CN117701819A - 一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，包括根据高碳钢的钢种成分准备原料；将纯铁、合金原料中熔点高或不易被氧化的合金、适量的碳装入坩埚中；将碳和硅、锰混合物，以及合金原料中熔点低或易被氧化的合金装入合金料仓；抽真空；送电预热、熔化原料；钢液精炼；脱氧合金化；钢液浇注冷却，得到高碳钢铸锭。本发明提供的方法，能够使真空感应炉冶炼出质量合格的高碳钢。
Description
技术领域
本发明涉及高碳钢的真空感应炉冶炼技术领域，具体而言是一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法。
背景技术
高碳钢包括钢轨钢、帘线钢、切割线用钢等，每一个品种都有不同的用处：钢轨是铁路轨道的重要组成部分，其主要功能为引导机车车辆的车轮前进，同时承载车轮的作用力并将力传递到轨枕上；帘线钢主要用于轮胎子午线增强用骨架，可以提高轮胎的耐磨性和轮胎尺寸的稳定性，具有强度高、疲劳性能优异等特点，帘线钢是线材制品中要求极高的产品之一，因其需经过多道次拉拔制成直径为0.15～0.38毫米的细丝，因此对断丝率要求极严格；切割钢丝是一种特种钢丝，一般由直径5.5毫米的高碳钢盘条拉拔而成，它集极好的稳定性、均匀性、高精度、高强度等众多特点于一身，是光伏发电、半导体等产业核心硅晶片在高精度切割加工中不可或缺的耗材。由于高碳钢的碳含量高，冶炼过程碳的加入量较大，真空和高温条件下加入后易喷溅，而且难以完全熔化，因此，高碳钢的真空冶炼是重点，也是技术难点。
长期以来有许多的冶金工作者从事高碳钢冶炼方面的研究，高碳钢冶炼方面的专利、文献也有很多，但大多数都是关于转炉冶炼高碳钢方面的，关于真空感应炉冶炼高碳钢方面的文献很少。发表在《真空科学与技术学报》2019年第12期的“切割线用钢的真空感应熔炼工艺试验”文章指出：成建强、胡显军等人在容量为150公斤的真空感应炉上开展了高碳钢冶炼试验研究，原料分别为工业纯铁、石墨电极碎块、多晶硅、金属锰和金属铬等，其中工业纯铁在使用前进行抛丸处理并在150℃烘烤2小时，去除表面氧化皮和吸附的水汽；石墨电极纯度达99.8％，比普通增碳剂纯度99.3％要高，故本次试验选用前者，进行破碎，控制粒度在0.5～3厘米范围，并进行不低于2小时的150℃烘烤和保温，去除表面吸附的水汽，冶炼步骤为：①随炉装入工业纯铁、金属铬、硅及0.1％的碳；②抽空至熔炼室真空度值≤10Pa后，开始送电，对炉料加热化料；③化料期需持续对熔炼室抽空，控制熔炼室真空度值≤10Pa，并根据坩埚内熔炼情况，通过料桶加入二次料；④炉料全部熔清时，停止抽空，往熔炼室充氩至(0.8～1)×104Pa，并补加碳至0.93％，搅拌2～5min；⑤调温至1540±5℃，进入精炼期；⑥精炼期时长30～40min，每精炼10min后搅拌2～3min；⑦取样分析，补充氩气至(2.5～3)×104Pa，加入金属锰，搅拌2～3min后，进入二次精炼，时长为15～25min；⑧取样分析，微调成分，搅拌2min后，调温至1600±5℃出钢浇铸；⑨次日脱模，成品碳含量为0.93％。该冶炼方法存在以下问题：一是没有明确加碳时间和加碳方式，因为大量的碳加入钢水中会喷溅，而且很难完全熔化；二是精炼期间充入氩气会影响气体和杂质挥发，从而影响精炼效果；三是合金化期间充入的氩气偏小，碳加入后易产生喷溅。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，包括：
原料准备：根据高碳钢的钢种成分准备原料，原料中包括纯铁、合金及碳和硅、锰混合物；在根据高碳钢的钢种成分准备原料过程中，先确定坩埚的装入总量，再根据高碳钢的钢种成分计算各种原料的加入量。所述纯铁为工业纯铁，其中碳含量为0.0015％～0.0035％，氧含量为0.0020％～0.0040％。
装炉：将纯铁、合金原料中熔点高或不易被氧化的合金(如镍、钴、铬等)、适量的碳装入坩埚中；将碳和硅、锰混合物，以及合金原料中熔点低或易被氧化的合金(如铝、硅、锰、钒铁、铌铁等合金)装入合金料仓。装入坩埚中的碳的质量为装入总量的0.005％～0.008％。
