本发明属特种钢及其冶炼
技术领域：
，涉及一种加锆高碳纯净钢真空感应炉冶炼制备方法。
背景技术：
：目前，在用钢板烧结锯片等板材时，其加工过程中需加热到一定的温度(750℃左右)，使用环境恶劣，材料要承受强拉伸力及疲劳破坏。目前，如使用的碳素钢钢板，则烧结出的板材易产生塑性变形，使用寿命短；如使用高强度合金钢板则成本高昂。优质碳素结构钢70#钢虽然适用于高温(750℃左右)下的热加工，但其成分中有害元素、夹杂物的含量均较高，机械性能有限。因此，需要开发出一种高碳、微合金化、有害元素和夹杂物含量低、产品机械性能强、成本相对低的高强度碳素纯净钢，应用于高温下的热加工。技术实现要素：本发明提供一种加锆高碳纯净钢真空感应炉冶炼制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的：一种加锆高碳纯净钢真空感应炉冶炼制备方法，按质量百分比，所述加锆高碳纯净钢由以下成分组成：c0.67～0.75％，si0.15～0.37％，mn0.30～0.80％，p≤0.012％，s≤0.006％，cr0.20～0.50％，mo≤0.30％，v≤0.30％，zr0.002～0.100％，余量为fe和不可避免的杂质；所述制备方法包括以下步骤：真空感应炉冶炼步骤：先将冶炼配料在真空感应炉中进行熔化处理，再进行精炼处理，再进行合金化处理，再出钢得到合金钢液；连铸处理步骤：将所述合金钢液进行连续浇铸处理，得到所述加锆高碳纯净钢。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述冶炼原料为工业纯铁、增碳剂、cr源、mo源、v源；优选地，所述增碳剂的用量为所述工业纯铁质量的0.7-0.8％。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述熔化处理中，真空度≤20pa，优选为1-20pa。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述精炼处理开始进行时的温度为1580-1600℃。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述精炼处理中，真空度≤5pa，优选为1-5pa，温度为1580-1640℃，时间为大于等于40min，优选为40-50min。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述合金化处理在氩气气氛下进行，优选地，所述氩气压力为4-6kpa；所述合金化处理中，向所述真空感应炉中依次加入si源、zr源、mn源；优选地，所述si源为zr-fe合金，所述zr源为zr-fe合金，所述mn源为电解mn。作为优选的实施方式，所述真空感应炉冶炼步骤中，所述出钢的温度为1540-1560℃。作为优选的实施方式，所述cr源为cr单质，所述mo源为mo单质，所述v源为v-fe合金。作为优选的实施方式，所述加锆高碳纯净钢由以下成分组成：c0.67～0.75％，si0.15～0.3％，mn0.3～0.6％，p≤0.012％，s≤0.006％，cr0.25～0.40％，mo0.010-0.025％，v0.20-0.30％，zr0.002～0.01％，余量为fe和不可避免的杂质。作为优选的实施方式，所述加锆高碳纯净钢的抗拉强度rm≥1400mpa，屈服强度r0.2≥1300mpa。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明制备的优质碳素结构钢70#钢基础上，进一步降低有害元素s、p、o、n的含量，降低夹杂物含量，净化钢液，可大大提高钢的机械性能。2、本发明制备的的产品机械性能比70#钢、高碳纯净钢72a有了大幅度提高，对通过真空感应炉冶炼、连铸处理、锻造、热轧、冷轧和热处理后得到的钢材进行性能检测，结果如下：抗拉强度rm≥1400mpa；屈服强度r0.2≥1300mpa，其板材用在烧结锯片母板，产生塑性变形损坏小，提高其寿命，另外该钢生产成本低。3、本发明的化学成分合理配比，共同提高了产品的品质：cr的添加有效改善钢材的强韧性；少量v的添加能有效控制钢中晶粒的形态和分布，提高钢的力学性能、强度和塑性；zr的添加可提高淬透性。4、本发明采用在纯净钢制备领域无人使用的真空感应炉作为主要设备，制备得到各方面机械性能优异的高强度碳素纯净钢，得到的产品稳定性好，合格率高。在现有技术中，为控制生产成本，真空感应炉主要应用于在研发阶段进行的实验中，而基本没有应用于实际生产中。本发明却将真空感应炉应用于高强度碳素纯净钢的生产工艺中，所制备的纯净钢产品的质量优异，通过产品得到的利润能够弥补生产成本过高的缺陷。5、本发明的高强度碳素纯净钢的各个成分的合理配比、其与制备方法的步骤、参数之间协同作用，共同进一步提高其机械性能。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明提供上述加锆高碳纯净钢(即高强度碳素纯净钢)的制备方法，该方法是以真空感应炉为主要设备的生产工艺，通过入炉原料工业纯铁等原料制备得产品。