CN113481422B - 一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法 - Google Patents

一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，通过在初炼过程合理地选择原材料成分、原材料配比及初炼出钢的C、S、P含量；精炼过程采用高碱度的渣系，选择合理脱氧剂和造渣材料的种类和用量，控制精炼出钢的O和S含量；真空过程通过控制有效真空度和脱气时间进一步降低钢液中的S和N、H、O含量；返回钢包精炼过程通过控制氩气流量和软吹时间充分促进的夹杂物的上浮和去除；真空浇注过程开启水口压力使钢流更加弥散进一步去除钢液中N、H、O含量，浇注过程控流减少浇注后期钢包渣随钢流卷入钢锭模以保证冒口钢液良好的补缩效果，该工艺方法使得成品钢液氧和S含量控制分别达到了15ppm和0.001%以下，具有高的洁净度，锻件无探伤超标的大颗粒夹杂物。

Description

一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法。
背景技术
世界各国主要采用以下两种途径提高模具钢的性能：其中一种途径是优化模具钢的成分和开发新钢种，另一种途径是改进模具钢生产流程和工艺控制技术。我国在规划中已明确提出：在热作模具钢方面，要开发具有自主知识产权的新型低成本、高寿命热作模具钢；开发超纯净、组织均匀的热作模具钢；获得极低的S、P含量及超细化组织；加入具有红硬性作用的合金元素以提高模具在高温下的硬度，提高热压铸模和热挤压模的使用寿命。
目前，我国热作模具钢存在两极分化并存的问题：一方面是以追求更低成本为目标的轧材，这种轧材性能不高，适用于一些要求不高的模具，或者通过改锻成各种规格的模块，使其性能得到大幅提升，但总成本与锻材相比仍然要低，因此，它在今后相当长的一段时间内将占据热作模具钢市场重要份额；另一方面，是以追求质量为主的锻材，主要体现在高品质热作模具钢，多应用于压铸模、锻模和挤压模等热作模具，这是我国模具行业走向模具强国的必经之路。虽然我国在研制开发新型模具钢方面做了大量工作，并对部分国外优良热作模具钢进行了国产化研究，为市场提供了质优价廉的模具钢，但能实际推向市场且广泛应用的相对较少，目前占市场主导地位的依然是从国外引进的H13系列通用型热作模具钢，而针对不同使用要求和工况的专用压铸模、热锻模及热挤压模依然很少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有较高的洁净度的超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电炉炼钢过程控制：依次完成配料，熔化，造渣脱磷，将钢液C、P、S含量分别控制在C:0.05-0.08％，P≤0.003％，S≤0.050％，然后进行出钢脱氧操作；
S2、精炼炉精炼过程控制：将步骤S1处理后的钢液转移至钢包精炼工位，加入石灰、铝矾土、萤石、镁砂造渣材料，送电造渣，分批加入脱氧剂，通过送电提温，造渣，吹氩，脱氧和合金调整操作，使钢液成分满足55NiCrMoV7标准的要求，进一步去除钢液中的S和O；
S3、VD过程控制：将步骤S2处理后的钢液转移至真空室内，逐级进泵提高气氛的真空度，使得钢液在真空条件下发生C、O反应和钢渣反应，进一步去除钢液中的H、N、O和S；
S4、返回LF钢包精炼过程控制：将步骤S3处理后的钢液重新转移至钢包精炼工位，送电提温至1610-1620℃，氩气流量≤15NL/min，执行软吹操作，软吹时间不低于15min，促进夹杂物上浮去除，软吹处理后出钢温度控制在1585℃-1595℃；
S5、钢锭浇注过程控制：将底盘、钢锭模和冒口清理准配完毕放至浇注工位，将步骤S4处理后的钢液引流后转移至浇注工位，执行抽真空操作，真空度≤0.5torr时，开始测温，开浇温度控制在1540-1550℃，浇注前期控制水口钢流2-3min，随后全流浇注，在钢锭模内液面距冒口下法兰100-200mm时开始二次控流，保持钢液流至冒口浇注高度达到工艺规定的值后，破空，加入发热剂和保温剂，随后钢液在锭模内模冷一定时间后脱模。
所述步骤S1在配料时，配碳量为1.0％-1.3％。进一步的，若在配料时选用生铁、废钢和C粉进行配料，可具体选用以下2种炉料配比：①当采用C块、生铁和废钢配料时，要求炉料配比为：配碳量为1.0-1.3％之间，生铁用量占总料重的10-15％，焦碳块一般按总料重的0.5％-0.8％配入；废钢比例，85-90％；②全废钢进行配料，配碳量为1.0-1.3％。
