一种细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物方法

摘要

本发明公开了一种细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物的方法，属于钢铁冶金技术领域。该方法包括：依据目标钢种的元素成分，将合金料置于初炼炉熔炼成钢液，所述钢液采用Si‑Mn合金脱氧，控制钢液中的铝、钙和镁含量；将所述脱氧后的钢液依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极；将得到的所述自耗电极进行电渣重熔精炼，控制此过程中新生成的夹杂物尺寸。本发明可适用于高洁净度电渣重熔稀土钢的生产，使自耗电极中所有的氧化物夹杂在电渣重熔过程中全部被去除，源于自耗电极中原始氧化物夹杂在钢液内分解产生的溶解氧会与稀土Ce反应，在电渣重熔过程新生成的夹杂物尺寸细小，解决了稀土电渣钢中夹杂物尺寸大的问题。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种高洁净度稀土钢电渣重熔生产过程中控制非金属夹杂物细小化的方法。

背景技术

稀土元素通常用于细化钢的组织、变质钢中有害夹杂物、抑制钢中有害元素偏聚，从而提高钢的耐蚀性、焊接性能和抗疲劳性能等使用性能。针对需要经过电渣重熔精炼的钢种，例如工模具钢和高速钢，人们通常通过稀土处理细化钢的凝固组织、钢中一次碳化物和氮化物，提高钢的韧性、耐磨性和抗疲劳性能等。但是，稀土加入钢中不可避免地会产生大量稀土夹杂物，例如稀土氧化物夹杂、稀土氧化物与钙铝酸盐形成的复合夹杂物，以及稀土氧硫化物等。实际生产中需要严格控制钢中稀土夹杂物的尺寸，以降低其对钢的危害。

稀土通常是以合金的形式在感应炉冶炼或钢包精炼过程中加入钢液的。在稀土钢的冶炼过程中，稀土加入钢液中之后会改性钢液内预先存在的非金属夹杂物(如钙铝酸盐、镁铝尖晶石、三氧化二铝)，也会与钢液中的溶解组元反应生成新生的稀土夹杂物。这些含稀土的夹杂物在钢包钢液流动过程中容易聚集长大，同时受加稀土前钢液原始夹杂物、钢液氧含量、炉渣成分和钢包耐火材料等因素的影响，通常钢中稀土夹杂物的尺寸比较大(＞5微米)，且稀土夹杂物的熔点高。这些稀土夹杂物在随后的电渣重熔过程中不易被去除，最终遗留在电渣钢中。钢中大尺寸的稀土夹杂物不仅危害钢的加工和使用性能(例如，降低工模具钢的冲击韧性和疲劳性能)，而且也降低了钢中固溶稀土的比例。因此，需要严格控制稀土钢中稀土夹杂物的尺寸。

研究和生产实践表明，通过感应炉或电弧炉+LF精炼的钢中夹杂物的尺寸大，自耗电极中的原始稀土夹杂物不容易被去除，电渣重熔过程新生成的夹杂物的尺寸通常均细小。因此，探索出一种可以在电渣重熔过程被完全去除的原始氧化物夹杂成分，并在冶炼制备自耗电极过程实现夹杂物成分精准控制，在气体保护电渣重熔过程通过技术措施最大化降低钢液二次氧化，并在线加入稀土合金，将有益于实现高洁净度稀土钢中夹杂物的细化。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物的方法，可适用于高洁净度电渣重熔稀土钢的生产，使自耗电极中所有的氧化物夹杂在电渣重熔过程中全部被去除，源于自耗电极中原始氧化物夹杂在钢液内分解产生的溶解氧会与稀土Ce反应，在电渣重熔过程新生成的夹杂物尺寸细小，解决了稀土电渣钢中夹杂物尺寸大的问题。

根据本发明的技术方案，提供一种细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：依据目标钢种的元素成分，将合金料置于初炼炉熔炼成钢液，所述钢液采用Si-Mn合金脱氧，控制钢液中的铝、钙和镁含量；

