CN107488788B - 一种用于生产17-4ph钢锭的专用渣系及其制备和使用方法 - Google Patents

一种用于生产17-4ph钢锭的专用渣系及其制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

一种用于生产17‑4PH钢锭的专用渣系，该专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：26~28%，CaO：25~27%，SiO2：4~5%，MgO：5~6%，余量为CaF2；其二元碱度CaO/SiO2为5~6.75；该专用渣系的熔化半球温度为1220~1250℃；0.402~0.434Ω•cm。在1500℃下的粘度为0.0352~0.0359 Pa•s。本发明的渣系熔点较低，电阻率较高，粘度随温度变化较小，高温塑性较好，碱度较高，氟化物含量低，化渣速度快，能够满足抽锭式电渣重熔法生产17‑4PH钢锭的要求，能够保证17‑4PH钢锭的内部质量和表面质量，并具有节能和环保的优点。

Description

一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系及其制备和使用方法
技术领域
本发明属于钢铁冶炼领域，具体涉及一种用于生产17-4PH钢锭的节能环保专用渣系及其制备和使用方法。
背景技术
17-4PH合金是一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，由于具有较强的耐压强度、耐腐蚀、抗辐射性能，被广泛应用于航天涡轮机叶片、海洋平台、直升机甲板、核燃料废物桶等重要领域。
17-4PH合金的成分特点为含有较高的Cr、Cu、Ni、Nb等合金元素，其中的Cr含量为15.0%~17.5%，Ni含量为3%~5%，Cu含量为3%~5%，Nb含量为0.20%~0.45%。然而，由于17-4PH合金含有大量的Cu、Cr等合金元素导致该钢的粘度较大，在冶炼过程中的钢水流动性很差，这使得17-4PH钢锭的凝固质量较差，容易出现较严重的夹杂、缩孔、疏松、偏析等内部质量问题，而且也容易造成钢锭表面褶皱、渣沟等表面质量问题。鉴于该钢在冶炼过程中存在的难度，一般采用电渣重熔方法制备17-4PH钢锭，这是由于电渣重熔法可以实现浇注和凝固过程的分离，既可以对钢水进行二次精炼保证钢水的纯净度，又可以在水冷结晶器的强制冷却作用下保证钢锭的凝固组织致密性，同时电渣重熔过程中在钢锭和结晶器之间的渣皮可以起到较好的润滑作用，从而保证钢锭的表面质量。为了保证电渣重熔17-4PH合金时能够使钢锭具有优异的内部质量和表面质量，需要有适合于该钢种的专用预熔渣渣系，这种渣系需要满足熔点较低、粘度较低的特点。
目前，生产钢材所需的渣系基本上均为Al2O3，CaO，SiO2，MgO和CaF2的组合，但是不同的配比适用于生产不同的钢锭。针对于电渣重熔法生产17-4PH合金时，常规的渣系配比电耗较高，电阻率较低，无法满足润滑功能，致使钢锭表面会出现结瘤、渣沟、重皮等表面质量缺陷，同时，传统渣系在一定温度范围内粘度随温度变化易产生突变，上述缺陷都会影响17-4PH钢锭的成本和质量。
因此，研制一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系及其制备和使用方法，使其满足节能、环保、低熔点、低粘度的特点，是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对冶炼17-4PH钢锭时存在的问题以及对渣系提出的要求，本发明的目的在于提供一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系及其制备和使用方法，该专用渣系具有低熔点、节能、流动性好的优点，通过调整渣系的成分，使渣系的熔点降低且电导率增大，粘度随温度的变化速率较小，并且具有优异的高温塑性。本发明在传统抽锭渣系（60%CaF2+20%CaO+20%Al2O3）的基础上，提高了CaO的比例，主要目的是为了降低渣的熔点，以达到节能降耗的目的；但CaO量增加后，熔渣容易吸收空气中的水分而使钢水增氢，因此也提高了MgO的比例，这是因为MgO熔化后会产生致密的薄膜，可以起到防止吸潮的作用；而MgO增加会使渣的粘度增大，流动性降低，为降低熔渣的粘度，提高了渣中的SiO2含量。SiO2的另一个作用是增加渣的润滑性能和高温强度，有利于抽锭工艺的顺利进行。与传统抽锭渣系相比较，本发明渣系中的CaF2含量较低，减少了冶炼过程中的氟化物挥发，降低了对环境的污染。
本发明的目的是这样实现的：一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系，该专用渣系的成分按重量百分比为Al2O3：26~28%，CaO：25~27%，SiO2：4~5%，MgO：5~6%，CaF2含量为34~40%，二元碱度在5~6.75之间。
优选的，该专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：26.2 %，CaO：25.7%，SiO2：4.89 %，MgO：5.2 %，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为5.25。
