CN112813351B

CN112813351B - 一种高锰钢及其冶炼方法

Info

Publication number: CN112813351B
Application number: CN202110013551.1A
Authority: CN
Inventors: 李广帮; 廖相巍; 尚德礼; 常桂华; 吕春风
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112813351A

Abstract

本发明涉及一种高锰钢及其冶炼方法，所述高锰钢的化学成分为：C:0.32％～0.38％,Si:0.18％～0.28％,Mn:26％～30％,P≤0.0030％,S≤0.0050％,Als:0.015％～0.030％,其余为铁及不可避免的杂质；高锰钢的冶炼方法包括熔炼、LF炉精炼、RH真空处理及连铸过程；在LF炉精炼处理前，将锰含量为高锰钢成品锰含量95％以上的金属锰加入到钢液中。在不增加熔炼设备的前提下，能够将锰含量为26％～30％高锰钢中的磷含量控制在超低水平，并能够实现连续生产，且工艺过程简单，生产稳定可靠，成本低，效率高。

Description

一种高锰钢及其冶炼方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种高锰钢及其冶炼方法。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，工业中对金属材料的使用性能和经济性能有了越来越高的要求。众所周知，合金元素在提高钢铁材料综合性能中起到了十分重要的作用，如合金元素Mn能显著提高钢的强度、耐磨性，减弱钢因S含量过高所引起的热脆性，以改善钢的热加工性能，还能提高钢中铁素体和奥氏体硬度和强度，增加钢的淬透性。为了进一步改善钢的性能，冶炼时有目的地在碳钢中加入某些特殊的合金元素，使之成为具有各种特殊性能的合金钢。

目前，合金钢已成为我国国防建设和现代化基础建设中必不可少的基础材料，钢的合金化也是钢铁生产中最重要的工序之一。合金钢按照用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢、合金专用钢等。冶炼合金钢的主要工艺是将合金以铁合金或金属单质的形式加入钢液。

Mn在钢中具有扩大γ相区，获得稳定奥氏体组织的功能。当钢中碳含量一定时，随着锰含量的增加，钢的组织逐渐由珠光体型变为马氏体型并进一步转变为奥氏体型。低温LNG船用钢以镍钢和不锈钢为主，在制造过程中需要消耗大量宝贵的镍资源，并导致生产成本大幅增加。锰元素和镍元素在某些方面具有相似的特性，如两者都易溶于铁素体和奥氏体中，从而扩大奥氏体区；两者均使临界温度A3点降低，(α+γ)区下移。中国锰资源丰富，价格低廉，通过锰与其他合金共同作用，能够使钢板在室温下体现奥氏体组织特性，以面心立方晶格为主，避免或减轻钢板低温转脆现象，使钢板能够在极低温度范围内使用。因此，研究LNG船用高锰钢的冶炼方法具有重大的经济效益以及社会效益。对于高锰钢，随着锰含量的增加，锰会进一步加剧钢中磷的偏聚，因此，对于锰含量达到26％～30％的高锰钢，需要将钢中的磷含量严格控制在0.0030％以下。

申请号为201910389922.9中国专利申请公开了“一种LNG船用高锰钢的冶炼方法”，包括：(1)初炼炉初炼：生铁和铁水加入量≥50t、占初炼炉容量的比例≥50％，出钢钢水P≤0.004％；(2)LF炉精炼：多批次加入金属锰合金化，根据内控成分调整金属锰加入次数；(3)VD真空处理：VD座包后，各合金按目标值调入，根据内控成分调整加入金属锰次数；(4)连铸工序：钢水过热度控制在45-50℃吊包浇铸，钢坯经后续加工得到LNG船用高锰钢。本发明将钢中锰含量控制在22.5-25.5％，钢水纯净度高，力学性能：Rp0.2≥400MPa，Rm：800-970MPa，A50≥22％，-196℃低温冲击韧性AKV≥41J。该技术方案是通过在LF精炼时多批次加入金属锰进行合金化，加入次数达到9-18次，由于LF通过电极加热，需要熔化合金和还原钢渣，电极的升温速度比较低，仅仅熔化合金就需要几个小时，将会大幅增加生产成本；另外，由于LF的生产节奏比较慢，难以在生产上实现连铸，局限性非常大。

