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CN114134286A - 一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统及其应用 - Google Patents

一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统及其应用 Download PDF

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CN114134286A CN202111187121.8A CN202111187121A CN114134286A CN 114134286 A CN114134286 A CN 114134286A CN 202111187121 A CN202111187121 A CN 202111187121A CN 114134286 A CN114134286 A CN 114134286A
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Abstract

本发明公开了一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖、炉衬、炉壁层、气体扩散器、透气砖、接头；吹氩系统包括进气管、氩气瓶、减压阀和流量调节器。本发明通过利用精炼高纯净锰18高锰钢的系统，进一步优化工艺，有效降低了锰18高锰钢中的氢和氧含量，获得了高纯净锰18高锰钢，提高了屈服强度高，可满足冶金、矿山、建材、水泥、铁路、电力、石油化工、军工等行业的机械装备构件中的应用需求。

Description

一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统及其应用
技术领域
本发明属于精炼净化技术领域，具体涉及一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统及其应用。
背景技术
高锰钢是传统的耐磨材料。经过一百多年的发展，形成了锰13、锰18和锰25三个系列。高锰钢广泛用于冶金、矿山、建材、水泥、铁路、电力、石油化工、军工等行业的机械装备构件中。
高锰钢是目前世界上应用最为广泛的耐磨材料之一。国内外对于高锰钢的研究至今没有停止过，但在实际生产中，能按要求生产出合符要求的高锰钢还是不太容易的。主要问题在于精炼高锰钢系统还不完善，还需进一步改进，另外锰是强氧化性元素，易于氧化形成氧化渣，同时也易于偏析，造成成分不均匀。这就是高锰钢广泛被使用，但使用效果总是不理想的主要原因。
发明内容
本发明提供一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统及其应用，以解决现有精炼高锰钢系统还不完善，还需进一步改进的问题。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖、炉衬、炉壁层、气体扩散器、透气砖、接头，所述炉盖设置于中频炉的顶部，所述炉衬外表面设置有厚度为0.8-1.3cm的炉壁层，所述中频炉的底部设置有气体扩散器、透气砖、接头，所述透气砖裹着气体扩散器，所述接头设置于气体扩散器的下方；
吹氩系统包括进气管、氩气瓶、减压阀和流量调节器，所述进气管与气体扩散器连接，所述接头与进气管衔接并固定于中频炉的底部，所述进气管连接流量调节器，所述进气管的内径为0.4-0.6cm，所述流量调节器连接减压阀，所述减压阀连接氩气瓶。
进一步地，所述炉壁层为耐高温的合成材料层。
进一步地，所述耐高温的合成材料层由碳化硅、氧化铝金刚砂及硅铁材料制成。
进一步地，所述耐高温的合成材料层的厚度为1cm。
进一步地，所述进气管为耐压橡胶管。
进一步地，所述耐压橡胶管的内径为0.5cm
本发明还提供一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统的应用，包括以下步骤：
(1)打结坩埚：将透气砖按要求安装在中频炉底部，然后使用炉衬材料和模具打结坩埚，干燥烧结；
(2)根据中频炉容积大小设计制造气体扩散器；
(3)将气体扩散器安装在中频炉底部中心，连接吹氩气系统；
(4)准备材料：按高锰钢水的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种材料，备用；
(5)加料熔炼：将准备好的原材料逐步投入中频炉中熔炼，当炉料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底30cm以上时，开始打开流量调节器吹注氩气，氩气经过透气砖参与高锰钢水熔炼过程，过程如下：前7-12min，控制氩气流量为0.92-1.03Nm3/h；第13-18min，控制氩气流量为1.08-1.23Nm3/h；第19-28min，控制氩气流量为1.28-1.44Nm3/h；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖炉熔渣剂，添加量为0.61-0.64kg/吨钢；第29-50min，控制氩气流量为1.31-1.39Nm3/h；直至炉料熔清，取样分析炉内成分；
(6)调整化学成分：根据取样分析结果，计算和加入调整材料至全部熔化；
(7)炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氩气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面炉熔渣剂结合；
(8)控温出钢：控制温度，出钢浇注，制得高纯净锰18高锰钢，采用光谱分析，所述的高纯净锰18高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：0.97-1.37％的C、0.30-0.48％的Si、18.79-19.84％的Mn、0.98-1.67％的Cr、0.07-0.43％的Cu、0.02-0.45％的Al、0.36-0.91％的Mo、0.06-0.21％的Ni、0.01-0.16％的W、O元素含量≤0.00062％、H元素含量≤0.00014％，其它微量元素含量≤0.63％，余量为Fe。