进一步的，所述步骤S1在配料完成后，电炉内的炉料依次进行熔清，吹氧脱碳，然后加入活性石灰和萤石，电炉的出钢条件为：C0.05-0.08％，S≤0.050％，P≤0.003％。
进一步的，所述步骤S1在电炉出钢时，先后随钢流依次加入脱氧剂Al 0.5-1.0kg/t钢水量、SiAlCaBa块0.5-1.0/t钢水量和SiAlCaBa粉0.5-2.0kg/t钢水量进行脱氧。
进一步的，将经过步骤S1处理后的钢液转移至钢包精炼工位后，精炼过程采用CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系来实现钢液脱硫和脱氧，渣系成分为CaO:48-56％，Al2O3：19-25％，SiO2：9-15％，MgO:4-9％。
进一步的，所述步骤S2，精炼结束后钢液中的S≤0.003％，O含量≤30ppm，精炼出站温度控制在1670-1680℃。
进一步的，所述步骤S3中，抽真空时间为10-15min，有效处理过程真空度为3.0torr-0.5torr,氩气流量控制在60-80NL/min，有效真空处理时间15-25min。
进一步的，所述步骤S4中，软吹时间不低于15min，软吹时的氩气流量控制在15-20NL/min。
进一步的，所述的步骤S5在浇注时，锭身浇注速度为3.2-3.8t/min，冒口浇注速度为锭身浇注速度的1/3-1/2，以达到良好的补缩效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过初炼过程合理地选择原材料的成分和原材料的配比，控制初炼出钢的S、P含量，精炼过程采用高碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系，选择合理脱氧剂的种类和用量，控制精炼出钢的O和S含量，真空过程通过控制有效真空度和脱气时间进一步降低钢液中的S和N、H、O含量，返回钢包精炼过程通过控制氩气流量和软吹时间充分促进的夹杂物的上浮和去除，真空浇注过程通过开启水口压力使得钢流更加弥散进一步去除钢液中N、H、氧气含量，并通过控流工艺手段减少浇注后期的卷渣进入钢锭模并保证了冒口钢液良好的补缩效果，该工艺方法使得成品钢液(浇注前钢液)氧和S含量控制分别达到了15ppm和0.001％以下，具有高的洁净度，钢锭锻制成材后锻件中无探伤超标的大颗粒夹杂物，超探符合GB-T6402-2008 3级要求，GB/T10561-2002高倍夹杂物评级A、B、C、D、Ds类夹杂物均为0.5级。
附图说明
图1为本发明浇注前期的照片；
图2为本发明浇注中期的照片；
图3为本发明浇注后期的照片；
图4模具钢成品实物图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
冶炼一炉55NiCrMoV7，单炉钢水量55吨，单支钢锭52.5吨，锻件成品厚度600mm，长度3600mm，宽度1600mm。钢锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.55％，Si：0.21％，Mn：0.85％，S:0.0010％，P0.008％，Cr:1.16％，Ni:1.77％，Mo:0.51％，V：0.09％；余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例超低硫低氧55CrNiMoV7模块用钢锭冶炼方法包括电炉炼钢过程控制、精炼炉精炼过程控制、VD过程控制和浇铸过程控制工序，具体工艺步骤如下所述：
S1电炉炼钢过程
(1)电炉配料组成为：含Ni0.60％的废钢42.3t、普通废钢15.3t、生铁5t(含碳量为4.3％)，总料重62.6t，配碳块500kg，电炉底灰1.5t；
(2)电炉炼钢过程氧气流量控制在1500-1650m3/h，溶清时钢液钢液温度控制在1550℃，溶清时钢液的成分为C：0.19％，Si：0.08％，Mn：0.10％，S:0.025，P:0.025，Cr:0.10％，Ni:0.49％，Mo:0.12，Cu：0.13％；，放除初期渣，送电提温至1580-1600℃之间，加入第一批石灰1600kg，温度控制在1590-1610℃之间，吹氧放渣，第二批批加入石灰加入量为1200kg，温度控制在1600-1620℃之间，吹氧放渣至P含量满足要求。
(3)电炉出钢时钢液成分为C：0.08％，Si：0.02％，Mn：0.04％，S:0.021，P0:003，Cr:0.06％，Ni:0.49％，Mo:0.12，Cu：0.13％；
(4)电炉初炼出钢时随钢流按加入55kgAl块，55kgSiAlCaBa块，随后加入高碳锰铁200kg，高碳铬铁300kg，最后加入55kg复合脱氧剂SiAlCaBa粉。