该制备方法包括以下步骤：步骤一、配料：将工业纯铁，增碳剂(c配比0.7～0.8％，即加入增碳剂后，增碳剂中的c占工业纯铁的质量百分比为0.7-0.8％)，cr条、mo条、v-fe合金作为冶炼配料。步骤二：真空感应炉冶炼：将上述冶炼配料送入真空感应炉中，在真空度≤20pa(优选为1-20pa)下，送电将配料熔化；当钢液温度达到1580-1600℃(比如1582℃、1590℃、1595℃、1598℃)，真空度≤5pa(比如4.5pa、4pa、3.5pa、3pa、2.5pa、2pa、1.5pa、1pa、0.5pa，优选为1-5pa)开始精炼，精炼时间大于等于40min(比如：42min、45min、50min、52min、55min、60min，优选为40-50min)，精炼温度维持在1580-1640℃(比如1582℃、1590℃、1595℃、1598℃、1600℃、1610℃、1620℃、1630℃、1635℃)，得到精炼钢液；精炼结束充入氩气使其炉内压力达到4-6kpa(比如4.2kpa、4.5kpa、5kpa、5.2kpa、5.5kpa、5.8kpa)，然后进行合金化处理：即向炉中依次加入si铁、zr-fe合金、电解mn；当钢液温度降至1540-1560℃(比如1545℃、1550℃、1555℃、1558℃)时出钢，得到合金钢液。步骤三、连铸处理：将上述合金钢液进行连续浇铸处理，得到加锆高碳纯净钢铸坯；本发明的制备方法还可以包括：锻造和轧制步骤、以及热处理步骤，对加锆高碳纯净钢钢坯进行锻造和轧制处理，热处理后得到成品钢材，其中锻造和轧制工艺、以及热处理可以采用常规工艺，也可以采用本发明实施例中所用工艺。通过发明制备方法得到的高强度碳素纯净钢，由以下质量百分比的成分组成：c0.67～0.75％，si0.15～0.37％，mn0.30～0.80％，p≤0.012％，s≤0.006％，cr0.20～0.50％，mo≤0.30％，v≤0.30％，zr0.002～0.100％，余量为fe及不可避免的杂质。示例性地，上述c的质量百分比可以为0.67％、0.68％、0.70％、0.72％、0.75％中的任意值或任意二者之间的范围；上述si的质量百分比可以为0.15％、0.20％、0.25％、0.30％、0.35％、0.37％中的任意值或任意二者之间的范围；上述mn的质量百分比可以为0.30％、0.40％、0.45％、0.50％、0.60％、0.70％、0.80％中的任意值或任意二者之间的范围；上述p的质量百分比可以为0.003％、0.005％、0.008％、0.010％、0.012％中的任意值或任意二者之间的范围；上述s的质量百分比可以为0.002％、0.003％、0.004％、0.005％、0.006％中的任意值或任意二者之间的范围；上述cr的质量百分比可以为0.20％、0.25％、0.30％、0.35％、0.40％、0.45％、0.50％中的任意值或任意二者之间的范围；上述mo的质量百分比可以为0.05％、0.08％、0.1％、0.2％、0.25％、0.3％中的任意值或任意二者之间的范围；上述v的质量百分比可以为0.05％、0.10％、0.15％、0.20％、0.25％、0.30％中的任意值或任意二者之间的范围；上述zr的质量百分比可以为0.002％、0.004、％0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.08％、0.1％中的任意值或任意二者之间的范围。其中，各组分含量优选为：c0.67～0.75％，si0.15～0.3％，mn0.3～0.6％，p≤0.012％，s≤0.006％，cr0.25～0.40％，mo0.010-0.025％，v0.20-0.30％，zr0.002～0.01％。上述化学成分配比之间协同作用，共同提高了产品的品质，钢中各组分的作用及各组分含量的选择理由如下。c：0.67～0.75％。碳是钢中不可缺少的元素，碳在钢中既扩大γ相区，碳是高强度的碳化物的组成元素，碳在钢中的强化作用是它所形成的碳化物的成分和结构有着密切的关系，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，因此，综合考虑钢的性能，本申请的c含量选为0.67～0.75％。si：0.15～0.37％。在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，硅与钼共同合金化对提高钢的抗高温氧化性有明显的效果。mn：0.30～0.80％。在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，本发明中选择锰含量为0.3-0.8％可以保证钢具有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。mo：≤0.30％。钼为难熔金属，熔点高(2625℃)。钼固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。钼是缩小γ-fe相区、扩大α-fe相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。