公告号为CN106086314B中国发明专利公开了“一种低成本生产高锰钢的精炼方法”，在转炉出钢前和钢水精炼过程中加入锰合成渣，并在钢水精炼过程中加入还原剂进行脱硫处理，并加入添加料。其制得的高锰钢，磷杂质含量明显降低，生产高锰钢的过程明显降低了成本，而且减少了锰铁合金的使用，避免了生产锰铁合金时造成污染或消耗过多的劳动力。该技术方案生产的是锰含量为13％的高锰钢，磷含量只能达到0.01％的水平，如果锰含量更高，磷含量将会大幅增加，且难以做到更低。另外，该技术方案在钢水精炼过程中，先将钢水加热至1600℃，再加入锰合成渣和石灰，进行脱磷处理；向钢水精炼渣中加入铝粉、碳化硅作为还原剂，同时搅拌，直至精炼渣变为灰白色，并没有提到脱完磷后如何处理，之后采取还原操作，这就会造成渣中的磷重新返回到钢液中。

总之，如何在制备高锰钢的过程中保证锰合金快速熔化，同时控制极低的磷含量，现有技术还无法实现，因此不能高效、高质量的生产高锰含量的钢种。

发明内容

本发明提供了一种高锰钢及其冶炼方法，在不增加熔炼设备的前提下，能够将锰含量为26％～30％高锰钢中的磷含量控制在超低水平，并能够实现连续生产，且工艺过程简单，生产稳定可靠，成本低，效率高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高锰钢，其化学成分为：C:0.32％～0.38％,Si:0.18％～0.28％,Mn:26％～30％,P≤0.0030％,S≤0.0050％,Als:0.015％～0.030％,其余为铁及不可避免的杂质；所述高锰钢的力学性能指标为：Rp_0.2：450～500MPa，Rm：980～1100MPa，A₅₀：26％～30％，-196℃低温冲击韧性A_KV：47～52J。

一种高锰钢的冶炼方法，包括熔炼、LF炉精炼、RH真空处理及连铸过程；其特征在于，在LF炉精炼处理前，将锰含量为高锰钢成品锰含量95％以上的金属锰加入到钢液中。

一种高锰钢的冶炼方法，具体过程如下：

1)制备升温剂；

将金属铝粉与铁红按照质量比1:2.5～3.5混合，配制成升温剂，备用；

2)向钢包内出钢并加入金属锰；

在准备出钢的钢包内加入金属锰，先加入金属锰总量的1/4～1/3；然后加入升温剂，升温剂的加入量与钢水量的比值为1:45～55；将升温剂装入4～6个顶部开口的铁桶内，将铁桶均布在钢包内；再加入金属锰总量的1/4～1/3，其余的金属锰在出钢过程中加入；

3)高温出钢；

钢水温度升高至1700～1730℃时出钢，出钢钢水的磷含量控制在0.0015％～0.0026％；钢水出至总钢水量3/4前完成金属锰的加入；利用高温钢水及升温剂实现对金属锰的熔化，并使钢水充分合金化；出钢过程控制下渣量，使下渣量不超过3kg/t钢；

4)LF炉精炼及合金化；

LF炉精炼时，首先接通氩气进行底吹，使钢液面的钢渣活跃；然后采用电极对钢液加热升温，同时加入石灰和铝钒土进行造渣，并加入铝线段对钢液进行还原操作，调整钢液温度为1550～1575℃，由LF炉搬出；

5)RH真空处理；

LF炉精炼后的钢水进入RH精炼炉进行脱气处理，脱除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的洁净度，保证钢液中的氮含量≤0.0050％，氧含量≤0.0020％，氢含量≤0.0002％；