S2精炼工序
(1)精炼包到精炼工位后，分别加入石灰800kg，铝矾土250kg，镁砂100kg,送电提温至1580℃后，再加入石灰200kg，在进站40min之内，以上石灰、铝矾土、镁砂造渣材料加入完毕；
(2)LF送电化渣过程，分批加入C粉和Al粉分别为135kg和50kg,再加入高碳铬铁、Ni板、Mo铁、V铁、电解Mn调整钢液化学成分；
(3)精炼过程钢包氩气的流量控制在80-120NL/min，LF过程保持钢液的微正压气氛；
(4)LF过程精炼时间为129min,其中，白渣保持时间20min，LF出钢温度为1660℃；
(5)LF出钢钢液的成分为C：0.54％，Si：0.21％，Mn：0.87％，S:0.0022％，P：0.008％，Cr:1.15％，Ni:1.75％，Mo:0.51，V：0.09％,V：0.09％；O16ppm，N112ppm，H4.0ppm；
(6)LF出钢终渣成分检测结果CaO:53.2％、Al2O3：24.2％、SiO2：10.3％、MgO：5.8％、CaF2：1.3％、TFe:0.32％MnO:0.09％、S:0.37％；
S3 VD过程
(7)真空处理过程真空度控制在1torr-0.5torr之间，VD抽真空时间为15min，有效处理过程真空度为2.0torr-0.5torr；
(8)氩气流量控制在60-80NL/min，有效真空处理时间20min；
S4返回LF精炼过程
(9)钢包返回LF精炼进站后加入C粉10kg，泛黄的熔渣变白后，15min内加完脱氧剂，送电升温至1610℃；
(10)返加热过程软吹前取样，钢液成分为C：0.55％，Si：0.21％，Mn：0.86％，S:0.0012％，P：0.008％，Cr:1.17％，Ni:1.76％，Mo:0.51，V：0.09％；O：10ppm，N：40ppm，H：2.2ppm；
(11)调整Ar气流量为25L/min，执行软吹操作，观察钢液面不裸露，软吹时间为20min，软吹后出钢温度为1580℃。
S5 VC过程
(12)钢包返LF出站后转移至引流工位，引流后钢包滑板压力控制在0.2-0.3MPa之间，钢水引流量为0.5t；
(13)锭模辅具准备:冒口内壁质量良好，钢锭冒口烘烤良好，烘烤时间不低于6h，组模前冒口内壁发红，锭模和底盘打磨见光，为保证冒口良好的保温补缩效果，组模时机在钢包执行VD抽真空时开始；
(14)导流管准备：导流管烘烤良好，钢包引流前5min装配导流管；
(15)钢包吊至浇注工位后，开始抽真空，中间包开浇真空度≤0.5torr；
(16)开浇前2min开通水口氩气，吹氩压力0.1-0.8Mpa，开浇后水口压力调整至0.3Mpa；
(17)在浇注工位制取钢成品样，开浇温度为1546℃，成品钢样钢化学成分为C：0.55％，Si：0.21％，Mn：0.85％，S:0.0010％，P0.008％，Cr:1.16％，Ni:1.77％，Mo:0.51％，V：0.09％；
(18)浇注过程前2-3min控流，随后全流浇注，钢液面在距冒口下沿150左右位置再次对钢包进行控流，总浇注时间为21min，浇注前期，中期，后期的照片分别如图1至图3所示。
以下对钢锭冶金效果和钢冶金质量评价：返加热软吹前钢液O含量为10ppm，浇注前钢液S含量为0.0010％，非金属夹杂物按GB/T10561规定进行，锻件钢非金属夹杂物评级为A、B、C、D、Ds类均为0.5级，模块逐件按GB/T 6402/2008进行超声波检测，检验方法和内部质量的判定符合规定，无明显缺陷及大颗粒夹杂物。
实施例2
本实施例与实施例1采用同一工艺流程。
本实施例冶炼一炉55NiCrMoV7，单炉钢水量48吨，单支钢锭45.5吨，锻件成品厚度650mm，长度3650mm，宽度1400mm。钢锭化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.54％，Si：0.15％，Mn：0.85％，S:0.0008％，P0.007％，Cr:1.12％，Ni:1.75％，Mo:0.51％，V：0.08％，Cu：0.08％；余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例超低硫低氧55CrNiMoV7模块用钢锭冶炼方法包括电炉炼钢过程控制、精炼炉精炼过程控制、VOD过程控制和浇铸过程控制工序，具体工艺步骤如下所述：
S1、(1)电炉配料组成为：含Ni0.60％的废钢44.8t、普通废钢7.7t、生铁4.5t(含碳量为4.3％)，总料重57t，配碳块450kg，电炉底灰1.3t；