模具准备：在加热炉中对漏斗砖、帽口砖和钢锭模进行烘烤保温：在300℃～500℃的温度下烘烤3～6小时，完成烘烤后将模具放置在出钢小车上，待出钢。
真空感应炉内抽真空；启动机械泵，当真空度达到650Pa时启动罗茨泵，确保真空度小于10Pa。
送电预热、熔化原料：真空度小于10Pa后进行送电预热，从原料预热到熔清总时间为90分钟～120分钟。
钢液精炼；在真空度<10Pa的真空条件下进行钢液精炼，温度调至钢种液相线温度+(80℃～100℃)时开始钢液精炼，钢液精炼时间为20分钟～40分钟。
脱氧合金化：钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入惰性气体保护气至30000Pa～50000Pa，降低钢液温度至液相线温度+(20℃～50℃)，分批次加入合金料仓中的碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为5～8分钟，每批次加完后钢液升温至正常精炼温度，全部加完6～8分钟后依次加入合金料仓中的其它合金。
钢液浇注冷却：将合金化后的钢液浇注到钢锭模中，在惰性气体保护气氛下冷却至钢液完全凝固，再置于大气下冷却至常温，然后脱模得到高碳钢铸锭。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，预先加入用于脱氧的碳，且为了降低炉内一氧化碳的分压，促进碳氧反应的进行，原料熔化和钢液精炼过程都在高真空下进行；精炼结束后进行合金化，充入氩气至(3～5)×104Pa，碳和硅、锰混合后分批次加入，相邻两批次间隔时间为5～8分钟，加入前降低钢液温度至液相线温度+(20℃～50℃)，加入后升温至正常精炼温度；合金化后调温浇注，其中合金化及浇注、凝固过程都在惰性气体的保护下进行。采用本发明提供的方法可以冶炼出合格的高碳钢，且操作简单易于实施，没有安全隐患。
基于上述理由本发明可在高碳钢冶炼等领域广泛推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明提供了一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，包括：
原料准备：根据高碳钢的钢种成分准备原料，原料中包括纯铁、合金及碳和硅、锰混合物；在根据高碳钢的钢种成分准备原料过程中，先确定坩埚的装入总量，再根据高碳钢的钢种成分计算各种原料的加入量。所述纯铁为工业纯铁，其中碳含量为0.0015％～0.0035％，氧含量为0.0020％～0.0040％。
装炉：将纯铁、合金原料中熔点高或不易被氧化的合金(如镍、钴、铬等)、适量的碳装入坩埚中；将碳和硅、锰混合物，以及合金原料中熔点低或易被氧化的合金(如铝、硅、锰、钒铁、铌铁等)装入合金料仓。装入坩埚中的碳的质量为装入总量的0.005％～0.008％。
模具准备：在加热炉中对漏斗砖、帽口砖和钢锭模进行烘烤保温：在300℃～500℃的温度下烘烤3～6小时，完成烘烤后将模具放置在出钢小车上，待出钢。
真空感应炉内抽真空；启动机械泵，当真空度达到650Pa时启动罗茨泵，确保真空度小于10Pa。
送电预热、熔化原料：真空度小于10Pa后进行送电预热，从原料预热到熔清总时间为90分钟～120分钟。
钢液精炼；在真空度<10Pa的真空条件下进行钢液精炼，温度调至钢种液相线温度+(80℃～100℃)时开始钢液精炼，钢液精炼时间为20分钟～40分钟。
脱氧合金化：钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入惰性气体保护气至30000Pa～50000Pa，降低钢液温度至液相线温度+(20℃～50℃)，分批次加入合金料仓中的碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为5～8分钟，每批次加完后钢液升温至正常精炼温度，全部加完6～8分钟后依次加入合金料仓中的其它合金。
钢液浇注冷却：将合金化后的钢液浇注到钢锭模中，在惰性气体保护气氛下冷却至钢液完全凝固，再置于大气下冷却至常温，然后脱模得到高碳钢铸锭。
