本发明涉及钢材领域，具体而言，涉及一种钢锭及其制造方法。
背景技术：
在模具钢生产的生产工艺中，氢含量高的成品会形成白点缺陷，导致产品报废。氮含量高的模具钢经过长时间放置后会变脆，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。在中碳塑料模具钢中，因钢锭氢、氮含量高产生的脆性很严重。
尤其是针对中碳含铬的塑料模具钢，该钢含有cr、ni、mn、mo等合金元素，具有很高的淬透性。由于该钢含ni、cr、等合金元素，而上述合金元素与氢、氮共生，在生产时极易吸氢和氮，从而导致生产的产品白点缺陷很严重。
技术实现要素：
在本发明的第一方面，提供了一种钢锭，其具有相对较长的使用寿命以及较广的适用范围。
在本发明的另一方面，提供了一种钢锭的制造方法。利用上述制造方法可有效控制其中的氢和氮含量。
本发明是这样实现的：
一种制备钢锭的方法，其包括：
采用氧化渣进行初次冶炼，偏心炉底出钢得到冶炼钢液；
采用还原性精炼渣对冶炼钢液进行初次精炼得到第一精炼钢液，对第一精炼钢液进行二次真空精炼，得到第二精炼钢液；
以及真空浇注第二精炼钢液。
一种通过上述方法制备的钢锭。
本发明实施例的有益效果：本发明实施例提供的制备钢锭的方法具有工艺简单、控制方便，可以有效控制钢锭中的氢、氮含量至较低水平。由上述方法制造的钢锭使用寿命长，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本发明实施例的钢锭及其制造方法进行具体说明：
一种制造钢锭的方法，其包括：
步骤s101、采用氧化渣进行初次冶炼，偏心炉底出钢得到冶炼钢液。
上述冶炼过程中所采用的原料可以是生铁、废钢等。较佳地，生铁以及废钢均是清洁、干燥、无油污的材料，且块度适当。进一步地，通过减少原料中的磷、硫以及五害元素(as、pb、sb、bi和sn)的含量，可以提高成品塑料模具钢的品质，从而满足塑料模具钢高品质、残余元素含量低的要求。本发明的一些示例中，所采用的原料可以是中碳的含铬塑料模具钢。该钢含有cr、ni、mn、mo等合金元素，具有很高的淬透性。并且，该钢中的ni、cr等合金元素易与氢、氮共生，在生产时极易吸氢和氮。采用本发明提供的钢锭的制造方法，可以有效减弱甚至避免吸氧、氮的问题，从而有效控制成品钢锭中出现白点的情况。
作为一种可选的实现方式，采用偏心炉底出钢电炉对原料进行初次冶炼。在原料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，优选采用碱度达到r＝4.8～6.0的硅酸盐氧化渣。氧化脱磷，优选低温脱磷至磷含量在0.006％以下。氧化脱磷温度优选在1520～1550℃。氧化脱碳优选氧化温度大于1580℃，脱碳量大于0.40％。在氧化末期使钢液中保持一定的碳含量，其过程中，可以通过增大氧气流量的方法快速脱碳。
较佳地，氧化期做到高温氧化，使钢液剧烈沸腾。钢液纯沸腾时间在10分钟以上，以利于钢中气体及夹杂物的上浮。此外，宜造泡沫渣，以防止电弧区空气离解造成钢液严重吸氢和氮。
其次，在通过氧化脱碳的过程中，还可以去除钢液中的氢和氮。例如，氧化脱碳过程中，使钢液在氧含量过饱和的情况下，尽可能去除钢液中的氢和氮，以便使生产时偏心炉底出钢电炉的初次冶炼末期出钢的钢液中氢含量在1.5ppm以下，氮含量在45pp以下；进一步地，氢含量在1.0ppm以下，氮含量在40.0ppm以下；更进一步地，氢含量在0.5ppm以下，氮含量在30.0ppm以下。
作为优选的方案，将出钢温度控制为高于1630℃(钢液出炉温度)。该类钢(铁基塑料模具钢)在精炼时，通常会添加合金，且合金加入量大。若出钢温度低于1630℃，则精炼时间将很长，钢液吸氢和吸氮严重。相反，若出钢温度高于1630℃，精炼时间将大幅缩短，钢液中的氮含量将可以被有效地控制在80ppm以内，钢液中的氢含量将可以被有效地控制在4.0-5.5ppm之间，进而可为后续真空处理创造良好的条件。