优选的，该专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：27.8%，CaO：26.9%，SiO2：4.1%，MgO：5.9%，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为6.5。
该专用渣系的熔化半球温度为1220~1250℃。
该专用渣系用于抽锭式电渣重熔法生产沉淀硬化型马氏体不锈钢17-4PH钢锭。
该专用渣系在1600℃的电阻率为0.402~0.434Ω•cm，在1500℃下的粘度为0.0352~0.0359 Pa•s。
一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系的制备方法，该方制备法包括如下步骤：将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1560℃下熔炼40min以上。
然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为5~10mm，制成上述成分含量的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系。
一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系的使用方法，该使用方法包括如下步骤：首先将本发明渣系的熔渣烘烤至800℃，并保温10h以上；在电渣重熔过程中，将烘烤过的专用渣系在化渣炉内升温至1600℃以上并熔清，然后精炼20min左右，将液态炉渣浇注到电渣炉的结晶器内，将待重熔的自耗电极***结晶器中后通电，使自耗电极与炉渣接触形成通电回路，进行电渣重熔17-4PH的熔炼过程，待电极熔化后形成熔池后开始抽锭操作。
经试验研究表明：当渣中含有26%~28%的Al2O3，CaO：25~27%，SiO2：4~5%，MgO：5~6%，CaF2：34~40%时，既可保证渣的电阻率值较高又可以使渣系熔点（即熔化半球温度）较低，粘度测定实验结果表明在该配比条件下得到的渣系为长渣，并且4~5% 的SiO2含量使熔渣具有较好的高温塑性和强度，在抽锭时不易破裂从而可以防止漏钢和漏渣事故的发生，而该渣系的高碱度特性抑制了SiO2的活度，可以防止易氧化元素的烧损。本渣系中CaF2的含量较低而Al2O3的含量较高，因此电阻率较高，有利于降低电耗；该渣系半球温度比ANF-6渣系（30% Al2O3，70%CaF2）低约150℃（ANF-6渣系的半球温度为1400℃左右）；该渣系的粘度数据也优于传统的ANF-6渣，粘度随时间变化的过渡非常平缓，尤其是温度达到1400℃以上时，粘度随温度变化非常小，这种渣系可以使渣皮具有较稳定的摩擦系数和强度，从而保证渣皮厚度均匀且连续，改善电渣钢锭的表面质量，同时能够减少抽锭过程中由于渣皮摩擦力过大而导致漏渣和漏钢等现象。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果。
（1）由于CaO和SiO2含量均较高，本发明渣系具有较低的熔点，在相同温度下具有更好的流动性。
（2）具有“长渣”的特性和较好的高温强度，即在一定温度范围内渣系的粘度不随温度变化而产生突变，从而保证了良好的高温塑性，适用于抽锭式电渣重熔炉。
（3）由于Al2O3含量较高，渣系的电阻率较高，同时熔点较低，化渣速度快，能够起到较好的节能效果。
（4）碱度较高，能够保证重熔过程中易氧化元素的稳定性。
（5）氟化钙含量较低，属于低氟渣系，能够减少冶炼过程的氟化物挥发，减小对环境的危害。
附图说明
图1为采用本发明实施例1的产品进行抽锭式电渣重熔制取电渣锭表面照片图。
图2为采用传统实心锭抽锭渣系进行抽锭式电渣重熔制取的电渣锭表面照片图。
图3为本发明实施例中的渣系与传统抽锭渣系、传统ANF-6渣系的温度-粘度曲线对比图；图中S1为实施例1的产品，S2为实施例3的产品，S3为传统实心锭用抽锭渣系，ANF-6为传统70% CaF2+30% Al2O3渣系。
具体实施方式
本发明实施例中采用的萤石为重量纯度≥98%的高纯萤石块。
本发明实施例中采用的石灰中CaO的重量含量≥92%。
本发明实施例中采用的工业氧化铝中Al2O3的重量纯度≥99%。
本发明实施例中采用的电熔镁砂中MgO的重量纯度≥98%。
本发明实施例中采用的硅石中SiO2的重量纯度≥98%。
实施例1。
采用高纯萤石块、石灰、工业氧化铝粉、电熔镁砂和硅石为原料，将准备好的各原料混合后，采用电渣炉石墨电极化渣，物料全部熔化后继续精炼40分钟；然后浇铸到底部厚度为60mm的铸铁盘内，经冷却凝固至室温后，采用破碎机粉碎后，筛选出粒度为5~10mm的部分，获得用于抽锭式电渣重熔法生产沉淀硬化型马氏体不锈钢17-4PH钢锭的预熔渣，然后包装成10kg一袋，供抽锭式电渣炉使用。
上述专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：26.2 %，CaO：25.7%，SiO2：4.89 %，MgO：5.2 %，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为5.25。
采用上述预熔渣在东北大学特殊钢冶金研究所的300kg多功能电渣炉试验，首先将本发明渣系的熔渣烘烤至800℃，并保温10h以上；在电渣重熔过程中，将烘烤过的专用渣系在化渣炉内升温至1600℃以上并熔清，然后精炼20min左右，将液态炉渣浇注到电渣炉的结晶器内，将待重熔的自耗电极***结晶器中后通电，使自耗电极与炉渣接触形成通电回路，进行电渣重熔17-4PH的熔炼过程，待电极熔化后形成熔池后开始抽锭操作。