下面将结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1
采用本发明方法冶炼钢轨钢U78CrV
具体操作步骤如下：
(1)原料准备
采用容量为150公斤的真空感应炉冶炼，确定装入坩埚中的总量为140公斤，再根据U78CrV的目标成分计算各种原料的加入量。
(2)装炉
将纯铁和金属铬预先装入坩埚中，并在坩埚的中下部放置9克碳；在合金料仓中放置用于合金化的碳和硅、锰混合物，钒铁等合金原料。
(3)模具准备
钢锭模和漏斗砖、帽口砖在450℃温度下烘烤3.5小时，完成烘烤后将模具放置在出钢小车上，待出钢。
(4)抽真空
启动机械泵，当真空度达到700Pa时启动罗茨泵，确保真空度达到10Pa以下。
(5)送电预热、原料熔化
当真空度达到7Pa以下时，给坩埚送电预热、熔化原料，原料预热到熔清总时间为100分钟。
(6)钢液精炼
原料熔清后调整钢液温度至1560℃时开始精炼，钢液精炼时间为30分钟，精炼真空度为7Pa。
(7)脱氧合金化
钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入氩气至40000Pa时停止充氩，降低钢液温度至1495℃，分三批次依次加入碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为7分钟，每批次加完后钢液升温至1560℃，间隔8分钟后加入钒铁进行合金化。
(8)浇注冷却
钢液脱氧合金化后调整温度至1565℃，将钢液浇注到钢锭模中，在氩气保护下冷却120分钟，然后在大气下冷却180分钟后脱模。
采用本发明方法冶炼了11炉U78CrV钢锭，经检验钢中成分全部合格。
实施例2
采用本发明方法冶炼SS深硬化层钢轨
具体操作步骤如下：
(1)原料准备
采用容量为150公斤的真空感应炉冶炼，确定装入坩埚总量为140公斤，再根据SS深硬化层钢轨的目标成分计算各种原料的加入量。
(2)装炉
将纯铁和金属铬预先装入坩埚中，并在坩埚的中下部放置10克碳；在合金料仓中放置用于合金化的碳和硅、锰混合物，铌铁等合金原料。
(3)模具准备
钢锭模和漏斗砖、帽口砖在450℃温度下烘烤4小时，完成烘烤后将模具放置在出钢小车上，待出钢。
(4)抽真空
启动机械泵，当真空度达到650Pa时启动罗茨泵，确保真空度达到10Pa以下。
(5)送电预热、原料熔化
当真空度达到6Pa以下时，给坩埚送电预热、熔化原料，原料预热到熔清总时间为110分钟。
(6)钢液精炼
原料熔清后调整钢液温度至1565℃时开始精炼，钢液精炼时间为30分钟，精炼真空度为6Pa。
(7)脱氧合金化
钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入氩气至45000Pa时停止充氩，降低钢液温度至1490℃，分三批次依次加入碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为7分钟，每批次加完后钢液升温至1565℃，间隔8分钟后加入其它合金进行合金化。
(8)浇注冷却
钢液脱氧合金化后调整温度至1565℃，将钢液浇注到钢锭模中，在氩气保护下冷却120分钟，然后在大气下冷却180分钟后脱模。
采用本发明方法冶炼了12炉SS深硬化层钢轨钢锭，经检验钢中成分全部合格。
实施例3
采用本发明方法冶炼钢轨钢U75V
具体操作步骤如下：
(1)原料准备
采用容量为150公斤的真空感应炉冶炼，确定装入坩埚总量为140公斤，再根据U75V的目标成分计算各种原料的加入量。
(2)装炉
将纯铁和金属铬预先装入坩埚中，并在坩埚的中下部放置9克碳；在合金料仓中放置用于合金化的碳和硅、锰混合物，铌铁等合金原料。
(3)模具准备
钢锭模和漏斗砖、帽口砖在450℃温度下烘烤3.5小时，完成烘烤后将模具放置在出钢小车上，待出钢。
(4)抽真空
启动机械泵，当真空度达到700Pa时启动罗茨泵，确保真空度达到10Pa以下。
(5)送电预热、原料熔化
当真空度达到6Pa以下时，给坩埚送电预热、熔化原料，原料预热到熔清总时间为120分钟。