进一步地，步骤(8)中所述的高纯净锰18高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：1.12％的C、0.39％的Si、19.36％的Mn、1.27％的Cr、0.18％的Cu、0.26％的Al、0.53％的Mo、0.15％的Ni、0.09％的W、0.00062％的O、0.00014％的H，其它微量元素含量为0.63％，余量为Fe。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计的精炼高纯净锰18高锰钢的系统具有以下有益效果：
1)与现有技术相比，本发明在中频炉底部设置透气砖，通过注入氩气，有助于高锰钢液中的渣、氧化物、氢等杂质迅速上浮，净化充分且有效避免高锰钢液成分氧化和损失。
2)透气砖与炉衬整体使用，在大气条件下吹氩气，可以减少炉外精炼设备投资，简化中频炉精炼高锰钢的操作过程。
(2)本发明通过利用精炼高纯净锰18高锰钢的系统，进一步优化工艺，有效降低了锰18高锰钢中的氢和氧含量，获得了高纯净锰18高锰钢，提高了屈服强度高，可满足冶金、矿山、建材、水泥、铁路、电力、石油化工、军工等行业的机械装备构件中的应用需求。
附图说明
图1为本发明精炼高纯净锰18高锰钢的系统结构示意图。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实施例加以说明，这些实施例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
(一)设计精炼高纯净锰18高锰钢的系统
实施例1
如图1所示，一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖1、炉衬2、炉壁层(坩埚)3、气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述炉盖1设置于中频炉的顶部，所述炉衬2外表面设置有炉壁层3，所述中频炉的底部设置有气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述透气砖7裹着气体扩散器6，所述接头8设置于气体扩散器6的下方。
吹氩系统包括进气管9、氩气瓶10、减压阀11和流量调节器12，所述进气管9与气体扩散器6连接，所述接头8与进气管9衔接并固定于中频炉的底部，所述进气管9连接流量调节器12，所述流量调节器12连接减压阀11，所述减压阀11连接氩气瓶10。
在中频炉的坩埚内有炉渣4、钢液5。
所述炉壁层3为耐高温的合成材料层。
所述耐高温的合成材料层由碳化硅、氧化铝金刚砂及硅铁材料制成。
所述耐高温的合成材料层厚度为0.9cm。
所述进气管9为耐压橡胶管。
所述耐压橡胶管的内径为0.4cm。
实施例2
如图1所示，一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖1、炉衬2、炉壁层(坩埚)3、气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述炉盖1设置于中频炉的顶部，所述炉衬2外表面设置有炉壁层3，所述中频炉的底部设置有气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述透气砖7裹着气体扩散器6，所述接头8设置于气体扩散器6的下方。
吹氩系统包括进气管9、氩气瓶10、减压阀11和流量调节器12，所述进气管9与气体扩散器6连接，所述接头8与进气管9衔接并固定于中频炉的底部，所述进气管9连接流量调节器12，所述流量调节器12连接减压阀11，所述减压阀11连接氩气瓶10。
在中频炉的坩埚内有炉渣4、钢液5。
所述炉壁层3为耐高温的合成材料层。
所述耐高温的合成材料层由碳化硅、氧化铝金刚砂及硅铁材料制成。
所述耐高温的合成材料层厚度为1cm。
所述进气管9为耐压橡胶管。
所述耐压橡胶管的内径为0.5cm。
实施例3
如图1所示，一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖1、炉衬2、炉壁层(坩埚)3、气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述炉盖1设置于中频炉的顶部，所述炉衬2外表面设置有炉壁层3，所述中频炉的底部设置有气体扩散器6、透气砖7、接头8，所述透气砖7裹着气体扩散器6，所述接头8设置于气体扩散器6的下方。
吹氩系统包括进气管9、氩气瓶10、减压阀11和流量调节器12，所述进气管9与气体扩散器6连接，所述接头8与进气管9衔接并固定于中频炉的底部，所述进气管9连接流量调节器12，所述流量调节器12连接减压阀11，所述减压阀11连接氩气瓶10。
在中频炉的坩埚内有炉渣4、钢液5。
所述炉壁层3为耐高温的合成材料层。
所述耐高温的合成材料层由碳化硅、氧化铝金刚砂及硅铁材料制成。
所述耐高温的合成材料层厚度为1.2cm。
所述进气管9为耐压橡胶管。
所述耐压橡胶管的内径为0.6cm。
(二)精炼系统在精炼高纯净锰18高锰钢中的应用
实施例4
一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统的应用，包括以下步骤：
(1)打结坩埚：将透气砖按要求安装在实施例2的中频炉底部，然后使用炉衬材料和模具打结坩埚，干燥烧结；
(2)根据中频炉容积大小设计制造气体扩散器；
(3)将气体扩散器安装在中频炉底部中心，连接实施例2的吹氩气系统；
(4)准备材料：按高锰钢水的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种材料，备用；