步骤2：将所述脱氧后的钢液依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极；

步骤3：将得到的所述自耗电极进行电渣重熔精炼，控制此过程中新生成的夹杂物尺寸。

进一步地，所述步骤1中，将合金料置于初炼炉熔炼成钢液随后依次经炉外精炼过程中，钢液采用Si-Mn合金脱氧，钢液酸溶铝质量百分比含量≤0.01％，氧质量百分比含量≤0.008％、钙质量百分比含量≤0.0003％，镁质量百分比含量≤0.0003％，LF精炼渣二元碱度为0.8～1.0。

进一步地，所述步骤1中，浇铸制得自耗电极过程采用全程气氛保护浇注。

进一步地，所述步骤2中，在电渣重熔精炼过程中在线加入以Ce-Fe合金形式的稀土。

进一步地，所述步骤2中，电渣重熔精炼过程在干燥氩气气氛下进行，保证气体保护罩内微正压。

进一步地，所述步骤2中，气体保护电渣重熔过程采用铝粒和硅钙粉进行渣脱氧，铝粒和硅钙粉交替加入熔渣中，加入间隔2～4分钟，铝粒加入量为每吨钢0.1～0.3千克，硅钙粉的加入量为每吨钢0.1～0.4千克。

进一步地，所述步骤1中，所述炉外精炼采用LF精炼或LF+VD工艺路线。

进一步地，所述步骤1中，LF精炼时间为30-50min，VD真空处理时真空保持时间10-15min，真空度60-70Pa。

进一步地，所述步骤1中，LF精炼时间为40min，VD真空处理时真空保持时间12min，真空度68Pa。

进一步地，所述步骤2电渣重熔前，去除自耗电极的氧化物铁皮。

本发明的有益效果：本发明提出通过在制备自耗电极的冶炼过程中采用Si-Mn合金脱氧，控制钢液中的铝、钙和镁含量，使保护浇注制得的自耗电极中夹杂物为低熔点的MnO-SiO2-Al2O3系夹杂物。在随后进行的自耗电极电渣重熔过程，所有的MnO-SiO2-Al2O3夹杂物均被去除。其去除途径为一部分被熔渣吸收而去除，其余的MnO-SiO2-Al2O3系夹杂物均会分解为钢液中的溶解组元，金属熔滴和熔池内钢液中的溶解氧与稀土Ce反应生成稀土氧化物夹杂或稀土氧硫化物夹杂。最终电渣锭中的夹杂物均为新生成的夹杂物。这些新生的稀土夹杂物尺寸均很细小(＜2微米)。

附图说明

图1示出根据本发明的细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物的方法流程图；

图2示出H13钢自耗电极中典型的夹杂物MnO-SiO2-Al2O3；

图3示出H13钢电渣铸锭中典型的夹杂物Ce2O2S；

图4示出对比例中H13钢自耗电极中典型的夹杂物Ce2O2S；

图5示出对比例中H13钢电渣铸锭中典型的夹杂物Ce2O2S。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的一种细化高洁净度稀土电渣钢中夹杂物的方法是通过以下技术方案实现的：

步骤1)：将原料依次置于初炼炉熔炼成钢液随后依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极；

步骤2)：以步骤1)得到电极为自耗电极进行电渣重熔精炼。电渣重熔前，将自耗电极进行扒皮处理，以去除自耗电极的氧化物铁皮，防止电渣重熔时钢液增氧，产生夹杂物。

步骤1的所述初炼炉熔炼+炉外精炼过程中，钢液采用Si-Mn合金脱氧，钢液酸溶铝含量≤0.01％，氧含量≤0.008％、钙含量≤0.0003％，镁含量≤0.0003％，LF精炼渣二元碱度为0.8～1.0，从而使用于自耗电极的钢中夹杂物为低熔点的MnO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物。钢液浇铸制备自耗电极过程采用全程气氛保护浇注。

在稀土钢的生产中，禁止在感应炉或电弧炉+LF冶炼制备自耗电极过程中向钢液内加入稀土。这将避免在自耗电极中存在稀土夹杂物，特别是大尺寸稀土夹杂物。稀土以Ce-Fe合金的形式在电渣重熔过程中在线加入。