6)钢液连铸：钢液采取低过热度进行浇铸，过热度控制在20～25℃。

所述金属铝粉的Al含量≥98％，粒度为80～150目。

所述铁红中的Fe₂O₃含量≥98％，粒度为100～200目。

装有升温剂的铁桶沿同一圆周分布，分布圆半径为0.4～0.6r，r为钢包半径。

所述金属锰的锰含量≥98％，磷含量≤0.0030％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过在LF精炼前对金属锰实现快速熔化，大幅降低LF精炼工序的处理时间，使各工序协调有序，有利于连续生产，其工艺方法简单、生产稳定可靠；

2)在保证合金充分熔化的前提下不需要增加新的熔炼设备。

3)实现钢中高锰含量的同时，保证将磷含量控制在极低水平，使高锰钢产品的综合性能更加优异。

具体实施方式

本发明所述一种高锰钢，其化学成分为：C:0.32％～0.38％,Si:0.18％～0.28％,Mn:26％～30％,P≤0.0030％,S≤0.0050％,Als:0.015％～0.030％,其余为铁及不可避免的杂质；所述高锰钢的力学性能指标为：Rp_0.2：450～500MPa，Rm：980～1100MPa，A₅₀：26％～30％，-196℃低温冲击韧性A_KV：47～52J。

一种高锰钢的冶炼方法，具体过程如下：

1)制备升温剂；

2)向钢包内出钢并加入金属锰；

3)高温出钢；

4)LF炉精炼及合金化；

5)RH真空处理；

所述金属铝粉的Al含量≥98％，粒度为80～150目。

所述铁红中的Fe₂O₃含量≥98％，粒度为100～200目。

所述金属锰的锰含量≥98％，磷含量≤0.0030％。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，在LF炉精炼处理前，将占高锰钢成品锰含量98％的金属锰加入到钢液中，使之后的各工序操作方便、有序，并实现连续生产，同时保证钢中的磷含量控制在超低磷的水平；高锰钢的冶炼过程如下：

1、制备升温剂：升温剂采用金属铝粉+铁红制备，金属铝粉中Al含量为98％，粒度为80目；铁红中Fe₂O₃含量为98％，粒度为150目；按照铝粉：铁红＝1:2.5的质量比例配制成升温剂，将配制好的升温剂装入4个顶部开口的铁桶内，备用。

本实施例中，升温剂的加入量与总钢水量的比例为1:50。

2、向钢包内出钢并加入金属锰：在准备出钢的钢包内，首先加入占总加入量1/3的金属锰，然后将装有升温剂的4个铁桶均布在钢包内的同一圆周上，圆周半径为0.5r，r为钢包半径；再加入占总加入量1/4的金属锰，剩余的金属锰在出钢过程中加入钢包；

所加入的金属锰中锰含量为99％，磷含量为0.0020％。

3、高温出钢：待钢水温度升高至1720℃时出钢，出钢钢水的磷含量控制在0.0020％，钢水出到装有升温剂的钢包内，在钢水出至总钢水量的3/4前完成金属锰的加入；利用高温钢水及升温剂实现对金属锰的熔化，使钢水充分合金化，出钢过程中控制下渣量(本实施例中，下渣量为3kg/t钢)，以控制精炼过程中的回磷量。

4、LF炉精炼及合金化：在LF炉精炼时，首先接通氩气进行底吹，使钢液面的钢渣活跃，然后对钢液采用电极升温，同时加入石灰和铝钒土进行造渣，并加入铝线段对钢液进行还原操作，微调钢水成分，待钢渣完全变白后，调整钢液温度，钢液温度为1560℃时由LF炉搬出。

5、RH真空处理：经LF炉精炼处理后的钢水进入RH精炼炉进行脱气处理，脱除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的洁净度，控制钢液中的氮含量0.0045％，氧含量≤0.0018％，氢含量0.0002％。

