专利名称：一种真空感应炉炼钢的方法
技术领域：
本发明涉及一种真空感应炉炼钢的方法。
背景技术：
真空感应熔炼在金属的纯化、成分控制、性能改进及洁净度方面具有明显的效果。 真空感应熔炼出的夹杂含量低、尺寸小且成分精确的合金，其物理、机械和耐蚀性能都得到提尚。但是，目前的真空感应炉炼钢方法存在以下不足钢锭洁净度控制的难度仍然较大；熔化纯铁原料的时间较长，导致生产效率较低；加料时的机械冲击力和熔炼中的搅拌导致坩埚损耗速度较快。
发明内容
为了克服目前的真空感应炉炼钢方法的上述不足，本发明提供了一种真空感应炉炼钢的方法，该方法能够提高钢液的洁净度、缩短纯铁原料的熔化时间并且延长坩埚的使用寿命。本发明提供的真空感应炉炼钢的方法包括将一整块纯铁原料块置入真空感应炉的坩埚中，然后，在真空条件下，将所述纯铁原料块完全熔化，随后依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤。本发明提供的真空感应炉炼钢的方法，工艺简单、能够提高钢液的洁净度、缩短纯铁原料的熔化时间并且延长坩埚的使用寿命。
具体实施例方式本发明提供了一种真空感应炉炼钢的方法，该方法包括将一整块纯铁原料块置入真空感应炉的坩埚中，然后，在真空条件下，将所述纯铁原料块完全熔化，随后依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤。本发明中的真空条件为真空感应炼钢的常规真空条件，例如压力小于10 即视
为真空。根据本发明的方法，其中，所述纯铁原料块为一整块，其体积的大小没有特别的要求，为了提高设备使用效率，优选所述纯铁原料块的体积为所述真空感应炉的坩埚的容积的45-75体积％，进一步优选为50-72体积％。本发明中所用的真空感应炉可以为各种能够实现真空感应冶炼的真空感应炉，例如可以为冶炼规模为2^g、50kg、200kg、500kg和1. 5t的真空感应炉，坩埚的容积可以为 3-200L。 根据本发明的方法，其中，所述纯铁原料块的形状没有特别的要求，为了提高设备使用效率和实际生产方案的通用性，优选所述纯铁原料块为柱状纯铁原料块。所述的柱状可以包括但不限于圆柱状、长方体柱状和不规则柱状。同时，本领域人员可以选择较合适形状的柱状纯铁原料块，以免与其它生产条件冲突，例如柱体的高度不至于阻碍其放入真空感应炉中。根据本发明的方法，为了提高设备使用效率和实际生产方案的通用性，优选所述柱状纯铁原料块的横截面积的算术平方根与柱状纯铁原料块的高度比为1 5-15，进一步优选为1 6-12。根据本发明的方法，所述纯铁原料块可以由多个尺寸较小的纯铁原料块焊接而成，所述尺寸较小的纯铁原料块在至少一个方向上的尺寸可以为所述纯铁原料块在该方向的尺寸的5-50%。所述焊接的方法和条件可以为公知的条件和方法，本发明没有特别的要求。本发明的方法中所述的纯铁指的是工业纯铁，优选使用C含量小于0.01质量％， S含量小于0. 001质量％的工业纯铁。本发明的方法是将一整块纯铁原料块置入真空感应炉的坩埚中，然后，在真空条件下，将所述纯铁原料块完全熔化。在此过程中，本发明省去了多次添加纯铁原料的步骤， 简化了工艺，而且由于整块的原料块具有更小的表面积，由原料带入的杂质的量明显下降， 从而使得钢液的纯净度有明显的提高。而且在感应加热时，由于原料为整块的纯铁，相对于散料在相同的电磁感应条件下能产生更大的感应电流，因此能够在加热开始时就可以以最大加热功率进行加热，所以缩短了纯铁原料的熔化时间。由于本发明的方法避免了多次向坩埚中投入纯铁原料，因此减少了投料的机械冲击力对坩埚的损伤，也避免了坩埚材料对钢液的污染。根据本发明的方法，在将纯铁原料完全熔化后，可以依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤。所述配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤的时间选择没有特别的要求，例如， 可以在纯铁原料完全熔化后的1-10分钟内进行配碳步骤，可以在配碳步骤完成后的1-10 分钟内进行脱氧步骤，还可以在脱氧步骤完成后的1-10分钟内进行合金化步骤。根据本发明的方法，其中，所述配碳步骤是指根据目标钢种的碳含量和纯铁原料的碳含量确定所需加入的碳的量并由此加入或不加入碳元素。