，未出现一般点状偏析以及边缘点状偏析，同样达到了GB/T3077-1999中特级优质钢的标准；金相高倍检测表明A、B、C类非金属夹杂物基本均为0级，D类最高不超过1.0级，氧含量2.5ppm，氮含量36.0ppm。
实施例3
采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产高铝氮化钢：
电转炉总装入量控制在101.81吨，铁水比95％，生铁加入量为2.6吨，其余为优质废钢。出钢终点成分C：0.13％、P：0.008％、出钢温度T：1646℃，出钢量85.7吨；出钢过程加入150kg Al块及100kg电石脱氧，加入硅锰445kg、高碳铬铁2140kg及钼铁250kg进行炉后合金化，并加入700kg石灰和100kg低硅合成渣进行造渣；
LF精炼前期采用85kg铝粒和35kg碳化硅加强脱氧，底吹氩气压力调整至0.52MPa，补加石灰100kg，通电加热10分钟后即实现白渣化；取LF初样测定成分后补加20kg硅锰(FeSi18Mn68)、120kg高碳铬铁(FeCr55C10.0)、40kg钼铁(FeMo60)，吊包前15分钟达到除Al、Si以外各元素的成品目标成分(其中Si按要求范围下限控制)；精炼中后期当炉渣已转变为白渣、且合金成分基本到位后小批量多次均匀飘散SiC至渣面脱氧保渣，共计15kg，氩气流量调整至0.22MPa；LF吊包前10分钟喂入铝线调整Al含量至0.098％，随即吊包上VD炉，吊包温度1640℃，LF精炼时长59分钟；
VD处理时先进行一次真空处理，并在高真空度下(≤67Pa)保压10分钟，随即破空，移除VD炉盖，加入730kg铝块至钢液中，然后将VD炉盖复位，继续进行二次抽真空处理，并保压5分钟。在二次真空处理过程中，适当加大钢包底吹氩气流量，确保加入的铝块经氩气搅拌均匀溶解于钢液中，从而完成钢液的铝合金化，铝块回收率为94.5％。真空处理后软吹32分钟，VD吊包温度1563℃；
连铸过热度23℃，拉速恒定0.70m/min；开启结晶器电磁搅拌(150A/2Hz)及末端电磁搅拌(50A/6Hz)，确保钢液均匀性；连铸过程采用碱性覆盖剂，中包内安装镁质挡墙，保持中包黑渣面操作，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压0.8Pa，尽量减少二次氧化；采用内装式Φ45mm的加大口径水口以及高铝钢专用保护渣，本组共连浇9炉，浇铸过程平稳，未出现严重的液面波动及结瘤现象；
通过上述方法冶炼得高铝钢经轧制所得圆钢的成品成份控制为C：0.39％，Si：0.24％，Mn：0.45％，Cr：1.46％，Mo：0.19％，Al：0.84％，P：0.010％，S：0.001％，余量为Fe。
低倍指标检测结果显示中心疏松、一般疏松、中心偏析均为0.5级，未出现一般点状偏析以及边缘点状偏析，达到了GB/T3077-1999中特级优质钢的标准；金相高倍检测表明A类、B类、D类非金属夹杂物不超过0.5级，C类为0级，氧含量3.0ppm，氮含量33.7ppm。

Claims (4)

1.一种高铝氮化钢的制造方法，其特征在于：所述的制造方法为采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼+LF+VD+CCM的工艺路线冶炼高铝氮化钢，具体步骤为，
(1)EAF-CONVERTER电转炉冶炼
按照90％铁水、3％生铁、7％优质废钢的重量比装入电转炉，采用高拉碳操作，严禁出钢钢水过氧化，出钢成分满足0.12％≤C≤0.20％、P≤0.010％即可出钢，出钢温度T≥1640℃，出钢量控制在装入量的83～87％，出钢过程加入Al块及电石脱氧，加入硅锰、高碳铬铁及钼铁合金化，并加入石灰及低硅合成渣料造渣，出钢末期严格控制炉内余钢量，严禁出钢下渣，
其中，铁水、生铁、优质废钢的总装入量为100吨，出钢过程加入Al块150kg、电石150kg、石灰800kg、低硅合成渣料300kg；
(2)LF精炼
LF精炼前期使用Al粒和SiC进行脱氧，中后期均匀飘散SiC至渣面脱氧保渣，保持还原性气氛，精炼前期调整氩气压力至0.4～0.6MPa，中后期氩气压力为0.2～0.35MPa，精炼吊包前10分钟达到除Al、Si以外各元素的目标含量；进VD前喂入铝线调整Al含量达到0.100％，LF吊包前Si控制在成分范围的中下限，精炼时间为40～70分钟，吊包进入VD进行真空处理；
(3)VD真空处理
先进行第一次真空处理，抽至≤67Pa的高真空后保压10分钟，高真空下要求明显可见钢液裸露翻腾，破空后加8.5kg/t铝块，再抽真空至≤67Pa的高真空后保压5分钟进行第二次真空处理，铝块经氩气搅拌而溶解并均匀分布于钢液中，从而完成钢液的铝合金化；VD真空过程回硅量控制在0.03～0.05％范围内；第二次破空后，连浇组的第一炉喂入80米纯Ca线，进行夹杂物变性处理，确保开浇炉的可浇性，后续炉次严禁喂Ca线，以避免喂线时钢液发生严重的二次氧化；软吹确保钢液中夹杂物充分上浮；
(4)CCM连铸
连铸连浇炉次首炉过热度控制在25～35℃，其余连浇炉次过热度控制在15～25℃，恒拉速控制为0.70m/min；连铸过程采用碱性覆盖剂，大包下水口与长水口之间采用氩气保护，并保持0.7～0.9Pa的微正压；采用Φ45mm的加大口径水口，以及高铝钢专用保护渣。
2.如权利要求1所述的高铝氮化钢的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述的低硅合成渣料中SiO2的质量含量≤2.0％。
3.如权利要求1所述的高铝氮化钢的制造方法，其特征在于：步骤(4)中所述的高铝钢专用保护渣中Al2O3的质量含量≤3.0％。
4.如权利要求1所述的高铝氮化钢的制造方法，其特征在于：步骤(3)中所述的软吹时间≥35分钟。
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