(2)电炉炼钢过程氧气流量控制在1500-1650m3/h，溶清时钢液钢液温度控制在1560℃，溶清时钢液的成分为C：0.23％，Si：0.09％，Mn：0.12％，S:0.024，P:0.015，Cr:0.15％，Ni:0.59％，Mo:0.12，Cu：0.08％；，放除初期渣，送电提温至1580-1600℃之间，加入第一批石灰1500kg，温度控制在1590-1610℃之间，吹氧放渣，第二批批加入石灰加入量为1100kg，温度控制在1600-1620℃之间，吹氧放渣至P含量满足要求。
(3)电炉出钢时钢液成分为C：0.06％，Si：0.03％，Mn：0.04％，S:0.021，P0.003，Cr:0.16％，Ni:0.60％，Mo:0.12，Cu：0.08％；
(4)电炉初炼出钢时随钢流按加入45kgAl块，45kgSiAlCaBa块、随后加入高碳锰铁100kg，高碳铬铁100kg，最后加入50kg复合脱氧剂SiAlCaBa粉。
S2、精炼工序：(1)精炼包到精炼工位后，分别加入石灰800kg，铝矾土250kg，镁砂100kg,送电提温至1580℃后，在加入石灰150kg，在LF进站40min之内以上石灰、铝矾土、镁砂造渣材料加入完毕；
(2)LF送电化渣过程分批加入C粉和Al粉分别为135kg和50kg,加入高碳铬铁、Ni板、Mo铁、V铁、电解Mn调整钢液化学成分；
(3)精炼过程钢包氩气的流量控制在80-120NL/min，LF过程保持钢液的微正压气氛；
(4)LF过程精炼时间121min,其中白渣保持时间20min，LF出钢温度为1660℃；
(5)LF出钢钢液的成分为C：0.54％，Si：0.14％，Mn：0.87％，S:0.0019％，P0.007％，Cr:1.13％，Ni:1.75％，Mo:0.51％，V：0.09％，Cu0.08％；O16ppm，N106ppm，H5.1ppm；
(6)LF出钢终渣成分检测结果CaO:52.2％、Al2O3：23.2％、SiO2：11.1％、MgO：6.2％、CaF2：2.0％、TFe:0.25％MnO:0.08％、S:0.42％；
S3、VD过程：
(7)真空处理过程真空度控制在1torr-0.5torr之间，VD抽真空时间为15min，有效处理过程真空度为2.0torr-0.5torr；
(8)氩气流量控制在60-80NL/min，有效真空处理时间20min；
S4返回LF精炼过程：
(9)钢包返回LF精炼进站后加入C粉5-10kg，泛黄的熔渣变白后，送电升温至1616℃；
(10)返加热过程软吹前取样，钢液成分为C：0.54％，Si：0.15％，Mn：0.86％，S：0.0011％，P0.007％，Cr：1.12％，Ni：1.75％，Mo：0.51％，V：0.08％，Cu：0.08％；O：9.6ppm，N：60ppm，H：1.9ppm；
(11)调整Ar气流量为20L/min，执行软吹操作，观察钢液面不裸露，软吹时间为20min，软吹后出钢温度为1586℃。
S5 VC过程：
其中，步骤(12)-(16)同实施例1。
(17)在浇注工位制取钢成品样，开浇温度为1546℃，成品钢样钢化学成分为C：0.54％，Si：0.15％，Mn：0.85％，S：0.0008％，P0.007％，Cr：1.12％，Ni：1.75％，Mo：0.51％，V：0.09％，Cu：0.08％；
(18)浇注过程前2-3min控流，随后全流浇注，钢液面在距冒口下沿150mm左右位置再次对钢包进行控流，总浇注时间为18min。
以下对钢锭冶金效果和冶金质量进行评价：
第一批完成4支52.5t和2支45.5t钢锭生产，冶金成品O含量和S含量控制水平见表1。模块锻件粗加工探伤加工完成后，模块逐件按GB/T 6402/2008进行超声波检测，无明显缺陷及大颗粒夹杂物，模具钢成品实物如图4所示。
表1模块成品钢液氧和硫含量
炉次 G253 G258 G277 G286 G541 G549
浇注前钢液氧含量，×10<sup>-4</sup>％ 13.7 11.8 10.2 9.3 9.6 14.7
钢液S含量，％ 0.0010 0.0006 0.0007 0.0009 0.0008 0.0010
非金属夹杂物按GB/T10561规定进行，锻件钢非金属夹杂物评级为A类≤0.5、B类≤0.5、C类≤0.5、D类≤0.5、Ds类≤0.5。