所述配碳步骤中，碳元素的加入量没有特别的要求，只要能达到目标钢种碳含量要求即可，考虑到纯铁和/或合金料中含有一定量的碳，优选碳的加入量与全部炉料的总重量的比值小于等于目标钢种碳含量要求的下限值或者不加入碳元素。加入的碳元素的形式也没有特别的要求，考虑到原料的易得性，优选使用工业用废石墨电极。根据本发明的方法，其中，所述脱氧步骤中，脱氧剂的加入量没有特别的要求，只要能是钢液中的氧含量降至目标钢种的氧含量要求即可，为了节省脱氧剂的使用量并提高钢水的纯净度，优选情况下，相对于钢水中每微摩尔的氧，脱氧剂的加入量为0. 04-0. 06 克。加入的脱氧剂的选择也没有特别的要求，考虑到原料的易得性和脱氧的效率，优选使用铝粒作为脱氧剂，所述铝粒的粒径可以为5-20毫米。需要说明的是，钢水中的氧的含量的测定方式可为用定氧仪测得钢水中的氧活度(单位为摩尔/升，数量级为ppm)，然后用氧活度乘以钢水的体积得到的数值即为氧的含量。根据本发明的方法，其中，所述的合金化步骤中，所述合金元素的加入量没有特别的要求，只要是能够达到目标钢种对合金元素含量的要求即可，考虑到冶炼过程中各种元素的损耗程度间的差异，优选情况下，易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该易氧化元素含量要求的上限值的1. 45-1. 65倍；较易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该较易氧化元素含量要求的上限值的0. 9-1. 1倍；不易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该易氧化元素含量要求的上限值与下限值的算术平均值的0. 9-1. 1倍；其中，所述易氧化元素包括Ti、C和Al中的一种或多种；所述较易氧化元素包括Mn和/或Si ；所述不易氧化元素包括Mo、Ni、Cr、Cu、 Nb、V和B中的一种或多种。所述合金元素以合金料的形式加入，对合金料的选择没有特别的要求，可以用各种元素的单质，考虑到原料的易得性，优选合金料为含有合金元素的铁合金。铁合金中合金元素的含量可以为公知的含量。合金料加入后可以通过搅拌的方式使合金化更加充分，搅拌的方法和时间没有特别的限制，例如可以为电磁搅拌2-6分钟。本发明所述的目标钢种可以为本领域公知的各种经真空感应冶炼得到的钢种，本发明没有特别的要求，例如，可以为各种高强高韧钢，可以包括X120管线钢、XlOO管线钢、 高强度建筑结构用钢和高屈服强度的工程机械用钢。目标钢种对合金元素的含量可以为公知的含量，例如国标GB/T8162-1999、GB/T8163-1999和GB5310-1995规定的含量。根据本发明的方法，其中，所述合金化步骤中，为了使得合金元素分散均勻，合金化更充分，优选合金元素分2-6批加入熔清的钢水中。根据本发明的方法，其中，所述合金料可以为粒状合金料，粒径可以为5-20毫米。下面，将通过实施例对本发明进行更详细的描述。实施例1本实施例通过制备XlOO管线钢，详细说明本发明提供的真空感应炉炼钢的方法。XlOO管线钢要求的成分质量百分比为C的含量为< 0. 06质量％、Si的含量为 0. 15-0. 30质量％、Mn的含量为1. 80-2. 00质量％、P的含量为彡0. 010质量％、S的含量为 ^ 0. 003质量％、Mo的含量为0. 15-0. 25质量％、Ni的含量为0. 25-0. 45质量％、Cr的含量为0. 15-0. 25质量％、Cu的含量为0. 15-0. 25质量％、Nb的含量为0. 040-0. 060质量％、 V的含量为0. 06-0. 09质量％和Ti的含量为0. 010-0. 025质量％。因XlOO管线钢要求C含量较低，考虑到纯铁及加入的合金中都含有一定量的C，因此，配碳步骤中不再加入石墨。将18块尺寸为3cmX3cmX22. 6cm的棒状纯铁原料(C含量小于0. 01质量％，S含量小于0. 001质量％ )用CHE422焊条以电焊的方式焊接为底面积Mcm2且高为68cm的柱状纯铁原料块，重量为四千克。