一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法

1.本发明属于真空感应熔炼技术领域，具体涉及一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法。


背景技术：

2.在常规真空感应冶炼操作中，为了提高钢水的纯净度减少夹杂物残留，一般都会充分利用碳脱氧产物为气体的特性，在高温高真空条件下加强碳脱氧反应强度以对钢液进行脱氧。但是高温高真空的碳脱氧会导致钢液沸腾，飞溅的钢水粘附在坩埚内壁，在液面上形成一个高度约100mm的金属圈(见图1)。金属圈所处位置高于金属液面，通过摇动坩埚也不能将其完全烫化，致使金属料总收得率降低2～4％，不利于生产成本控制。并且随着冶炼次数的增加，金属圈的体积变大(尤其是变厚)，减少了坩埚的有效内径，加料过程中易发生卡料事故。为规避卡料风险，金属圈在达到一定厚度时必须从坩埚内清理出去。通常清理金属圈的方式有两种：一是在完成冶炼后将真空炉降至室温，破真空条件下人工清理金属圈。但是该处理方式的降温周期太长，且工人劳动强度大，不利于冶炼的连续生产；二是采用洗炉的办法将金属圈熔化，此方式需要额外增加钢水重量，使得洗炉用钢水液面刚好浸没金属圈并将其熔化。但是洗炉需要配制额外的金属料，且费时费电，不利于生产成本的控制。
3.另一方面，对于特殊用途的超纯不锈钢，其生产工序需要采用真空感应冶炼+真空自耗重熔(vim+var)双联工艺以提高产品纯净度。真空双联工艺生产的不锈钢需要多次扒皮，且自耗重熔锭头尾切除率高，导致高纯净不锈钢的总收得率很低，每炉会产生近30～40％的返回料。由于返回料是经过真空双联工艺生产的，纯净度很高，如果将这些返回料当成普通废料处理就会导致严重的浪费。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法。本发明将高纯返回料加入到真空感应炉正在冶炼的钢水中，并将坩埚上粘附的金属圈烫化，使得在不降低钢液纯净度的前提下，既解决了高纯返回料的高效利用问题，又解决了真空感应炉坩埚内粘附的金属圈问题，进而大幅降低高纯不锈钢的生产成本。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，所述方法包括在冶炼末期添加高纯返回料，所述高纯返回料的添加量不少于冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量；所述高纯返回料为真空感应冶炼+真空自耗重熔双联工艺冶炼的高纯净不锈钢切块或者清洁并压块的车屑，返回料o≤10ppm。
7.作为优选，在加入高纯返回料前，坩埚中的钢水已完成高温精炼，达到纯净度要求。
8.作为优选，使用加料桶添加高纯返回料，返回料加入时钢水烫化不锈钢材料的加料桶桶底，返回料料块通过烫开的缺口平稳的进入熔池。
9.作为优选，所述加料桶为分体结构，包括加料桶侧壁1和带沿的不锈钢盆4，在加料桶侧壁1的底部内侧有限位翻边2，不锈钢盆2置于加料桶内部时，到达加料桶桶底并由限位翻边2卡住。
10.作为优选，所述加料桶侧壁1为不锈钢板卷曲的直管。
11.作为优选，所述不锈钢盆4为薄壁不锈钢盆。
12.作为优选，返回料加入前，坩埚内钢水不冷冻、不降温。
13.作为优选，返回料化清后调温出钢。
14.作为优选，所述方法还包括将新料熔化和高温精炼的步骤。
15.本发明使用创新的加料容器，在冶炼末期平稳的添加一定量的高纯返回料，进而抬高熔池液面，将高温精炼期飞溅附着于坩埚壁的金属圈完全熔化，减少了常规条件下金属圈无法熔入熔池而造成的金属料损失，使得真空感应冶炼阶段不锈钢冶炼收得率达到98％以上。