钼作为钢的合金化元素，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性；提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。cr0.20～0.50％。cr的添加能细化珠光体片间距提高钢淬透性，从而有效改善钢材的强韧性；珠光体转变时铬要以一定比例进入渗碳体和铁素体相中，从而提高强度性能和改变可加工性。v≤0.30％。少量钒的添加能有效阻碍钢中奥氏体的长大，从而实现晶粒的细化；钒能提高渗碳体的形核驱动力，渗碳体晶粒在不同位置快速、独立地形核，从而使渗碳体分散分布；钒的添加使晶界渗碳体的厚度减小并沿晶界分散分布，并使奥氏体晶粒尺寸减小，从而提高钢的力学性能；钒在钢中产生析出强化，并在高碳钢中细化珠光体片层间距，提高了钢的强度和塑性。zr0.002～0.100％,锆对碳素钢的退火组织有细化作用提高淬透性，它使铁素体晶粒度细化。对于高碳钢来说，它对渗碳体球化有促进作用，锆是阻止奥氏体在高温下晶粒长大。本发明的产品性能与现有技术的比较：1、现有技术中，与本发明化学成分接近钢种有65#、70#、75#、65mn、70mn等，其化学成分见表1，表1中的详细信息来源于gb/t699-2015《优质碳素结构钢》。表1：gb/t699-2015优质碳素结构钢上述结构钢的力学性能见表2。表2：优质碳素结构钢的力学性能(根据国家标准gb/t699-2015)3、相比上述几个牌号的钢种，本发明的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm≥1400mpa，屈服强度r0.2≥1300mpa；其板材用在烧结锯片母板，产生塑性变形损坏小，提高其寿命。实施例1本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.670.7310.2890.0050.00060.3280.0010.180.0075余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法包括以下步骤：(1)配料：将工业纯铁，增碳剂(c配比0.7～0.8％)，cr条、mo条、v-fe合金作为冶炼配料。(2)真空感应炉冶炼：a)熔化：将上述冶炼配料送入真空感应炉中，在真空度15pa下，送电将配料熔化；b)精炼：当温度达到1590℃，真空度3pa时，开始精炼，精炼时间为45min，温度在1620℃，得到精炼钢液；c)合金化：精炼结束充入氩气使炉内压力达到4-6kpa进行合金化处理：即向炉中依次加入si铁、zr-fe合金、电解mn；当钢液温度降至1550℃时出钢，得到合金钢液。(3)连铸：将合金钢液进行连续浇铸，得到25kg炮弹锭；(4)锻造和轧制：在锻造温度900～1150℃条件下，将上述25kg炮弹锭锻造成厚30mm，宽度为80mm的毛坯，空冷到常温；然后进行热轧处理，其中热轧起始温度为1150℃，轧制成厚4.0mm，宽90mm的带钢，保温棉保温到常温；再冷轧成厚1.5mm，宽90mm的带钢；830℃保温2小时等温油淬火。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1455mpa，屈服强度r0.2为1336mpa，伸长率9.7％。实施例2本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.710.7470.2890.0040.00040.3410.0010.130.0091余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法中，除步骤(1)和(2)-c)加入的元素用量不同之外，其他操作和参数与实施例1相同。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1423mpa，屈服强度r0.2为1384mpa，伸长率9.3％。实施例3本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.690.7550.2950.0050.00030.3330.0010.200.0126余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法中，除步骤(1)和(2)-c)加入的元素用量不同之外，其他操作和参数与实施例1相同。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1420mpa，屈服强度r0.2为1338mpa，伸长率9.6％。对比例1本对比例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.670.7310.2890.0050.00060.3280.0010.180余量为fe及不可避免的杂质。其制备方法的步骤参数除了步骤(2)-c)不加入zrfe合金之外，均与实施例1相同。