电渣重熔时，预熔渣的用量以保证渣池高度为260~280mm计算，为240~260kg/炉钢，电压为63~68V，电流为18~20kA，熔化速率为800~970kg/h，采用的熔炼炉的控制拉速为10~12 mm/min；其中自耗电极是采用AOD炉工艺生产并经轧制制成，直径Φ160mm；制取的电渣锭尺寸为Φ450mm，端钢锭表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷，非金属夹杂物总重量含量降低69%；制取的电渣锭表面照片如图1所示。
1、Al2O3含量的筛选过程。
以实施例1的含量为基准，固定CaO、SiO2、MgO的含量，加入不同含量（20~30%）的Al2O3，余量为CaF2，检测电阻率和半球温度，不同Al2O3含量下渣的物性参数见表1。
结果显示，当Al2O3含量在26-28%时，电阻率和半球温度能达到生产17-4PH的要求。
2、CaO含量的筛选。
以实施例1的含量为基准，固定Al2O3、SiO2、MgO的含量，加入不同含量（20~30%）的CaO，余量为CaF2 ，检测电阻率和半球温度，不同CaO含量下渣的物性参数见表2。
结果显示，当CaO含量在25-27%时，电阻率较高而熔化半球温度较低，能达满足冶炼17-4PH时的节能降耗的要求。
3、SiO2含量的筛选过程。
以实施例1的含量为基准，固定Al2O3、CaO、MgO的含量，加入不同含量（2~6%）的SiO2，余量为CaF2 ，检测电阻率和半球温度，不同SiO2含量时的渣的物性参数见表3。
结果显示，当SiO2含量在4-5%时，具有良好的高温塑性和强度，满足生产17-4PH的要求。
实施例2。
采用上述实例1中冶炼的预熔渣电渣重熔0Cr17Ni4Cu4Nb钢（即17-4PH），在江苏某企业的1.5吨电渣炉进行生产。
本次电渣重熔时，将该预熔渣直接在电渣炉结晶器内，采用固渣起弧工艺，本次用渣量为30kg，化渣时间为30min。冶炼时电压为57V-58V , 电流为6800A-7500A，结晶器规格为Ф330mm，电极棒为中频炉+精炼炉工艺经锻造后的205mm方棒。实际重熔熔化700kg钢锭，熔化时间3小时。
生产完毕的电渣锭表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，S、P含量较低，与电极材料相比，电渣锭的非金属夹杂物含量降低约65%。
实施例3。
将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1560℃下熔炼43min；然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为5~10mm，制成上述成分含量的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系。获得用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，包装成20kg一袋，供电渣炉使用。
上述专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：27.8%，CaO：26.9%，SiO2：4.1%，MgO：5.9%配置，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为6.5。
采用上述预熔渣在安徽某企业生产电渣重熔17-4PH，化渣工艺为液渣启动，即石墨电极首先化渣，然后换金属电渣化钢。冶炼期间工艺为：电压：48V～52V；冶炼电流：13000-13500A。熔速控制在480kg/h～520kg/h。
经实验，本渣系冶炼的电渣锭表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷，S、P含量较低，与原始电极材料相比，电渣锭的A类非金属夹杂物含量降低约62%，B类非金属夹杂物含量降低约57%，C类非金属夹杂物含量降低约65%。
对比例1。
将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1550℃下熔炼30min；然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为3~12mm，制成传统实心锭用抽锭渣系。
传统实心锭用抽锭渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：20%，CaO：19.8%，CaF2：59%配置，余量为SiO2。
将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1480~1570℃下熔炼35min；然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为1~10mm，制成ANF-6渣系。
ANF-6渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：29%，CaF2：70%配置，余量为SiO2。
实施例1、实施例3、传统实心锭用抽锭渣系(60%CaF2，20%Al2O3，20%CaO)、ANF-6(30% Al2O3，70%CaF2)的物性参数如表4所示，1300~1500℃范围内粘度如表5所示。