16.本发明将vim+var后的高纯净返回料重新利用，并且避免了金属圈的形成，规避了2～4％钢液的损失，提高了真空感应冶炼阶段钢液的收得率，在不降低不锈钢纯净度的前提下，有效降低高纯不锈钢的生产成本。
17.本发明的方法适用于0.5t、1t、3t等各种容量的真空感应炉，以及各种不同型号不锈钢的冶炼。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1为粘在坩埚壁上的金属圈(部分)。
20.图2为常规方法用加料桶结构示意图。
21.图3为本发明方法用加料桶结构示意图。
22.图4为使用本发明加料桶进行加料的示意图。
23.其中，1为加料桶侧壁，2为细麻绳，3为活页，4为不锈钢盆，5为限位翻边，6为料块，7为金属圈，8为钢液面，9为坩埚，10为钢液。
具体实施方式
24.以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
25.本发明提供了一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，包括在冶炼末期添加高纯返回料，所述高纯返回料的添加量不少于冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量。所述高纯返回料为vim+var法冶炼的高纯净不锈钢切块或者清洁并压块的车屑，返回料氧o≤10ppm。
26.冶炼末期添加低纯净度金属原料会导致钢液污染，并且由于冶炼已达到末期，重新精炼提纯的操作时间过长，不具备实践条件。为了避免末期加料对钢液产生不良影响，故需要采用高纯净度。
27.在常规真空感应冶炼过程中，钢液飞溅导致坩埚内壁粘附的金属圈一般位于钢液
面以上约100mm范围。当后添加的返回料用量＜冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量时，加入的返回料并不能完全把形成的金属圈熔化掉。只有返回料用量≥冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量时才能将金属圈熔化掉，减少钢液损失，提高收得率。
28.在一些实施方式中，在加入高纯返回料前，坩埚中的钢水已完成高温精炼，达到纯净度要求(o≤50ppm)。
29.若在加入返回料前，坩埚中的钢水未完成必要的精炼提纯，加入高纯返回料后无法获得纯净度良好的合金液。如果为了进一步提纯，重新再进行高温高真空脱氧，仍会导致钢液飞溅，形成新的金属圈。因此，坩埚中的钢水须达到纯净度要求后再加入返回料，待返回料化清后即可调温出钢。
30.在一些实施方式中，使用加料桶添加高纯返回料，返回料加入时钢水烫化不锈钢材料的加料桶桶底，返回料料块通过烫开的缺口平稳的进入熔池。
31.真空感应炉包括加料室和熔炼室，加料室位于熔炼室正上方，且用真空阀门相连接。坩埚置于熔炼室中，加料桶置于加料室中，坩埚与加料桶同轴。在高温精炼完成前20分钟，将料块放入加料桶中，然后将加料室抽真空，当加料室真空度和熔炼室一致时，将真空阀门打开，加料室和熔炼室连通，加料桶从加料室下降至熔炼室中进行加料。
32.在常规真空感应冶炼加料操作中，一般有三种方式。一是在加入金属料块上焊接金属质吊丝，通过吊丝将料块从加料室中慢慢下降至钢液中。此加料方式可平稳地将料块一个一个加入熔池，但是加料速度较慢，且每次加料都要开启真空阀门，增加阀门磨损，降低使用寿命。二是使用加料桶作为加料容器。常规加料桶的底部是6-8个活页，用细麻绳将全部活页固定在一起(见图2)。加料时加料桶在钢液正上方缓慢下降，当加料桶距离钢液面约1米时，细麻绳受热断开，活页开启，大量料块从加料桶掉落至钢液中。此种方式加料速度快，但是大量金属料块具有很高的重力势能，砸入熔池会导致大量钢液崩溅。三是采用侧装的方式。即将料块放置在坩埚侧上方的加料斗中，通过晃动加料促使料块掉落至钢液中，此条件加料速度较快，但是加入的金属料块重力势能仍然较高，大批掉落后仍会导致钢液崩溅。
