控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法及其钢锭

摘要

本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法包括如下步骤：A、采用偏心炉底出钢电炉进行初次冶炼，获得氮含量小于或等于45ppm的钢液；B、采用精炼炉进行大渣量精炼，并通过喂铝线和加钛铁的方式来控制钢液中的氮含量至80ppm以下；C、采用真空精炼炉进行二次精炼，并在真空处理过程中，保证在极限真空度小于67pa的时间大于18分钟，使钢液中的氮含量小于或等于40ppm；D、模铸时采用下注法，并在水口用氩气保护浇钢过程，得到氮含量小于或等于60ppm的钢锭。本发明的氮含量小于或等于60ppm的模具钢钢锭则采用上述冶炼方法制备。本发明可以有效控制模具钢钢锭中的氮含量至较低水平，有利于提高并保持模具钢的综合性能，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及铁基模具钢钢锭的制造领域，更具体地讲，涉及一种控制中 碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法及其钢锭。

背景技术

氮含量高的模具钢长时间放置将会变脆，同时使钢的冲击韧性、塑性、 冷加工性能、成型性、延伸率、焊接性能显著降低，这一现象称为“老化”、 “时效”或“钢的冷脆”，原因是钢中缓慢析出的氮化物将逐渐降低钢的性能。 在中、低碳模具钢中，因钢锭氮含量高产生的脆性比磷还严重。

本发明所用的研究用钢是一种中碳含5wt%铬模具钢且为通用热作模具 钢，该钢含有Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，具有很高的淬透性；并且， 由于该钢含Cr、V等合金元素，该二元素与氮共生，在生产时极易吸氮。

现有技术中，控制模具钢钢锭氮含量的生产工艺主要采用炉外精炼常规 铸造钢锭，只是在VD真空精炼炉中喂入铝线降低钢中的氮含量，该工艺生产 的钢锭中B类非金属夹杂物大于2.5级，钢锭中氮含量在110ppm以上。

目前国内对降低模具钢中的氮含量的相关研究很少，本发明的目的旨在 克服上述现有技术中的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效控制模具钢钢锭中的氮含量小于60ppm 的冶炼方法，以大幅度提高模具钢的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种控制中碳含铬模具钢钢 锭中氮含量的冶炼方法，所述冶炼方法包括如下步骤：A、采用偏心炉底出钢 电炉进行初次冶炼，获得氮含量小于或等于45ppm的钢液；B、采用精炼炉进 行大渣量精炼，并通过喂铝线和加钛铁的方式来控制钢液中的氮含量至80ppm 以下；C、采用真空精炼炉进行二次精炼，并在真空处理过程中，保证在极限 真空度小于67pa的时间大于18分钟，使钢液中的氮含量小于或等于40ppm； D、模铸时采用下注法，并在水口用氩气保护浇钢过程，得到氮含量小于或等 于60ppm的钢锭。

根据本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法的一个实施 例，所述冶炼方法采用优质生铁及废钢进行配料。

根据本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法的一个实施 例，在步骤A中，出钢温度控制为高于1650℃。

根据本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法的一个实施 例，在步骤C中，在真空处理前去渣50%。

根据本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法的一个实施 例，在步骤C中，采用Al、Ca进行脱氧处理。

根据本发明的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法的一个实施 例，在步骤D中，在浇钢前向钢锭模内吹入氩气以排出空气。

本发明的另一方面提供了一种氮含量小于或等于60ppm的模具钢钢锭， 所述模具钢钢锭采用上述的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法制 造。

根据本发明的氮含量小于或等于60ppm的模具钢钢锭的一个实施例，所 述模具钢钢锭为中碳含5wt%铬的模具钢钢锭。

本发明工艺简单、控制方便，可以有效控制模具钢钢锭中的氮含量至较 低水平，有利于提高并保持模具钢的冲击韧性、塑性、冷加工性能、成型性、 延伸率、焊接性能等性能，具有良好的应用前景。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明。