结果显示，实施例1和3，即本发明渣系的性能优于传统实心锭用抽锭渣系和ANF-6。
由上表可见，传统实心锭用抽锭渣系和ANF-6渣的粘度随温度变化较大，曲线见图3。采用传统实心锭用抽锭渣系(60%CaF2，20%Al2O3，20%CaO)重复上述试验，制取的电渣锭表面照片如图2所示。经生产实验发现，传统渣系冶炼的电渣锭表面质量较差，出现明显渣沟、结瘤等缺陷，非金属夹杂物总重量含量较高。
对比例2。
将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1560℃下熔炼43min；然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为5~10mm，制成上述成分含量的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系。获得用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，包装成20kg一袋，供电渣炉使用。
上述专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：27.7%，CaO：30%，SiO2：4.15%，MgO：5.9%配置，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为7.2。
采用上述预熔渣在安徽某企业生产电渣重熔17-4PH，化渣工艺为液渣启动，即石墨电极首先化渣，然后换金属电渣化钢。冶炼期间工艺为：电压：52V；冶炼电流：13000A。熔速控制在4.35kg/min。
经实验，电渣锭中氢含量达到4.3ppm，而该钢的氢含量要求为3ppm以下，不满足质量要求。
通过对比例2的对比，可以得出CaO含量高出本发明所限定的25%～27%时，会造成熔炼过程中发生较明显的吸潮现象，不利于钢中氢的去除。
对比例3。
将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1560℃下熔炼43min；然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为5~10mm，制成上述成分含量的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系。获得用于抽锭式电渣重熔制取空心锭的低污染节能预熔渣，包装成20kg一袋，供电渣炉使用。
上述专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：27.5%，CaO：20%，SiO2：4.12%，MgO：5.9%配置，余量为CaF2；渣的二元碱度CaO/SiO2为4.85。
采用上述预熔渣在安徽某企业生产电渣重熔17-4PH，化渣工艺为液渣启动，即石墨电极首先化渣，然后换金属电渣化钢。冶炼期间工艺为：电压：52V；冶炼电流：13000A。熔速控制在4.35kg/min。
对熔炼后的电渣锭进行实验分析，钢中A类非金属夹杂物降低45%左右，B类非金属夹杂物含量降低30%左右，C类非金属夹杂物含量降低约35%，去除夹杂物的效果明显低于本发明的渣系。
通过对比例3的对比，可以得出CaO含量低于本发明所限定的25%～27%时，不利于钢中夹杂物的去除。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系，其特征在于该专用渣系由下列重量百分比的成分组成：Al2O3：26~28%，CaO：25~27%，SiO2：4~4.89%，MgO：5.2~6%，余量为CaF2，二元碱度在5~6.75之间；
该专用渣系用于抽锭式电渣重熔法生产沉淀硬化型马氏体不锈钢17-4PH钢锭。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系，其特征在于，其特征在于该专用渣系的熔化半球温度为1220~1250℃。
3.根据权利要求1所述的一种用于生产17-4PH钢锭的专用渣系，其特征在于，该专用渣系在1600℃的电阻率为0.402~0.434Ω•cm，在1500℃下的粘度为0.0352~0.0359 Pa•s。
4.一种如权利要求1所述的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：将萤石、生石灰、氧化铝、电熔镁砂、硅石按比例混合后，熔化并搅拌均匀，在1500~1560℃下熔炼40min以上；
然后将其浇注到钢板制成的水冷渣盘内，冷却至室温，将其粉碎至粒度为5~10mm，制成上述成分含量的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系。
5.一种如权利要求1所述的用于生产17-4PH钢锭的专用渣系的使用方法，其特征在于，该使用方法包括如下步骤：首先将渣系的熔渣烘烤至800℃，并保温10h以上；在电渣重熔过程中，将烘烤过的专用渣系在化渣炉内升温至1600℃以上并熔清，然后精炼20min，将液态炉渣浇注到电渣炉的结晶器内，将待重熔的自耗电极***结晶器中后通电，使自耗电极与炉渣接触形成通电回路，进行电渣重熔17-4PH的熔炼过程，待电极熔化后形成熔池后开始抽锭操作。
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