CN105344949B - 一种钢铁熔炼‑模铸新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属制造加工领域，公开了一种钢铁熔炼‑模铸新工艺。所述工艺为：a)备好所需原料，进行预处理；将主原料置于坩埚中，然后将坩埚置于真空熔炼炉的感应圈内；b)抽真空，送电预热；c)提升功率至60～80KW，送电20～30min，继续提升功率至80～100kW，保持功率不变，直至炉料完全熔化；d)测温和控温，充入氩气，取样检测，确定基本成分；e)精炼和合金化处理，取样检测，确定钢液中化学成分；f)降低功率，待钢液表面出现大量结膜时，停电，使得钢液随炉冷却；或者采用阶梯凝固；g)脱模。本发明消除浇注环节，获得高洁净度铸锭；同时本发明工艺简单，安全性好，所用材料成本低廉，节能高效。

Description

一种钢铁熔炼-模铸新工艺

技术领域

本发明属于金属制造加工领域，涉及一种钢铁熔炼-模铸新工艺。

背景技术

模铸成型是制造金属锻坯和轧坯的一种重要方式，尤其适用于小批量生产或小吨位的合金锻坯的生产。铸坯的质量主要取决于金属的纯净度和致密度。传统的工艺是：真空熔炼炉冶炼-上浇注法浇注成锭。浇注过程中会形成湍流，钢液表面炉渣随钢流直接卷入钢锭内部，形夹杂物；另外，钢液对中间包或浇注模具有冲刷作用，剥落的耐火材料也会进入钢锭内部，形夹杂物，最终降低了铸坯的质量。浇注过程存在卷入夹渣的可能，是二次污染的过程，即使在中间包加装过滤水口效果仍不够理想。因此，如何控制浇注中的卷渣，甚至消除卷入夹杂过程就显得特别有意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种消除浇注过程，避免卷渣，提高铸坯洁净度的钢铁熔炼-模铸新工艺。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种钢铁熔炼-模铸新工艺，包括以下步骤：

a)备料：备好钢种所需原料，进行预处理；将经过预处理的主原料置于坩埚中，然后将坩埚置于真空熔炼炉的感应圈内；所述坩埚与感应圈之间依次设有填料层和保温层，所述保温层设置在感应圈的内侧；所述填料层为镁砂，所述保温层为石棉布；

b)熔化前准备：将真空熔炼炉抽真空，使得真空度为10～30Pa，开始送电，进行预热；所述送电功率为30KW，所述预热时间为25～35min；

c)熔化：提升功率至60～80KW，送电20～30min，继续提升功率至80～100kW，保持功率不变，直至炉料完全熔化；

d)取样：对熔化后的炉料进行测温并通过调节功率控制熔化后炉料的温度为1560～1600℃，充入氩气，取样检测，确定熔化后炉料基本成分；

e)精炼和合金化：取样检测完成后，采用底部吹氩气使得真空度为3000～5000Pa，调节功率使得熔化后炉料温度为1560～1580℃，然后加入合金原料进行合金化处理，取样检测，确定合金化处理后的钢液中化学成分；

f)凝固：降低功率，待钢液表面出现大量结膜时，停电，使得钢液随炉冷却；或者采用阶梯凝固，然后停电，使得钢液随炉冷却；所述降低功率是指将功率降至40kW，所述降低功率后通电时间为5～10分钟，所述冷却时间为1～3h；