(6)钢液精炼
原料熔清后调整钢液温度至1560℃时开始精炼，钢液精炼时间为30分钟，精炼真空度为6Pa。
(7)脱氧合金化
钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入氩气至40000Pa时停止充氩，降低钢液温度至1490℃，分三批次依次加入碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为7分钟，每批次加完后钢液升温至1560℃，间隔8分钟后加入其它合金进行合金化。
(8)浇注冷却
钢液脱氧合金化后调整温度至1565℃，将钢液浇注到钢锭模中，在氩气保护下冷却120分钟，然后在大气下冷却180分钟后脱模。
采用本发明方法冶炼了12炉U75V钢轨钢锭，经检验钢中成分全部合格。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，包括：
原料准备：根据高碳钢的钢种成分准备原料，原料中包括纯铁、合金及碳和硅、锰混合物；
装炉：将纯铁、合金原料中熔点高或不易被氧化的合金、用于钢液脱氧的碳装入坩埚中；将碳和硅、锰混合物，以及合金原料中熔点低或易被氧化的合金装入合金料仓；
真空感应炉内抽真空；
送电预热、熔化原料；
钢液精炼；
脱氧合金化，钢液精炼结束后关闭真空泵，向炉腔内充入氩气至30000Pa～50000Pa，降低钢液温度至液相线温度+(20℃～50℃)，将合金料仓中的原料倒入坩埚中进行合金化；
钢液浇注冷却；
得到高碳钢铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，在根据高碳钢的钢种成分准备原料过程中，先确定坩埚的装入总量，再根据高碳钢的钢种成分计算各种原料的加入量。
3.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，所述纯铁为工业纯铁，其中碳含量为0.0015％～0.0035％，氧含量为0.0020％～0.0040％。
4.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，装入坩埚中的合金为镍、钴、铬合金中的一种或多种；装入合金料仓中的合金为铝、硅、锰、钒铁、铌铁合金中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，装入坩埚中的碳的质量为真空感应炉的装入总量的0.005％～0.008％。
6.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，送电预热、熔化原料及钢液精炼过程中，在真空度<10Pa的真空条件下进行。
7.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，送电预热、熔化原料过程中：从原料预热到熔清总时间为90分钟～120分钟。
8.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，钢液精炼过程中：温度调至钢种液相线温度+(80℃～100℃)时开始钢液精炼，钢液精炼时间为20分钟～40分钟。
9.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，将合金料仓中的原料倒入坩埚中进行合金化过程中：分批次加入合金料仓中的碳和硅、锰混合物，相邻两批次间隔时间为5～8分钟，每批次加完后钢液升温至正常精炼温度，全部加完6～8分钟后依次加入合金料仓中的其它合金。
10.根据权利要求1所述的一种真空感应炉冶炼高碳钢的方法，其特征在于，钢液浇注冷却过程中：钢液浇注前，需要在加热炉中对漏斗砖、帽口砖和钢锭模进行烘烤保温：在300℃～500℃的温度下烘烤3～6小时；
之后将合金化后的钢液浇注到钢锭模中，在惰性气体保护气氛下冷却至钢液完全凝固，再置于大气下冷却至常温，然后脱模得到高碳钢铸锭。
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