根据本发明一方面的控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法包括 步骤：A、采用偏心炉底出钢电炉进行初次冶炼，获得氮含量小于或等于45ppm 的钢液；B、采用精炼炉进行大渣量精炼，并通过喂铝线和加钛铁的方式来控 制钢液中的氮含量至80ppm以下；C、采用真空精炼炉进行二次精炼，并在真 空处理过程中，保证在极限真空度小于67pa的时间大于18分钟，使钢液中 的氮含量小于或等于40ppm；D、模铸时采用下注法，并在水口用氩气保护浇 钢过程，得到氮含量小于或等于60ppm的钢锭。

优选地，上述冶炼方法采用优质生铁及废钢进行配料。并且，要求生铁 及废钢清洁、干燥、无油污、块度适当，由于原料中的P、S及五害元素很低， 完全满足模具钢对残余元素的要求。

其中，采用EBT偏心炉底出钢电炉进行初次冶炼。在熔化期采用大功率 送电熔化、迅速造好氧化渣进行快速脱磷、保证氧化温度大于1580℃，并在 氧化末期保证一定的钢液碳含量，此时采用增大氧气流量的方法一方面快速 脱碳，另一方面在脱碳的同时并在钢液中的氧含量过饱和的情况下尽可能去 除钢液中的氮，使实际生产时偏心炉底出钢电炉的初次冶炼末期钢液中氮含 量在40ppm以下。优选地，将出钢温度控制为高于1650℃。由于该类钢在精 炼时合金的加入量在5000Kg以上，合金加入量大，而若出钢温度低于1650 ℃，则精炼时间将很长，钢液吸氮严重；相反，若出钢温度高于1650℃，精 炼时间将大幅缩短，钢液中的氮含量将有效地控制在80ppm以内。

采用LF钢包炉进行精炼，钢包入LF精炼炉后，调整氩气流量并送电精 炼。为了防止在精炼时空气中的氮气进入钢液导致吸氮，宜在精炼时采用大 渣量并快速升温，主要以碳粉还原为主，迅速造好精炼渣、进行合金化并保 证钢液脱氧、脱硫良好，控制S≤0.008%、S+P≤0.020%，最后视钢液中的氮 含量通过喂铝线和加钛铁的方式来控制钢液中的氮含量至80ppm以下。

采用VD真空精炼炉进行二次精炼，为了保证VD真空精炼炉的去气效果， 在钢液真空处理前适当减少渣量，例如在真空处理前去渣50%，以保证在真 空处理时炉渣透气性良好，并通过真空处理及采用Al、Ca进行脱氧处理以使 钢中氧含量及夹杂物降到尽可能低的水平。在真空处理过程中，保证在极限 真空度小于67pa的时间大于18分钟以使钢液中氮含量在40ppm以下，同时 经过VD真空处理使钢中氮、氢含量尽可能地降低。

模铸时采用下注法，并在水口用氩气保护浇钢过程，一方面在浇钢前通 过在钢锭模内吹入氩气的方式排出钢锭模内的空气，以防止空气中的氮气进 入钢液导致增氮；另一方面通过在水口用氩气保护浇钢过程，有效地防止了 钢液在浇钢过程中的增氮。

根据本发明另一方面的氮含量小于或等于60ppm的模具钢钢锭则是采用 上述控制中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法制造。