g)脱模：将坩埚与真空熔炼炉钢壳分离，从坩埚内取出钢锭并清除表皮。

步骤a)所述主原料为低真空下不会挥发的原料；所述主原料包括石墨和纯铁。步骤e)所述合金原料包括硅铁、金属锰和铝粒；还包括钛铁、铬铁、镍铁、铌铁和/或钒铁。

步骤a)所述预处理是指去除钢种原料中铁块的氧化膜，并对钢种原料中其他原料分别进行干燥预热处理。所述干燥预热处理的温度为350～500℃，所述干燥预热时间为1h。

步骤a)所述主原料在加入坩埚中时需先将小块料加入垫平再加入大块料，保证“下紧上松”，减少搭桥和喷溅。

步骤a)所述坩埚为刚玉坩埚，成分为氧化铝为主的耐火材料，安置在熔炼炉钢壳内，用以取代传统的堆砌炉衬而与钢液直接接触，同时作为后续凝固成型的钢锭模。

步骤d)和步骤e)中所述取样应注意待液面基本平静后方可进行操作以提高精确度，并按需多次测定。

步骤e)中所述精炼指通过底吹氩气去除氧氮氢气体，均匀与稳定温度；所述合金化的操作过程为：首先按需按量加入硅铁、金属锰和/或铬铁等合金，熔炼5～8分钟，然后取样分析并调节其元素含量符合成分要求,最后加入铝粒进行脱氧，2min后按需按量加入铌铁、钒铁或钛铁等合金。

步骤f)中所述凝固优选采用阶梯凝固，改善缩松缩孔。所述阶梯凝固：将熔炼炉的感应线圈设为多组(各组感应线圈采用并联电路控制)，由下往上分别标记为1#～N#圈(1#圈靠近熔炼炉底部)，在凝固开始时，降低各线圈的功率，1#圈功率降为零，2～N#圈功率降低后的关系为2#的功率小于3#，3#小于4#，依次类推；15～25min后，将2#圈的功率降为零，其他线圈功率相应降低并满足2#的功率小于3#，3#小于4#，依次类推，当N#圈功率降为零，然后停电，打开真空，随炉冷却。

所述感应线圈优选设为4组，冷却阶段开始时，最下端1#圈功率降为零，2#圈为10kW，3#圈为35kW，最上端的4#圈为60kW；20分钟后，2#圈功率降至零，3#圈为10kW，最上端的4#圈为50kW；再20分钟后，3#圈功率降至零，最上端的4#圈由50kW逐渐降至零，随后停电，破开真空，随炉冷却。

步骤g)所述分离是指放出镁砂就可将坩埚与真空熔炼炉分离。

铸坯中夹杂物的存在破坏了钢的连续性，对钢铁材料的性能产生不利的影响,给产品质量带来极大的危害。因而,熔炼-模铸过程应力求消除和减少钢中的夹杂物,以满足产品的质量要求。

经过对传统模铸成型工艺的多次试验与分析，大量夹杂物是在浇注的过程中卷入的，主要是C类-硅酸盐类夹杂。目前，真空炉浇注过程一般采用上浇注法，钢锭模具有耐火材料模具和钢制模具两种。浇注过程中钢流经过流槽直接流入钢锭模具内，钢流呈抛物线形状，钢水落点随炉子倾动不断变化，钢锭模具摆放稍有偏差钢水流沖击模具侧壁，烧坏模具；即使先注入中间包，也对中间包有冲刷作用，并且带入中间包表皮夹杂。同时，炉子钢液表面炉渣随钢流直接进入钢模卷入钢锭内部，引起内部夹杂，这是任何浇注方法所不能避免的。此外，由于中间包放置真空室的时间长，容易出现冷包；水口材质为镁碳质，导热快，浇注过程中经常出现冻包。为此，需要提高感应炉出钢温度，并且加强中间包真空室外的烘烤；这对能源增加了有一定损耗。

本发明的方法消除了浇注工序，大大提高了钢锭的纯净度和质量。本工艺采用内置坩埚以代替炉衬，同时作为钢锭模具，钢液熔炼后直接冷却成型，避免了钢液的不平稳流动，大大降低卷入钢渣的概率；同时钢水精炼过程中可以持续吹氩气搅拌，更充分的去除夹杂。经过新工艺获得的钢坯夹杂物级别≤C0.5，远远优于其他工艺获得的钢坯质量。

本工艺在一般模铸成型工艺的设备条件下略作调整即可实现，并且本工艺更为便捷有效。本工艺采用内置坩埚即坩埚，因而省略了炉衬的捣制、干燥、烘烤等工序；以坩埚为钢锭模具凝固成型，因而消除浇注工序，无需使用和烘烤中间包，同时对钢液的过热度要求降低，穿炉事故的概率也随之降低。多次的试验证明，本工艺可以控制钢水温度接近钢种液相线温度再停电冷却，这种可控性在各类凝固成型方法中都是极其优越的，具有很好的使用价值。