(5)加料熔炼：将准备好的原材料逐步投入中频炉中熔炼，当炉料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底30cm时，开始打开流量调节器吹注氩气，氩气经过透气砖参与高锰钢水熔炼过程，过程如下：前7-12min，控制氩气流量为0.92-1.03Nm3/h；第13-18min，控制氩气流量为1.08-1.23Nm3/h；第19-28min，控制氩气流量为1.28-1.44Nm3/h；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖炉熔渣剂，添加量为0.63kg/吨钢；第29-50min，控制氩气流量为1.31-1.39Nm3/h；直至炉料熔清，取样分析炉内成分；
(6)调整化学成分：根据取样分析结果，计算和加入调整材料至全部熔化；
(7)炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氩气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面炉熔渣剂结合；
(8)控温出钢：控制温度，出钢浇注，制得高纯净锰18高锰钢，采用光谱分析，所述的高纯净锰18高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：1.12％的C、0.39％的Si、19.36％的Mn、1.27％的Cr、0.18％的Cu、0.26％的Al、0.53％的Mo、0.15％的Ni、0.09％的W、0.00062％的O、0.00014％的H，其它微量元素含量为0.63％，余量为Fe。
步骤(5)中所述的炉熔渣剂，以重量份为单位，包括以下原料：石灰粉28份、活性白土粉16份、蒙脱石粉8份、铝酸钙粉18份、碳酸钡粉9份、氧化钇粉5份、萤石粉9份、硅灰石粉10份、麦饭石粉14份；
所述石灰粉的粒度为800目；
所述活性白土粉的粒度为800目；
所述蒙脱石粉的粒度为800目；
所述铝酸钙粉的粒度为900目；
所述碳酸钡粉的粒度为1000目；
所述氧化钇粉的粒度为1000目；
所述萤石粉的粒度为900目；
所述硅灰石粉的粒度为900目；
所述麦饭石粉的粒度为800目；
所述炉熔渣剂的精炼方法，包括以下步骤：
S1：按重量份数，将石灰粉、活性白土粉、蒙脱石粉、铝酸钙粉、碳酸钡粉、氧化钇粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉加入搅拌机，同时加120份水，在转速400r/min下搅拌1.3h，制得均匀浆料；
S2：将步骤S1制得的均匀浆料加入模具中，经真空吸滤成型后制成粒径为1cm的颗粒；
S3：将步骤S2制得的颗粒送入烘箱中，在88℃下干燥至含水量为1.1％，制得炉熔渣剂。
对比例1
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉。
对比例2
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少活性白土粉。
对比例3
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少铝酸钙粉。
对比例4
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少萤石粉。
对比例5
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少硅灰石粉。
对比例6
与实施例4的精炼锰18高锰钢方法基本相同，唯有不同的是精炼炉熔渣剂的原料中缺少麦饭石粉。
对实施例4、对比例1-6精炼的锰18高锰钢的屈服强度及氧、氢含量进行检测，其中屈服强度采用GB/T5680-2010的相关规定检测；氧、氢含量采用光谱分析检测，检测结果如下表所示：
Figure BDA0003299721390000101
Figure BDA0003299721390000111
注：“-”表示不检查’。
由上表可知：(2)由实施例4和对比例1的屈服强度数据，可以计算得出活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉一起使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-321.4＝149.9(MPa)；由实施例4和对比例2的屈服强度数据，可以计算得出活性白土粉单独使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-446.1＝25.2(MPa)；由实施例4和对比例3的屈服强度数据，可以计算得出铝酸钙粉单独使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-453.7＝17.6(MPa)；由实施例4和对比例4的屈服强度数据，可以计算得出萤石粉单独使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-441.3＝30(MPa)；由实施例4和对比例5的屈服强度数据，可以计算得出硅灰石粉单独使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-450.9＝20.4(MPa)；由实施例4和对比例6的屈服强度数据，可以计算得出麦饭石粉单独使用时产生的屈服强度的效果值＝471.3-448.5＝22.8(MPa)；结合以上数据可以计算得出活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉分别单独使用时叠加产生的屈服强度的效果值＝25.2+17.6+30+20.4+22.8＝116(MPa)，综上，可以计算得出活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉一起使用时产生的屈服强度的效果值比活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉分别单独使用时叠加产生的屈服强度的效果值提高的百分数＝(149.9-116)÷116×100％＝29.2％＞10％，该值大于10％，说明了活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉在精炼锰18高锰钢中起到了协同作用，协同提高了屈服强度。