33.为规避上述三种加料方式的弊端，还可以在返回料加入前对钢水进行冷冻，再通过加料桶或侧加料斗加入大量金属料块并掉落在凝固的合金表面，如此操作既可以避免真空阀门的频繁开启，又可以一次性加入较多金属料并避免钢水崩溅。但是此操作需要对高温钢液进行冷冻，通常由原始的1600～1650℃下降至1450～1480℃，需要等待很长时间，增加时间成本。且大量金属料块加入熔池会导致钢液升温缓慢，并浪费前期高温钢液的热能。
34.采用本发明的方法加料，则不需要在加入高纯返回料前，对钢水进行冷冻和降温，且加料速度快。主要措施是采用加料桶将金属料直接送入熔池，最大程度的减少了金属料的重力势能，不会发生钢水崩溅问题。并且加入前钢水温度就在较高的状态，可以缩短后加金属料块的熔化时间，节省电能消耗。
35.根据本技术的一些实施方式，所述加料桶为分体结构，包括加料桶侧壁1和带沿的不锈钢盆4，在加料桶侧壁1的底部内侧有限位翻边2，不锈钢盆4置于加料桶内部时，到达加料桶桶底并由限位翻边2卡住。
36.根据本技术的一些实施方式，所述加料桶侧壁1为不锈钢板卷曲的直管。
37.本发明对于不锈钢盆4的形状没有具体要求，只要其带沿且能够盛放返回料即可。
38.本发明对于不锈钢4的材质没有具体要求，比如可以选用食品级不锈钢或选用普通市售的不锈钢。优选选用普通市售的薄壁不锈钢盆，在加料时薄壁的盆容易熔化，且普通市售的不锈钢盆价格低廉，进一步降低了冶炼成本。对于吨级的冶炼工艺来说，少量普通不锈钢的加入，对钢锭的纯度影响不大。
39.本发明的加料容器选用无底带边的加料桶，配市售的带沿薄壁不锈钢盆做为底。首先，将返回料放置在加料桶中，加料桶在钢液正上方平稳下降，当不锈钢盆底接触到钢液面时，盆底熔化，料块进入钢液中(见图3)。此方式的优点是：在下降过程中，不锈钢盆底不会熔化，只有接触到钢液面时才能熔化，降低了料块的重力势能，避免了钢液的崩溅。同时，加入返回料时钢水不需冷冻，不需降温。冷冻和降温是为了料块掉入钢液中时减少崩溅。本发明的加料桶的使用避免了钢液的崩溅，自然也省去了冷冻和降温的过程。
40.本发明对于不锈钢盆4的高度没有具体要求，只要其能够盛放足够量的高纯返回料即可。
41.在一些实施方式中，返回料化清后调温出钢。
42.返回料的纯净度较高，已经达到成品纯净度的要求，返回料加入化清后不需经过脱氧脱氮处理，即可调温出钢。
43.所述调温出钢时，采用现有技术中常用的出钢温度进行即可，比如在不锈钢熔点上过热150-180℃。
44.在一些实施方式中，本发明的方法还包括将新料熔化和高温精炼的步骤。采用现有技术中的方法进行新料熔化和高温精炼即可。
45.已有金属圈的情况下，使用本发明的方法，只有增加钢水量的条件下可以将金属圈一次就烫化，若不增加钢水量(即需要钢液面没过金属圈上沿)，金属圈仍去除不掉。例如：1吨炉，平时冶炼1吨钢水后形成了金属圈，使用本发明需要至少1.2吨的钢水才能将金属圈一次去除。
46.从一开始就使用本发明的方法冶炼，冶炼多少次都不会形成金属圈。
47.本发明的方法适用于0.5t、1t、3t等各种容量的真空感应炉，以及各种不同型号不锈钢的冶炼。
48.以下将结合说明书附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
49.实施例1
50.由图3和图4，
51.在1吨级真空感应炉上进行304不锈钢的熔炼。熔炼具体过程为：
52.(1)装炉：将全部500kg炼钢新料放置在坩埚9内，另备500kg经过vim+var法冶炼的高纯净返回料料块6并放置在加料桶中，返回料的o＝6ppm。