6、钢液连铸：钢液采取低过热度进行浇铸，过热度控制在25℃，最终得到超低磷的高锰钢。

本实施例生产的高锰钢，主要化学成分为C:0.38％,Mn:29％,P:0.0030％。力学性能优良，其中Rp_0.2：487MPa，Rm：990MPa，A₅₀：30％，-196℃低温冲击韧性A_KV：49J。

【实施例2】

本实施例中，在LF炉精炼处理前，将占高锰钢成品锰含量96％的金属锰加入到钢液中，使之后的各工序操作方便、有序，并实现连续生产，同时保证钢中的磷含量控制在超低磷的水平；高锰钢的冶炼过程如下：

1、制备升温剂：升温剂采用金属铝粉+铁红制备，金属铝粉中Al含量为99％，粒度为150目；铁红中Fe₂O₃含量为98％，粒度为100目；按照铝粉：铁红＝1:3.5的质量比例配制成升温剂，将配制好的升温剂装入6个顶部开口的铁桶内，备用。

本实施例中，升温剂的加入量与总钢水量的比例为1:45。

2、向钢包内出钢并加入金属锰：在准备出钢的钢包内，首先加入占总加入量1/3的金属锰，然后将装有升温剂的6个铁桶均布在钢包内的同一圆周上，圆周半径为0.5r，r为钢包半径；再加入占总加入量1/3的金属锰，剩余的金属锰在出钢过程中加入钢包；

所加入的金属锰中锰含量为98％，磷含量为0.0030％。

3、高温出钢：待钢水温度升高至1710℃时出钢，出钢钢水的磷含量控制在0.0025％，钢水出到装有升温剂的钢包内，在钢水出至总钢水量的3/4前完成金属锰的加入；利用高温钢水及升温剂实现对金属锰的熔化，使钢水充分合金化，出钢过程中控制下渣量(本实施例中，下渣量为2kg/t钢)，以控制精炼过程中的回磷量。

4、LF炉精炼及合金化：在LF炉精炼时，首先接通氩气进行底吹，使钢液面的钢渣活跃，然后对钢液采用电极升温，同时加入石灰和铝钒土进行造渣，并加入铝线段对钢液进行还原操作，微调钢水成分，待钢渣完全变白后，调整钢液温度，钢液温度为1550℃时由LF炉搬出。

5、RH真空处理：经LF炉精炼处理后的钢水进入RH精炼炉进行脱气处理，脱除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的洁净度，控制钢液中的氮含量0.0043％，氧含量≤0.0017％，氢含量≤0.0002％。

6.钢液连铸：钢水采取低过热度进行浇铸，过热度控制在25℃，得到超低磷的高锰钢。

本实施例生产的高锰钢，主要化学成分为C:0.35％,Mn:26％,P≤0.0030％。力学性能优良，其中Rp_0.2：495MPa，Rm：1080MPa，A₅₀：29％，-196℃低温冲击韧性A_KV：48J。

【实施例3】

本实施例中，在LF炉精炼处理前，将占高锰钢成品锰含量97％的金属锰加入到钢液中，使之后的各工序操作方便、有序，并实现连续生产，同时保证钢中的磷含量控制在超低磷的水平；高锰钢的冶炼过程如下：

1、制备升温剂：升温剂采用金属铝粉+铁红制备，金属铝粉中Al含量为98％，粒度为100目；铁红中Fe₂O₃含量为99％，粒度为200目；按照铝粉：铁红＝1:3.0的质量比例配制成升温剂，将配制好的升温剂装入5个顶部开口的铁桶内，备用。本实施例中，升温剂的加入量与总钢水量的比例为1:55。

2、向钢包内出钢并加入金属锰：在准备出钢的钢包内，首先加入占总加入量1/4的金属锰，然后将装有升温剂的5个铁桶均布在钢包内的同一圆周上，圆周半径为0.5r，r为钢包半径；再加入占总加入量1/3的金属锰，剩余的金属锰在出钢过程中加入钢包；