从安全性上考虑，本工艺操作简便，人为操作环节减少，没有浇注过程，避免了高温倾动炉子的操作，安全性更有保障。钢液在炉体内静置冷却的过程中，不存在特殊的热场和力场，是一个自由凝固的过程；也就是说，钢液从外部开始凝固，一旦形成钢坯表壳，将进一步消除漏钢的可能性。同时，冷却的过程中，钢坯收缩力向内，不会膨胀或引发不安全因素。

综上所述，本发明具有以下优点：1、消除浇注环节，获得高洁净度铸锭；2、整体熔炼所用材料成本低廉，节能高效。

附图说明

图1为本发明的内置坩埚的真空感应炉的示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但是需要说明的是，实施例并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例

本发明采用200Kg多功能真空感应炉，内置坩埚采用Al₂O₃为主的耐火材料按真空炉钢壳尺寸制成，试验钢种为钛微合金钢，成分为:0.05％C-0.25％Si-1.0％Mn-0.10％Ti。

具体实施步骤为：

a)备料：备好纯铁150kg、硅铁500g(含75％Si)、金属锰1500g、钛铁375g(含40％Ti)、铝粒100g、石墨电极块200g；纯铁块用角磨机去除氧化皮，其他原料分别在加热炉内进行干燥预热，温度为400℃，时间为1小时；

b)送主料：将150kg纯铁和100g石墨电极块送入内置坩埚中，注意先用小块料将炉底垫平再加大块料，保证“下紧上松”，减少搭桥和喷溅，然后将内置坩埚置于熔炼炉的感应线圈内，内置坩埚和感应线圈之间填入镁砂；内置坩埚的真空感应炉的示意图如图1所示；

c)熔化前准备：熔化前抽真空度达20Pa，开始送电，送电功率30KW，供电约30分钟，进行热炉；

d)熔化：提升功率到达70kW，送电30分钟，然后功率继续升至90kW，保持功率不变，直至炉料完全熔化；

e)温度测定和调节：用快速热电偶对钢水进行测温，钢水温度要求到达1560～1600℃，通过调节功率大小，控制温度稳定在要求范围内；

f)取样：取样前充氩气保护，充氩气后真空度为4000Pa，然后用取样枪进行取样检测，确定钢水基本成分，以便后续精炼和成分调整；

g)精炼和合金化：根据步骤f取样分析结果进行精炼和合金化操作，所述精炼指通过底吹氩气去除氧氮氢气体，温度控制在1560～1580℃，真空度保持在3000～5000Pa范围内；精炼后进行合金化的操作过程为：首先加入硅铁500g、金属锰1500g，熔炼6min，然后取样分析并调节C、Si、Mn元素含量至符合成分要求，最后加入铝粒100g进行脱氧，2min后加入375g钛铁合金；

h)定成分和温度：取样确认钢水达到预定的化学成分(0.05％C-0.25％Si-1.0％Mn-0.10％Ti；测定温度并确定温度稳定在1560～1580℃；否则重复步骤g；

i)凝固：将功率降到40kW，通电8分钟，待钢液表面出现大量结膜时停电随炉冷却，冷却时间约3小时；

j)脱模：放出镁砂，内置坩埚与熔炼炉钢壳分离，从坩埚内取出钢锭并清除表皮。

将本发明的工艺与一般工艺进行比较，对比数据如表1所示。

一般工艺：(1)未加中间包的情形：备料-送料-熔前准备-熔化-精炼和合金化-定成分和温度-直接浇注入钢模-冷却成型-脱模。

(2)加中间包的情形：备料-送料-熔前准备-熔化-精炼和合金化-定成分和温度-流经中间包注入模具-冷却成型-脱模。

经过多次的试验和分析，本发明获得的钢坯质量优于一般工艺获得的钢坯(表1为部分对比数据)。其中，C类-硅酸盐类是最重要的对比项，源于中间包和钢锭模具的耐火材料和矿石钢渣。