这是因为：活性白土主要化学成分是三氧化二铝、二氧化硅、水及少量铁、镁、钙等，有较高吸附性性能，有利于吸附高锰钢水中的氧、氢等杂质。铝酸钙的引入，有利于脱去高锰钢水中的氧等不纯物，降低高锰钢水中的有害元素及杂质的含量，达到吸渣效果。萤石可降低炉熔渣剂的粘度、熔点和表张力，增加炉熔渣剂的流动性，适量的萤石可以改善炉熔渣剂科对锰18高锰钢吸氢量。硅灰石含SiO2，而SiO2与萤石中的CaF2反应达到脱氢的效果。麦饭石的表面吸附能力比较强，具有很好的流变性和催化性能，同时，具有理想的胶体性能和耐热性能，是一种较好的吸附材料，有利于吸附钢水中的氧、氢等不纯物。故本发明在精炼高锰钢中，在活性白土粉、铝酸钙粉、萤石粉、硅灰石粉、麦饭石粉相互配合下，协同提高了锰18高锰钢的屈服强度。
(2)由实施例4的数据可知，本发明的工艺制得的锰18高锰钢的屈服强度为471.3MPa，氧含量为6.2ppm，氢含量为1.4ppm，材料的屈服强度高，可满足冶金、矿山、建材、水泥、铁路、电力、石油化工、军工等行业的机械装备构件中的应用需求。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (8)

1.一种精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，包括中频炉和吹氩系统，其中中频炉包括炉盖、炉衬、炉壁层、气体扩散器、透气砖、接头，所述炉盖设置于中频炉的顶部，所述炉衬外表面设置有厚度为0.8-1.3cm的炉壁层，所述中频炉的底部设置有气体扩散器、透气砖、接头，所述透气砖裹着气体扩散器，所述接头设置于气体扩散器的下方；
吹氩系统包括进气管、氩气瓶、减压阀和流量调节器，所述进气管与气体扩散器连接，所述接头与进气管衔接并固定于中频炉的底部，所述进气管连接流量调节器，所述进气管的内径为0.4-0.6cm，所述流量调节器连接减压阀，所述减压阀连接氩气瓶。
2.根据权利要求1所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，所述炉壁层为耐高温的合成材料层。
3.根据权利要求2所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，所述耐高温的合成材料层由碳化硅、氧化铝金刚砂及硅铁材料制成。
4.根据权利要求3所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，所述耐高温的合成材料层的厚度为1cm。
5.根据权利要求1所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，所述进气管为耐压橡胶管。
6.根据权利要求5所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统，其特征在于，所述耐压橡胶管的内径为0.5cm。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打结坩埚：将透气砖按要求安装在中频炉底部，然后使用炉衬材料和模具打结坩埚，干燥烧结；
(2)根据中频炉容积大小设计制造气体扩散器；
(3)将气体扩散器安装在中频炉底部中心，连接吹氩气系统；
(4)准备材料：按高锰钢水的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种材料，备用；
(5)加料熔炼：将准备好的原材料逐步投入中频炉中熔炼，当炉料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底30cm以上时，开始打开流量调节器吹注氩气，氩气经过透气砖参与高锰钢水熔炼过程，过程如下：前7-12min，控制氩气流量为0.92-1.03Nm3/h；第13-18min，控制氩气流量为1.08-1.23Nm3/h；第19-28min，控制氩气流量为1.28-1.44Nm3/h；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖炉熔渣剂，添加量为0.61-0.64kg/吨钢；第29-50min，控制氩气流量为1.31-1.39Nm3/h；直至炉料熔清，取样分析炉内成分；
(6)调整化学成分：根据取样分析结果，计算和加入调整材料至全部熔化；
(7)炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氩气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面炉熔渣剂结合；
(8)控温出钢：控制温度，出钢浇注，制得高纯净锰18高锰钢，采用光谱分析，所述的高纯净锰18高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：0.97-1.37％的C、0.30-0.48％的Si、18.79-19.84％的Mn、0.98-1.67％的Cr、0.07-0.43％的Cu、0.02-0.45％的Al、0.36-0.91％的Mo、0.06-0.21％的Ni、0.01-0.16％的W、O元素含量≤0.00062％、H元素含量≤0.00014％，其它微量元素含量≤0.63％，余量为Fe。
8.根据权利要求1所述的精炼高纯净锰18高锰钢的系统的应用，其特征在于，步骤(8)中所述的高纯净锰18高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：1.12％的C、0.39％的Si、19.36％的Mn、1.27％的Cr、0.18％的Cu、0.26％的Al、0.53％的Mo、0.15％的Ni、0.09％的W、0.00062％的O、0.00014％的H，其它微量元素含量为0.63％，余量为Fe。
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