综上，本发明通过初炼过程合理地选择原材料的成分和原材料的配比，控制初炼出钢的S、P含量，精炼过程采用高碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系，选择合理脱氧剂的种类和用量，控制精炼出钢的O和S含量，真空过程通过控制有效真空度和脱气时间进一步降低钢液中的S和N、H、氧气含量，返回钢包精炼过程通过控制氩气流量和软吹时间充分促进的夹杂物的上浮和去除，真空浇注过程通过开启水口压力使得钢流更加弥散进一步去除钢液中N、H、氧气含量，并通过控流工艺手段减少浇注后期的卷渣进入钢锭模并保证了冒口钢液良好的补缩效果，该工艺方法使得成品钢液(浇注前钢液)O和S含量控制分别达到了15ppm和0.001％以下，具有较高的洁净度，钢锭锻制成材后锻件中无探伤超标的大颗粒夹杂物，超探符合GB-T6402-20083级要求，GB/T10561-2002高倍夹杂物评级A类≤0.5、B类≤0.5、C类≤0.5、D类≤0.5、Ds类≤0.5。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电炉炼钢过程控制：依次完成配料，熔化，造渣脱磷，将钢液C、P、S含量分别控制在C: 0.05-0.08%，P≤0.003%，S≤0.050%，然后进行出钢脱氧操作；
S2、精炼炉精炼过程控制：将步骤S1处理后的钢液转移至钢包精炼工位，加入石灰、铝矾土、萤石、镁砂造渣材料，送电造渣，分批加入脱氧剂，通过送电提温，造渣，吹氩，脱氧和合金调整操作，使钢液成分满足55NiCrMoV7标准的要求，进一步去除钢液中的S和O；精炼结束后钢液成分中的S≤0.003%，O含量≤30ppm，精炼出站温度控制在1670-1680℃；
精炼过程采用CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系来实现钢液脱硫和脱氧，渣系成分为CaO:48-56% ，Al2O3：19-25%，SiO2：9-15% ，MgO: 4-9% ；
S3、VD过程控制：将步骤S2处理后的钢液转移至真空室内，逐级进泵提高气氛的真空度，使得钢液在真空条件下发生C、O反应和钢渣反应，进一步去除钢液中的H、N、O和S；
S4、返回LF钢包精炼过程控制：将步骤S3处理后的钢液重新转移至钢包精炼工位，送电提温至1610-1620℃，氩气流量≤15NL/min，执行软吹操作，软吹时间不低于15min，促进夹杂物上浮去除，软吹处理后出钢温度控制在1585℃-1595℃，且处理后的钢液O、S含量分别控制在O≤15ppm，S≤0.001%；
S5、钢锭浇注过程控制 ：将底盘、钢锭模和冒口清理准配完毕放至浇注工位，将步骤S4处理后的钢液引流后转移至浇注工位，执行抽真空操作，真空度≤0.5torr时，开始测温，开浇温度控制在1540-1550℃，浇注前期控制水口钢流，随后全流浇注，在钢锭模内液面距冒口下法兰100-200mm时开始二次控流，保持钢液流至冒口浇注高度达到工艺规定的值后，破空，加入发热剂和保温剂，随后钢液在锭模内模冷一定时间后脱模。
2.据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于：所述步骤S1在配料时，配碳量为1.0%-1.3%。
3.据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于：所述步骤S1在配料完成后，电炉内的炉料依次进行熔清，吹氧脱碳，然后加入活性石灰和萤石，电炉的出钢条件为：C0.05-0.08%，S≤0.050%，P≤0.003%。
4.根据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于，所述步骤S1在电炉出钢时，先后随钢流依次加入脱氧剂Al 0.5-1.0kg/t钢水量、SiAlCaBa块0.5-1.0/t钢水量和SiAlCaBa粉0.5-2.0kg/t钢水量进行脱氧。
5.根据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于：所述步骤S3中，抽真空时间为10-15min，有效处理过程真空度为3.0torr-0.5torr,氩气流量控制在60-80NL/min，有效真空处理时间15-25min。
6.根据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于：所述步骤S4中，软吹时间不低于15min，软吹时的氩气流量控制在15-20NL/min。
7.根据权利要求1所述的一种超低硫低氧55NiCrMoV7模块用钢锭的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤S5在浇注时，锭身浇注速度为3.2-3.8t/min，冒口浇注速度为锭身浇注速度的1/3-1/2，以达到良好的补缩效果。
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