本实施例得到的带钢产品的机械性能为：抗拉强度rm为1200mpa，屈服强度r0.2为1150mpa，伸长率为10.5％，由此可见，未加入zr元素的产品的机械性能下降。对比例2本对比例的高强度碳素纯净钢包括以下质量百分比的成分：cmnsipscrmovzr0.670.7310.2890.0050.00060.3280.0010.180.3余量为fe及不可避免的杂质。其制备方法的步骤参数除了(2)-c)zr-fe合金用量增加之外，均与实施例1相同。本实施例得到的炮弹锭的的机械性能为：抗拉强度rm为1520mpa，屈服强度r0.2为1350mpa，伸长率为1.5％。出现脆断，由此可见，在纯净钢的制备中控制zr元素用量范围很关键，如果zr的含量过高，则产品的机械性能下降。实施例4本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.750.300.150.0120.0060.500.0010.300.010余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法包括以下步骤：(1)配料：将工业纯铁，增碳剂(c配比0.7～0.8％)，cr条、mo条、v-fe合金作为冶炼配料。(2)真空感应炉冶炼：a)熔化：将上述冶炼配料送入真空感应炉中，在真空度5pa下，送电将配料熔化；b)精炼：当温度达到1580℃，真空度1pa时，开始精炼，精炼时间为40min，温度在1590℃，得到精炼钢液；c)合金化：精炼结束充入氩气使炉内压力达到4-6kpa进行合金化处理：即向炉中依次加入si铁、zr-fe合金、电解mn；当钢液温度降至1540℃时出钢，得到合金钢液。(3)连铸：将合金钢液进行连续浇铸，得到25kg炮弹锭。(4)锻造和轧制：在锻造温度900～1150℃条件下，将上述25kg炮弹锭锻造成厚30mm，宽度为80mm的毛坯，空冷到常温；然后进行热轧处理，其中热轧起始温度为1150℃，轧制成厚4.0mm，宽90mm的带钢，保温棉保温到常温；再冷轧成厚1.5mm，宽90mm的带钢；830℃保温2小时等温油淬火。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1420mpa，屈服强度r0.2为1310mpa，伸长率9.5％。实施例5本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法包括以下步骤：(1)配料：将工业纯铁，增碳剂(c配比0.7～0.8％)，cr条、mo条、v-fe合金作为冶炼配料。(2)真空感应炉冶炼：a)熔化：将上述冶炼配料送入真空感应炉中，在真空度20pa下，送电将配料熔化；b)精炼：当温度达到1600℃，真空度5pa时，开始精炼，精炼时间为50min，温度在1640℃，得到精炼钢液；c)合金化：精炼结束充入氩气使炉内压力达到4-6kpa进行合金化处理：即向炉中依次加入si铁、zr-fe合金、电解mn；当钢液温度降至1560℃时出钢，得到合金钢液。(3)连铸：将合金钢液进行连续浇铸，得到25kg炮弹锭；(4)锻造和轧制：在锻造温度900～1150℃条件下，将上述25kg炮弹锭锻造成厚30mm，宽度为80mm的毛坯，空冷到常温；然后进行热轧处理，其中热轧起始温度为1150℃，轧制成厚4.0mm，宽90mm的带钢，保温棉保温到常温；再冷轧成厚1.5mm，宽90mm的带钢；830℃保温2小时等温油淬火。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1430mpa，屈服强度r0.2为1315mpa，伸长率8.8％。实施例6本实施例使用25kg真空感应炉冶炼，浇注25kg炮弹锭。本实施例的高强度碳素纯净钢由以下质量百分比的成分组成：cmnsipscrmovzr0.720.800.370.0120.0060.300.0010.100.030余量为fe及不可避免的杂质。本实施例的制备方法包括以下步骤：(1)配料：将工业纯铁，增碳剂(c配比0.7～0.8％)，cr条、mo条、v-fe合金作为冶炼配料。(2)真空感应炉冶炼：a)熔化：将上述冶炼配料送入真空感应炉中，在真空度10pa下，送电将配料熔化；b)精炼：当温度达到1585℃，真空度2pa时，开始精炼，精炼时间为42min，温度在1610℃，得到精炼钢液；c)合金化：精炼结束充入氩气使炉内压力达到4-6kpa进行合金化处理：即向炉中依次加入si铁、zr-fe合金、电解mn；当钢液温度降至1545℃时出钢，得到合金钢液。(3)连铸：将合金钢液进行连续浇铸，得到25kg炮弹锭；(4)锻造和轧制：在锻造温度900～1150℃条件下，将上述25kg炮弹锭锻造成厚30mm，宽度为80mm的毛坯，空冷到常温；然后进行热轧处理，其中热轧起始温度为1150℃，轧制成厚4.0mm，宽90mm的带钢，保温棉保温到常温；再冷轧成厚1.5mm，宽90mm的带钢；830℃保温2小时等温油淬火。本实施例得到的产品的机械性能明显增强：抗拉强度rm为1525mpa，屈服强度r0.2为1345mpa，伸长率9.5％。当前第1页12