电渣重熔时在干燥氩气气氛下进行，保证气体保护罩内微正压。这将显著提高电渣重熔过程加入稀土的收得率。

气体保护电渣重熔过程采用铝粒和硅钙粉进行渣脱氧，这两种脱氧剂交替加入熔渣中，加入间隔2～4分钟，铝粒加入量为每吨钢0.1～0.3千克，硅钙粉的加入量为每吨钢0.1～0.4千克，以在提高电渣钢洁净度的同时，也避免了钢液氧含量高导致稀土夹杂物的聚集和长大。

炉外精炼采用LF或LF+VD工艺路线。

实施例

如图1所示，本实例采用感应炉熔炼→LF精炼→VD精炼→气氛保护浇注→气氛保护电渣重熔生产含稀土特殊钢，本实例以生产含Ce的H13模具钢为例。感应炉熔炼→LF精炼→VD精炼→气氛保护浇注得到的自耗电极化学成分组成及质量百分含量见表1。

表1自耗电极H13模具钢的化学成分(mass％)

CSiMnCrMoVCaMgAlSO0.380.930.34.91.10.9＜0.00020.00020.0040.00290.0052

感应炉出钢后分批加入低铝Si-Mn合金，同时加入精炼合成渣。LF和VD精炼过程中，LF总的精炼时间为40min，VD真空处理时真空保持时间12min，真空度68Pa。在LF精炼主要进行脱氧、温度控制、成分调整，并通过搅拌促进钢液内夹杂物上浮去除。自耗电极钢中夹杂物为MnO-SiO2-Al2O3系夹杂物，如图2所示。

在进行自耗电极的电渣重熔之前，先将自耗电极进行扒皮处理，以去除自耗电极的氧化物铁皮。采用气体保护电渣重熔H13钢。气体保护电渣重熔过程中氩气先通过气体干燥系统而进入气体保护罩，氩气流量为50NL/min。电渣重熔过程中稀土以Ce-Fe合金的形式在电渣重熔过程中在线加入，吨钢加入量为2.2公斤。气体保护电渣重熔过程采用铝粒和硅钙粉进行渣脱氧，这两种脱氧剂交替加入熔渣中，加入间隔2～4分钟，铝粒加入量为每吨钢0.15千克，硅钙粉的加入量为每吨钢0.2千克。电渣重熔结束待钢锭冷却到室温后，脱出钢锭，其化学成分如表2所示。

表2H13钢电渣铸锭的化学成分(mass％)

CSiMnCrMoVCaMgAlCeSO实施例10.380.900.34.91.10.9＜0.0002＜0.00020.0080.00180.00200.0018实施例20.380.910.34.91.10.9＜0.0002＜0.00020.0090.00250.00180.0016

电渣锭中的夹杂物如图3所示。电渣后稀土钢中的夹杂物为Ce2O2S，几乎所有的稀土夹杂物尺寸＜2微米。电渣后钢中氧和硫含量显著降低，氧含量由自耗电极的0.0052％降低至0.0018％和0.0016％，硫含量由自耗电极的0.0029％降低至0.0020％和0.0018％。

为了对比说明本发明的效果，选取了H13钢在自耗电极制备过程中加入稀土Ce，再进行气氛保护电渣重熔制得电渣锭的对比实验，分析了电渣前后钢中的夹杂物。电渣前自耗电极中的夹杂物如图4所示，电渣锭中的夹杂物如图5所示。电渣重熔前后稀土钢中的夹杂物均为Ce2O2S，尺寸基本上在4～10微米，且稀土夹杂物有聚合长大的特性。

对比实施例和对比例可知，采用本发明的技术，稀土钢中夹杂物明显得到了细化，且钢的洁净度得到了显著提高。

本文给出的实施例初炼炉熔炼采用的是感应炉，但是本领域的技术人员理解本发明中的初炼炉熔炼包括但不限于感应炉，还可以采用电弧炉或转炉。