通过偏心炉底出钢至钢包。在一些示例中，出钢过程中，向钢包内加入脱氧剂，脱氧剂例如可采用铝块(al)或硅钙合金。根据ebt偏心炉中的终点碳含量，可选地添加烤红的高cr或低cr；渣料：烤红且无粉末的石灰、萤石。
s102、采用还原性精炼渣对冶炼钢液进行初次精炼得到第一精炼钢液。
初次精炼可以采用各种炼钢炉，例如本发明实施例中，炼钢炉采用lf钢包炉。盛放钢液的钢包入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。
作为优选的方案，精炼渣系主要以具有还原作用的碳粉为主，通过迅速造好精炼渣、进行合金化，以保证钢液脱氧、脱硫良好，进而控制s≤0.007％、s+p≤0.018％。
进一步地，根据初次精炼过程中钢液中的氮含量，可以通过喂铝线的方式控制钢液中的氮含量至80ppm以下，在其他一些实例中，氮含量在70ppm以下，进一步地，氮含量在60ppm以下。
为了控制钢液中的氢含量，可以通过大幅缩短精炼时间，以便将钢液中的氢含量有效地控制在4.0～6.5ppm以内。在其他一些实例中，氢含量在5.5ppm以下或5ppm以下，进一步地，氮含量在3ppm以下，更进一步地，氮含量在4ppm。
作为一种可选的方式，冶炼钢液进行初次精炼时，根据钢包中的钢液温度及渣量的情况，适量地补加石灰、萤石。
s103、对第一精炼钢液进行二次真空精炼，得到第二精炼钢液。
二次真空精炼可以采用各种炼钢炉，本发明实施例中，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，即去除钢液中的部分精炼渣。
例如，在真空处理前对第一精炼钢液去渣50％，以保证在真空处理时炉渣透气性良好。进一步地，还可以通过结合真空处理及采用al、ca的方式进行脱氧处理，以使钢液中氧含量及夹杂物降到尽可能低的水平。即，在进行初次精炼的过程中，将铝和钙作为脱氧剂加入钢液中，以达到脱氧的目的。其中，钢和钙优选为单质。
在一些示例中，在钢液真空处理前，去除全部的精炼渣，而在进行二次真空精炼时添加与上述初次精炼过程中所采用的精炼渣成分相同的渣系。或者，在钢液真空处理前，去除全部的精炼渣，然后在进行二次真空精炼时，根据初次精炼得到的第一精炼钢液的情况选择新的渣系。
作为优选的方案，在二次真空精炼的过程中，二次真空熔炼过程张，在极限真空度小于67pa的条件下，保持时间大于15分钟，更优选为大于18分钟的条件下，以便控制钢液中氮含量在60ppm以下、氢含量有效地控制在1.5ppm以下，或氢含量在1.0ppm以下。进一步地，经过vd真空处理可以使钢中氮、氢含量尽可能地降低。
在真空精炼处理过程中，为保证精炼渣的透气率及脱氢和脱氮效果，优选地，真空精炼处理前控制精炼钢液的温度≥1690℃、除渣50％并且炉渣的厚度控制≤40mm，再对精炼罐进行抽真空。另一方面，为控制钢液中的非金属夹杂物，提高冶金质量，通过vd真空精炼之前，根据钢液中硅含量，喂硅钙合金线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，以便去氢率达到70％、去氮率达50％以上。
s104、真空浇注第二精炼钢液。
浇注第二精炼钢液时，可以采用上注法或下注法。作为一种示例，模铸时采用上注法真空vc浇注，通过对真空罐进行真空处理(真空度≤67pa)，浇注钢液与外界隔绝。钢液浇注过程保持在真空(真空度≤67pa)条件下进行，有效地防止了钢液在浇钢过程中的增氢和增氮。在本发明的一些实例中，经过真空浇注可以得到[h]≤1.2ppm和[n]≤50ppm的塑料模具钢38-40吨钢锭。
本发明还提供了一种由上述方法制造而成的钢锭。
通过控制制造工艺参数，可以使得钢锭中的各元素含量根据需要进行调整。例如，在一些示例中，得到中碳钢锭，且其中，含2wt％铬、1wt％镍、1.3wt％锰。进一步部地，还可以控制钢锭中的氢含量在1.2ppm以下，氮含量在50ppm以下、氧含量在15ppm以下。