模铸成型获取钢坯的工艺有直接浇注入模和流经中间包浇注两种，钢锭模具一般有耐火材料模具和钢制模具两类。从表1可见，同为使用钢制模具，加装了中间包的钢坯夹杂物评级平均为C1.0，未加中间包的钢坯夹杂物评级平均为C2.0。这是因为中间包的存在缓冲了湍急的钢铁熔体，使得钢流垂直注入模具，减少湍流，避免了钢液对模具四壁的冲刷，其对夹杂物的控制发挥了很好的作用。实践表明，钢锭模具类型的选用同样重要。从表1可见，同在加装中间包的条件下，使用耐火材料模具所获得的钢坯夹杂物级别不稳定且都属粗系，严重损坏钢坯质量。相较之下，钢制模具获得的钢坯的夹杂级别较稳定和细小。当然，这与高质量高洁净钢坯还存在一定差距。

本发明直接消除浇注工序，避免了钢铁熔体的湍急流动和冲刷作用，使得钢渣和夹杂充分浮出和祛除。改进后的钢坯夹杂物级别优化到≤C0.5，提升了一个档次。

表1本发明与一般工艺条件下的夹杂物评级比较

注：1、夹杂物评级按标准GB/T 10561-2005/ISO 4967:1998(E)《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》执行；2、A类-硫化物类；B类-氧化铝类；C类-硅酸盐类；D类-球状氧化物类；D S类-单颗粒球状类；e-粗系。

Claims (9)

1.一种钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：包括以下步骤：

a)备料：备好钢种所需原料，进行预处理；将经过预处理的主原料置于坩埚中，然后将坩埚置于真空熔炼炉的感应圈内；所述主原料在加入坩埚中时需先将小块料加入垫平再加入大块料；所述坩埚与感应圈之间依次设有填料层和保温层，所述保温层设置在感应圈的内侧；

b)熔化前准备：将真空熔炼炉抽真空，使得真空度为10～30Pa，开始送电，进行预热；

c)熔化：提升功率至60～80KW，送电20～30min，继续提升功率至80～100kW，保持功率不变，直至炉料完全熔化；

d)取样：对熔化后的炉料进行测温并通过调节功率控制熔化后炉料的温度为1560～1600℃，充入氩气，取样检测，确定熔化后炉料基本成分；

e)精炼和合金化：取样检测完成后，采用底部吹氩气使得真空度为3000～5000Pa，调节功率使得熔化后炉料温度为1560～1580℃，然后加入合金原料进行合金化处理，取样检测，确定合金化处理后的钢液中化学成分；

f)凝固：降低功率，待钢液表面出现大量结膜时，停电，使得钢液随炉冷却；或者采用阶梯凝固，然后停电，使得钢液随炉冷却；

g)脱模：将坩埚与真空熔炼炉钢壳分离，从坩埚内取出钢锭并清除表皮；步骤f)所述阶梯凝固是指：将熔炼炉的感应线圈设为多组，各组感应线圈采用并联电路控制，感应线圈组由下往上分别标记为1#～N#圈，在凝固开始时，降低各线圈组的功率，1#圈功率降为零，2～N#圈功率降低后的关系为2#的功率小于3#，3#小于4#，依次类推；15～25min后，将2#圈的功率降为零，其他线圈功率相应降低并满足2#的功率小于3#，3#小于4#，依次类推，当N#圈功率降为零，然后停电，打开真空，使得钢液随炉冷却。

2.根据权利要求1所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：步骤a)所述坩埚为刚玉坩埚。

3.根据权利要求1所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：

步骤a)所述主原料为低真空下不会挥发的原料。

4.根据权利要求3所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：所述填料层为镁砂，所述保温层为石棉布；步骤a)所述主原料包括石墨和纯铁。

5.根据权利要求1所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：步骤a)所述预处理是指去除钢种原料中铁块的氧化膜，并对钢种原料中其他原料分别进行干燥预热处理。

6.根据权利要求5所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：所述干燥预热处理的温度为350～500℃，所述干燥预热时间为1h。

7.根据权利要求1所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：步骤e)所述合金原料包括硅铁、金属锰和铝粒。

8.根据权利要求7所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：步骤e)所述合金原料还包括钛铁、铬铁、镍铁、铌铁和/或钒铁。

9.根据权利要求1所述钢铁熔炼-模铸新工艺，其特征在于：步骤b)所述送电功率为30KW，所述预热时间为25～35min；步骤f)所述降低功率是指将功率降至40kW；步骤f)所述冷却时间为1～3h。