将上述纯铁原料块置于真空感应炉的坩埚(容积为7L)内，抽去炉内空气直至气压小于10Pa，而后以最大功率开始真空感应加热，加热开始45分钟后观察到纯铁完全熔化，用定氧仪(购自北京中西远大科技股份有限公司，型号M28345》测量并计算得到铁水中含氧量为820微摩尔，此时通过加料仓加入60克铝粒(粒径为5-15毫米)，纯铁完全熔化2分钟后加入Mn的含量为75重量％的Mn-Fe合金809克，纯铁完全熔化5分钟后加入 Si的含量为75重量％的Si-i^e合金70克、Mo的含量为56重量％的Mo-Fe合金104克、纯 Ni金属105克、Cr的含量为65重量％的Cr-Fe合金91克、纯Cu金属59克、Nb的含量为 66重量％的Nb-Fe合金23克和V的含量为48重量％的V-Fe合金46克，然后再电磁搅拌4分钟后将钢水注入钢锭模，得到钢锭。待钢锭冷却后按照国标SN/T 0750-1999规定的方法进行取样检验分析，得到的钢锭的成分结果如下c的含量为0. 058重量％、Si的含量为0. 278重量％、Mn的含量为 1. 902重量％、P的含量为0. 010重量％、S的含量为0. 0029重量％、Mo的含量为0. 218重量％、Ni的含量为0. 212重量％、Cr的含量为0. 23重量％、Cu的含量为0. 248重量％、Nb 的含量为0. 052重量％、V的含量为0. 068重量％、Ti的含量为0. 021重量％、0的含量为 0. 0030重量％、N的含量为0. 0029重量％。由检验结果可见，得到的钢锭洁净度较高，完全符合XlOO管线钢的要求。按照上述方法使用同一坩埚重复冶炼10次后，坩埚的质量损失为5. 8质量％。对比例1XlOO管线钢要求的成分质量百分比与实施例1相同。因XlOO管线钢要求C含量较低，考虑到纯铁及加入的合金中都含有一定量的C，因此，配碳步骤中不再加入石墨。以总重量为四千克的18块尺寸为3cmX3cmX22. 6cm的棒状纯铁(C含量小于
0.01质量％，S含量小于0.001质量％)为原料，先将其中6块置于真空感应炉的坩埚(容积为7L)内，而后以最大功率开始真空感应加热，视纯铁熔化情况，逐步加入剩余的12块纯铁，加热开始50分钟后观察到纯铁完全熔化，抽去炉内空气直至气压小于10Pa，用定氧仪(购自北京中西远大科技股份有限公司，型号M28345》测量并计算得到铁水中含氧量为 800微摩尔，然后通过加料仓加入60克铝粒(粒径为5-15毫米)，纯铁完全熔化3分钟后加入Mn的含量为75重量％的Mn-Fe合金809克，纯铁完全熔化6分钟后加入Si的含量为 75重量％的Si-Fe合金70克、Mo的含量为56重量％ WMo-Fe合金104克、纯Ni金属105 克、Cr的含量为65重量％的Cr-Fe合金91克、纯Cu金属59克、Nb的含量为66重量％的 Nb-Fe合金23克和V的含量为48重量％的V-Fe合金46克，然后再电磁搅拌4分钟后将钢水注入钢锭模，得到钢锭。待钢锭冷却后按照国标SN/T 0750-1999规定的方法进行取样检验分析，得到的钢锭的成分结果如下c的含量为0. 039重量％、Si的含量为0. 126重量％、Mn的含量为
1.561重量％、P的含量为0. 012重量％、S的含量为0. 0031重量％、Mo的含量为0. 203重量％、Ni的含量为0. 208重量％、Cr的含量为0. 22重量％、Cu的含量为0. 246重量％、Nb 的含量为0. 051重量％、V的含量为0. 064重量％、Ti的含量为0. 007重量％、0的含量为 0. 0095重量％、N的含量为0. 0089重量％。由检验结果可见，得到的钢锭含有较多的N和0杂质，清洁度较低。按照上述方法使用同一坩埚重复冶炼10次后，坩埚的质量损失为9. 6质量％。实施例2本实施例通过制备X120管线钢，详细说明本发明提供的真空感应炉炼钢的方法。X120管线钢要求的成分质量百分比为C的含量为< 0. 06质量％、Si的含量为 0. 15-0. 30质量％、Mn的含量为1. 80-2. 00质量％、P的含量为彡0. 010质量％、S的含量为 ^ 0. 005质量％、Mo的含量为0. 15-0. 25质量％、Ni的含量为0. 25-0. 45质量％、Cr的含量为0. 15-0. 25质量％、Cu的含量为0. 15-0. 25质量％、Nb的含量为0. 040-0. 060质量％、 Ti的含量为0. 010-0. 025质量％禾口 B的含量为0. 0010-0. 0020质量％。