本发明提供的制备钢锭的方法可以适用于各类钢种的制备，尤其是铁基塑料模具钢、塑料模具钢。采用该方法可以实现38-40吨重的钢锭制备。另外，该方法可以有效地控制含铬、锰、镍、钼的中碳塑料模具钢的钢锭质量。
在一些实例中，采用上述方法可以有效控制塑料模具钢的钢锭中的[h]≤1.5ppm和[n]≤50ppm、[o]≤15ppm，且可以大幅度提高模具钢的使用寿命，有利于其在塑料行业大型模具中的使用。
以下结合实施例对本发明的钢锭及其制造方法作进一步的详细描述。
实施例一
一种钢锭，其通过以下步骤制作而成。
第一步、配料。
采用优质生铁及废钢配料。重量配比：优质生铁30％，废钢70％。
第二步、ebt偏心炉冶炼。
工艺流程：装料、送电熔化、造高碱度(r＝4.8)硅酸盐氧化渣低温(1520℃)脱磷至0.006％、氧化脱碳(氧化温度1590℃，脱碳量0.40％)。
氧化期过程中，加热至剧烈沸腾使钢液纯沸腾时间在10分钟，并且造泡沫渣。氧化末期取样分析[h]和[n]含量，控制ebt炉氧化末期钢液中[h]＝1.5ppm、[n]＝45ppm。
然后通过偏心炉底出钢至钢包。出钢过程向钢包中加入脱氧剂，al块2kg/t。根据炉中终点碳含量，加1.0t烤红的低cr；渣料：烤红且无粉末石灰400kg,萤石100kg。通过电炉初次冶炼，在1630℃，获得[h]＝1.5ppm、[n]＝45ppm的钢液。
第三步、lf钢包炉精炼
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2.0kg/t，碳粉还原后补加适量al粉进行深度脱氧去硫。精炼温度在1670℃、s≤0.008％时，取样全分析，调整成分，取样全分析(包括氮含量分析)，确保成分满足要求。lf炉还原的后期，通过喂铝线方式添加0.06％铝，获得氮含量80ppm、氢含量4.5ppm的精炼钢液。
第四步、vd真空精炼炉精炼
在真空精炼处理前，精炼钢液温度1690℃、除渣50％进行抽空，炉渣厚度控制40mm。根据钢中硅含量，喂硅钙线200米/炉。在极限真空度67pa下保持时间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，在一个大气压的条件下使氩气流量由30nl/min(标准升每分钟)到120nl/min逐渐升高。在极限真空度60pa时，保持时间18min过程中，氩气流量控制在120nl/min到200nl/min。
钢液中的氢含量由真空精炼前的4.5ppm降低为1.35ppm，氮含量由真空精炼前的80ppm降低为60ppm。通过真空处理可获得[h]1.5ppm、[n]47ppm的优质精炼钢液。
第五步、模铸：
模铸时采用上注法真空vc浇注，通过对真空罐进行真空处理(真空度67pa)。钢液与外界隔绝并保持在真空下进行浇注，获得[h]1.2ppm、[n]35ppm、[o]13ppm的38吨优质钢锭，无明显白色斑点。
实施例二
一种钢锭，其通过以下步骤制作而成。
第一步、配料。
采用优质生铁及废钢配料。重量配比：优质生铁40％，废钢60％。
第二步、ebt偏心炉冶炼。
工艺流程：装料、送电熔化、造高碱度(r＝5)硅酸盐氧化渣低温(1550℃)脱磷至0.003％、氧化脱碳(氧化温度1600℃，脱碳量0.50％)。
氧化期过程中，加热至剧烈沸腾使钢液纯沸腾时间在15分钟，并且造泡沫渣。氧化末期取样分析[h]和[n]含量，控制ebt炉氧化末期钢液中[h]＝1.0ppm、[n]＝40ppm。
然后通过偏心炉底出钢至钢包。出钢过程向钢包中加入脱氧剂，al块3kg/t。根据炉中终点碳含量，加1.4t烤红的高cr；渣料：烤红且无粉末石灰500kg、萤石80kg。通过电炉初次冶炼，在1640℃出钢，获得[h]＝1.4ppm、[n]＝43ppm的钢液。
第三步、lf钢包炉精炼
