一种钢铁熔炼-模铸新工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 模铸成型是制造金属锻坯和乳坯的一种重要方式，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】
[0003] 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。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0005] -种钢铁熔炼-模铸新工艺，包括以下步骤：
[0006] 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；
[0007]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;
[0008] 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；
[0009]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°C，充入氩气，取样检测，确定熔化后炉料基本成分；
[0010] 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°C，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；
[0011]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;
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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°C，所述干燥预热时间为lh〇
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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 银铁、1凡铁或钦铁等合金。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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】
[0028] 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】
[0029] 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。
[0030] 实施例
[0031] 本发明采用200Kg多功能真空感应炉，内置坩埚采用A1203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：〇. 05%C-0. 25%Si-1. 0%Μη-0. 10% Ti〇
[0032] 具体实施步骤为：
[0033] 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