因X120管线钢要求C含量较低，考虑到纯铁及加入的合金中都含有一定量的C，因此，配碳步骤中不再加入石墨。将10块尺寸为3. 2cmX3. 2cmX36cm的棒状纯铁原料(C含量小于0. 01质量％，S 含量小于0. 001质量％ )用CHE422焊条以电焊的方式焊接为底面积51. 2cm2且高为72cm 的柱状纯铁原料块，重量为四千克。将上述纯铁原料块置于真空感应炉的坩埚(容积为6. 5L)内，抽去炉内空气直至气压小于10Pa，而后以最大功率开始真空感应加热，加热开始43分钟后观察到纯铁完全熔化，用定氧仪(购自北京中西远大科技股份有限公司，型号M28345》测量并计算得到铁水中含氧量为850微摩尔，此时通过加料仓加入61克铝粒(粒径为5-15毫米)，纯铁完全熔化2分钟后加入Mn的含量为75重量％的Mn-Fe合金808克，纯铁完全熔化5分钟后加入 Si的含量为75重量％的Si-Fe合金71克、Mo的含量为56重量％ WMo-Fe合金104克、纯 Ni金属105克、Cr的含量为65重量％的Cr-Fe合金92克、纯Cu金属60克、Nb的含量为 66重量％的Nb-Fe合金22克和B的含量为16重量％的B-Fe合金4克，然后再电磁搅拌4 分钟后将钢水注入钢锭模，得到钢锭。待钢锭冷却后按照国标SN/T 0750-1999规定的方法进行取样检验分析，得到的钢锭的成分结果如下c的含量为0. 059重量％、Si的含量为0. 286重量％、Mn的含量为 1. 87重量％、P的含量为0. 009重量％、S的含量为0. 0035重量％、Mo的含量为0. 224重量％、附的含量为0. 356重量％、Cr的含量为0. 243重量％、Cu的含量为0. 253重量％、Nb 的含量为0. 050重量％、B的含量为0. 0011重量％、Ti的含量为0. 024重量％、0的含量为 0. 0028重量％、N的含量为0. 0030重量％。由检验结果可见，得到的钢锭洁净度较高，完全符合X120管线钢的要求。按照上述方法使用同一坩埚重复冶炼10次后，坩埚的质量损失为5. 1质量％。实施例3本实施例通过制备屈服强度SOOMI^级工程机械用钢，详细说明本发明提供的真空感应炉炼钢的方法。屈服强度SOOMI^级工程机械用钢要求的成分质量百分比为C的含量为 0. 04-0. 08质量％、Si的含量为0. 15-0. 30质量％、Mn的含量为1. 60-1. 80质量％、P的含量为彡0. 015质量％、S的含量为彡0. 005质量％、Mo的含量为0. 15-0. 25质量％、Ni的含量为0. 25-0. 40质量％、Cr的含量为0. 30-0. 40质量％、Nb的含量为0. 040-0. 060质量％、 V的含量为0. 06-0. 09质量％和Ti的含量为0. 010-0. 025质量％。将对块尺寸为2. 5cmX2. 5cmXM. 5cm的棒状纯铁原料(C含量小于0. 01质量％， S含量小于0. 001质量％)用CHE422焊条以电焊的方式焊接为底面积50cm2且高为73. 5cm 的柱状纯铁原料块，重量为四千克。将上述纯铁原料块置于真空感应炉的坩埚(容积为7. 5L)内，抽去炉内空气直至气压小于10Pa，而后以最大功率开始真空感应加热，加热开始44分钟后观察到纯铁完全熔化，此时通过加料仓加入12克石墨，纯铁完全熔化3分钟后用定氧仪(购自北京中西远大科技股份有限公司，型号M28345》测量并计算得到铁水中含氧量为900微摩尔，此时加入 61克铝粒(粒径为5-15毫米)，纯铁完全熔化5分钟后加入Mn的含量为75重量％的Mn-Fe 合金690克，纯铁完全熔化8分钟后加入Si的含量为75重量％的Si-Fe合金77克、Mo的含量为56重量％的Mo-Fe合金104克、纯Ni金属97克、Cr的含量为65重量％的Cr-Fe合金59克、Nb的含量为66重量％的Nb-Fe合金23克和V的含量为48重量％的V-Fe合金 46克，然后再电磁搅拌4分钟后将钢水注入钢锭模，得到钢锭。待钢锭冷却后按照国标SN/T 0750-1999规定的方法进行取样检验分析，得到的钢锭的成分结果如下c的含量为0. 056重量％、Si的含量为0. 229重量％、Mn的含量为 1. 62重量％、P的含量为0. 011重量％、S的含量为0. 004重量％、Mo的含量为0. 197重量％、附的含量为0. 327重量％、Cr的含量为0. 359重量％、Nb的含量为0. 046重量％、Ti 的含量为0. 02重量％、0的含量为0. 0023重量％、N的含量为0. 0030重量％。由检验结果可见，得到的钢锭洁净度较高，完全符合屈服强度SOOMPa级工程机械用钢的要求。按照上述方法使用同一坩埚重复冶炼10次后，坩埚的质量损失为4. 3质量％。