所加入的金属锰中锰含量为99％，磷含量为0.0030％。

3、高温出钢：待钢水温度升高至1730℃时出钢，出钢钢水的磷含量控制在0.0018％，钢水出到装有升温剂的钢包内，在钢水出至总钢水量的3/4前完成金属锰的加入；利用高温钢水及升温剂实现对金属锰的熔化，使钢水充分合金化，出钢过程中控制下渣量(本实施例中，下渣量为3kg/t钢)，以控制精炼过程中的回磷量。

4、LF炉精炼及合金化：在LF炉精炼时，首先接通氩气进行底吹，使钢液面的钢渣活跃，然后对钢液采用电极升温，同时加入石灰和铝钒土进行造渣，并加入铝线段对钢液进行还原操作，微调钢水成分，待钢渣完全变白后，调整钢液温度，钢液温度为1572℃时由LF炉搬出。

5、RH真空处理：经LF炉精炼处理后的钢水进入RH精炼炉进行脱气处理，脱除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的洁净度，控制钢液中的氮含量0.0040％，氧含量≤0.0019％，氢含量0.0001％。

6、钢液连铸：钢液采取低过热度进行浇铸，过热度控制在20℃，最终得到超低磷的高锰钢。

本实施例生产的高锰钢，主要化学成分C:0.33％,Mn:28％,P:0.0026％。力学性能优良，其中Rp_0.2：460MPa，Rm：1050MPa，A₅₀：27％，-196℃低温冲击韧性A_KV：52J。

上述实施例证明，采用本发明所述方法后，在保证钢中高锰含量的同时，进一步降低了钢中的磷含量，使高锰钢的综合性能更加优异，同时通过化学升温保证锰合金顺利加入，大幅度降低精炼时间，使生产节奏更合理有效。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高锰钢，其特征在于，其化学成分为：C:0.32%～0.38%,Si:0.18%～0.28%,Mn:26%～28%,P≤0.0030%,S≤0.0050%,Als:0.015%～0.030%,其余为铁及不可避免的杂质；所述高锰钢的力学性能指标为：Rp0.2：450～500MPa，Rm：980～1100MPa，A50：26%～30%，-196℃低温冲击韧性AKV：47～52J；

所述高锰钢的冶炼方法，包括熔炼、LF炉精炼、RH真空处理及连铸过程；具体过程如下：

1）制备升温剂；

将金属铝粉与铁红按照质量比1:2.5～3.5混合，配制成升温剂，备用；所述金属铝粉的Al含量≥98%，粒度为80～150目；所述铁红中的Fe₂O₃含量≥98%，粒度为100～200目；

2）向钢包内出钢并加入金属锰，在LF炉精炼处理前，将锰含量为高锰钢成品锰含量95%以上的金属锰加入到钢液中；

3）高温出钢；

钢水温度升高至1700～1730℃时出钢，出钢钢水的磷含量控制在0.0015%～0.0026%；钢水出至总钢水量3/4前完成金属锰的加入；利用高温钢水及升温剂实现对金属锰的熔化，并使钢水充分合金化；出钢过程控制下渣量，使下渣量不超过3kg/t钢；

4）LF炉精炼及合金化；

5）RH真空处理；

LF炉精炼后的钢水进入RH精炼炉进行脱气处理，脱除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的洁净度，保证钢液中的氮含量≤0.0050%，氧含量≤0.0020%，氢含量≤0.0002%；

6）钢液连铸：钢液采取低过热度进行浇铸，过热度控制在20～25℃。

2.根据权利要求1所述的一种高锰钢，其特征在于，装有升温剂的铁桶沿同一圆周分布，分布圆半径为0.4～0.6r，r为钢包半径。

3.根据权利要求1所述的一种高锰钢，其特征在于，所述金属锰的锰含量≥98%，磷含量≤0.0030%。