入罐、测温，根据包中钢液温度及渣量的情况，补加石灰400kg、萤石30kg。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19min，碳粉用量为2.3kg/t，碳粉还原后补加适量钙粉进行深度脱氧去硫。精炼温度在1690℃、s≤0.004％时，取样全分析，调整成分，取样全分析(包括氮含量分析)，确保成分满足要求。lf炉还原的后期，通过喂铝线方式添加0.06％铝，获得氮含量75ppm、氢含量3.0ppm的精炼钢液。
第四步、vd真空精炼炉精炼
在真空精炼处理前，精炼钢液温度1720℃、除渣60％进行抽空，炉渣厚度控制30mm。根据钢中硅含量，喂硅钙线220米/炉。在极限真空度54pa下保持时间17min，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67pa的条件下使氩气流量由45nl/min(标准升每分钟)到110nl/min逐渐升高。在极限真空度57pa时，保持时间15min过程中，氩气流量控制在110nl/min到180nl/min。
钢液中的氢含量由真空精炼前的3.0ppm降低为1.2ppm，氮含量由真空精炼前的75ppm降低为50ppm。通过真空处理可获得[h]1.2ppm、[n]50ppm的优质精炼钢液。
第五步、模铸：
模铸时采用上注法真空vc浇注，通过对真空罐进行真空处理(真空度50pa)。钢液与外界隔绝并保持在真空下进行浇注，获得40吨的[h]1.0ppm、[n]30ppm、[o]10ppm的优质钢锭，无明显白色斑点。
实施例三
一种钢锭，其通过以下步骤制作而成。
第一步、配料。
采用优质生铁及废钢配料。重量配比：优质生铁36％，废钢64％。
第二步、ebt偏心炉冶炼。
工艺流程：装料、送电熔化、造高碱度(r＝6.0)硅酸盐氧化渣低温(1540℃)脱磷至0.002％、氧化脱碳(氧化温度1600℃，脱碳量0.50％)。
氧化期过程中，加热至剧烈沸腾使钢液纯沸腾时间在10分钟，并且造泡沫渣。氧化末期取样分析[h]和[n]含量，控制ebt炉氧化末期钢液中[h]、[n]。
然后通过偏心炉底出钢至钢包。出钢过程向钢包中加入脱氧剂，al块2kg/t。根据炉中终点碳含量，加1.0t烤红的低cr；渣料：烤红且无粉末石灰300kg,萤石300kg。通过电炉初次冶炼，获得[h]＝0.8ppm、[n]＝45ppm的钢液。
第三步、lf钢包炉精炼
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，用碳粉保持时间15min，碳粉用量为1.8kg/t，碳粉还原后补加适量al粉进行深度脱氧去硫。精炼温度在1800℃、s≤0.003％时，取样全分析，调整成分，取样全分析(包括氮含量分析)，确保成分满足要求。lf炉还原的后期，通过喂铝线方式添加0.03％铝，获得氮含量65ppm、氢含量1.0ppm的精炼钢液。
第四步、vd真空精炼炉精炼
在真空精炼处理前，精炼钢液温度1730℃、除渣70％进行抽空，炉渣厚度控制20mm。根据钢中硅含量，喂硅钙线300米/炉。在极限真空度44pa下保持时间30min，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0.01个大气压的条件下使氩气流量由45nl/min(标准升每分钟)到100nl/min逐渐升高。在极限真空度40pa时，保持时间20min过程中，氩气流量控制在100nl/min到180nl/min。
通过真空处理可获得[h]0.8ppm、[n]47ppm的优质精炼钢液。
第五步、模铸：
模铸时采用上注法真空vc浇注，通过对真空罐进行真空处理(真空度67pa)。钢液与外界隔绝并保持在真空下进行浇注，获得[h]0.8ppm、[n]33ppm、[o]5ppm的39吨优质钢锭，无明显白色斑点。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。