在本发明的一个示例性实施例中，所述模具钢钢锭为中碳含5wt%铬的模 具钢钢锭。

为了更好地理解本发明、下面结合具体示例进行详细描述。

实施例1：

a、配料：采用优质生铁及废钢配料。配比：优质生铁40%，废钢60%。

b、EBT偏心炉冶炼：

工艺流程：装料、送电熔化、造高碱度（R=4.8-6.0）硅酸盐氧化渣低温 （1520-1550℃）脱磷至0.006%以下、氧化脱碳（氧化温度大于1580℃，脱 碳量≥0.40%）。要求氧化期做到高温氧化，剧烈沸腾。钢液纯沸腾时间在8 分钟以上，以利于钢中气体及夹杂物的上浮。要求造泡沫渣，以防止电弧区 空气离解造成钢液严重吸氮。氧化末期取样分析N含量，控制EBT炉氧化末 期钢液中N含量小于45ppm并且通过偏心炉底出钢至钢包。出钢过程向钢包 中加入脱氧剂，脱氧剂：Fe-Si 2Kg/t、Al块2Kg/t；合金：根据炉中终点碳 含量，加烤红的高Cr或低Cr2.0t；渣料：烤红且无粉末石灰400Kg,萤石100Kg。 通过电炉初次冶炼，可获得氮含量小于45ppm的钢液。

c、LF钢包炉精炼：

工艺流程：入罐、测温，根据包中钢液温度及渣量的情况，补加石灰500Kg、 萤石60Kg。送电升温，LF钢包精炼炉按白渣操作，用碳粉保持，白渣保持时 间≥15min，碳粉用量为1.5-3.0Kg/t，碳粉还原后补加适量Si粉和Al粉， 进行深度脱氧去硫。白渣流动性及钢液脱氧良好，温度≥1600℃，S≤0.008%， 取样全分析，调整成分，取样全分析(包括氮含量分析)，确保成分完全进入 以满足要求。LF炉还原的后期，根据炉渣情况，加入60-100Kg/炉的硅石以 适当降低炉渣碱度。通过喂铝线方式添加0.06%铝并加Ti-Fe50Kg，通过大渣 量精炼及添加0.06%铝和50KgTi-Fe，可获得氮含量小于80ppm的精炼钢液。

d、VD真空精炼炉精炼：

在真空处理过程中，一方面为保证精炼渣的透气率及脱氮效果，要求真 空处理前精炼钢液温度≥1670℃除渣50%方可抽空，要求入VD真空精炼炉渣 厚度≤40mm；另一方面为控制钢液中的非金属夹杂物，提高冶金质量，要求 VD真空精炼之前根据钢中硅含量，喂硅钙线200米/炉。极限真空度≤67Pa 下的保持时间≥15min，真空处理过程中合理调整氩气流量，具体的调整步骤 可以为，在一个大气压至67Pa,的条件下使氩气流量由30Nl/min到 120Nl/min逐渐升高，在极限真空度≤67Pa时并保持时间15min过程中，氩 气流量控制在120Nl/min到200Nl/min，这样可使去氮率达50%以上。实际 生产时，在真空处理过程中，钢液中的氮含量由真空精炼前的80ppm降低为 40ppm。通过真空处理可获得氮含量小于40ppm的优质精炼钢液。

e、模铸：

模铸时采用下注法，并在水口用氩气(流量：80Nl/min)全程保护浇钢和 浇注过程并在模内吹氩气排除空气相结合的方法，同时还确保钢包水口离中 注管口高度≤60mm，保证自动开浇。由此，可获得氮含量小于60ppm的优质 钢锭。

采用本实施例的方法制备3.24t方锭、3.50t方锭、4.00t八角锭、φ430mm 电极母材（3.42t），之后分别对模铸的钢锭进行氮和氧含量检测，结果分别 为：氮含量为60ppm、氧含量为16ppm；氮含量为56ppm、氧含量为15ppm； 氮含量为59ppm、氧含量为18ppm；氮含量为60ppm、氧含量为16ppm。

综上所述，本发明的中碳含铬模具钢钢锭中氮含量的冶炼方法工艺简单， 实用性强，可以有效控制模具钢钢锭中的氮含量至较低水平，有利于提高并 保持模具钢的冲击韧性、塑性、冷加工性能、成型性、延伸率、焊接性能等 性能，具有良好的应用前景；根据本发明的冶炼方法制造的模具钢钢锭中的 氮含量则能够达到小于或等于60ppm的水平。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明的中碳含铬模具钢钢锭中 氮含量的冶炼方法及其钢锭，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离 权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。