权利要求
1.一种真空感应炉炼钢的方法，该方法包括将一整块纯铁原料块置入真空感应炉的坩埚中，然后，在真空条件下，将所述纯铁原料块完全熔化，随后依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纯铁原料块的体积为所述真空感应炉的坩埚的容积的45-75体积％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述纯铁原料块为柱状纯铁原料块。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述柱状纯铁原料块的横截面积的算术平方根与柱状纯铁原料块的高度比为1 5-15。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述纯铁原料块由多个尺寸较小的纯铁原料块焊接而成，所述尺寸较小的纯铁原料块在至少一个方向上的尺寸为所述纯铁原料块在该方向的尺寸的5-50 %。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述配碳步骤中，碳的加入量与全部炉料的总重量的比值小于等于目标钢种碳含量要求的下限值。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述脱氧步骤中，相对于钢水中每微摩尔的氧， 脱氧剂的加入量为0. 04-0. 06克。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述合金化步骤中，易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该易氧化元素含量要求的上限值的1. 45-1. 65倍；较易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该较易氧化元素含量要求的上限值的0. 9-1. 1倍；不易氧化元素的加入量与全部炉料的总重量的比值为目标钢种中该易氧化元素含量要求的上限值与下限值的算术平均值的0. 9-1. 1倍；所述易氧化元素包括 Ti、C和Al中的一种或多种；所述较易氧化元素为Mn和/或Si ；所述不易氧化元素包括Mo、 Ni、Cr、Cu、Nb、V和B中的一种或多种。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其中，所述合金化步骤中，合金元素分2-6批加入熔清的钢水中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述合金料的颗粒直径为5-20毫米。
全文摘要
本发明提供了一种真空感应炉炼钢的方法，该方法包括将一整块纯铁原料块置入真空感应炉的坩埚中，然后，在真空条件下，将所述纯铁原料块完全熔化，随后依次进行配碳步骤、脱氧步骤和合金化步骤。本发明提供的真空感应炉炼钢的方法，工艺简单、能够提高钢液的洁净度、缩短纯铁原料的熔化时间并且延长坩埚的使用寿命。
文档编号C21C5/52GK102477469SQ201010572670
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者严学模, 余腾义, 冯远超, 叶晓喻, 左军, 曾建华, 杨峰, 陈亮 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司, 攀钢集团研究院有限公司, 攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司