53.所述加料桶包括加料桶侧壁1和带沿的不锈钢盆4，在加料桶侧壁1的底部内侧有限位翻边2，不锈钢盆2置于加料桶内部时，到达加料桶桶底并由限位翻边2卡住；
54.所述加料桶侧壁1为不锈钢板卷曲的直管，所述不锈钢盆4可以选用普通市售的薄壁带沿不锈钢盆。
55.(2)熔化：真空度小于1.0pa开始送电，在300kw下保温30分钟，后升功率为500kw至化清(2～3小时)。
56.(3)高温精炼：新料化清后，升温至1600℃，真空度≤1.0pa，保温60分钟，达到纯净
度要求(o≤50ppm)。
57.(4)加料期：将加料桶从钢液10液面正上方平稳下降至接触钢液面8，不锈钢盆4盆底被熔化，返回料料块6全部平稳进入钢液10，随后迅速拉高加料桶至加料室，此时钢液面没过金属圈上沿。
58.(5)浇注：返回料化清后，调整钢液温度至1600℃，带电浇注。
59.待钢锭出模后称重，钢锭重量为991kg，收得率99.1％。
60.实施例2
61.本实施例与实施例1的不同之处在于：炼钢新料300kg，经过vim+var法冶炼的高纯净返回料料块700kg。其余均与实施例1相同。
62.实施例3
63.本实施例与实施例1的不同之处在于：炼钢新料400kg，经过vim+var法冶炼的高纯净返回料料块600kg。其余均与实施例1相同。
64.实施例4
65.本实施例与实施例1的不同之处在于：加料桶为一体结构。其余均与实施例1相同。
66.使用这样的加料桶，最终制备的钢锭的收得率和纯度与实施例1几乎完全相同。只不过相对于实施例1而言，每次加料均需要更换加料桶，造成材料的浪费，成本的增加。
67.对比例1
68.在1吨级真空感应炉上进行304不锈钢的熔炼。熔炼具体过程为：
69.(1)装炉：将全部1000kg与实施例1同一批次的炼钢新料放置在坩埚内。
70.(2)熔化：真空度小于1.0pa开始送电，在300kw下保温30分钟，后升功率为500kw至化清(3～4小时)。
71.(3)高温精炼：新料化清后，升温至1600℃，真空度≤1.0pa，保温60分钟。
72.(4)浇注：调整钢液温度至1600℃，带电浇注。
73.待钢锭出模后称重，钢锭重量为952kg，收得率95.2％，且坩埚内壁上有金属圈的形成，随着冶炼次数的增加，金属圈的体积变大。
74.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：所述方法包括在冶炼末期添加高纯返回料，所述高纯返回料的添加量不少于冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量；所述高纯返回料为真空感应冶炼+真空自耗重熔双联工艺冶炼的高纯净不锈钢切块或者清洁并压块的车屑，返回料o≤10ppm。2.根据权利要求1所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：在加入高纯返回料前，坩埚中的钢水已完成高温精炼，达到纯净度要求。3.根据权利要求1所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：使用加料桶添加高纯返回料，返回料加入时钢水烫化不锈钢材料的加料桶桶底，返回料料块通过烫开的缺口平稳的进入熔池。4.根据权利要求3所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：所述加料桶为分体结构，包括加料桶侧壁(1)和带沿的不锈钢盆(4)，在加料桶侧壁(1)的底部内侧有限位翻边(2)，不锈钢盆(4)置于加料桶内部时，到达加料桶桶底并由限位翻边(2)卡住。5.根据权利要求4所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：所述加料桶侧壁(1)为不锈钢板卷曲的直管。6.根据权利要求4所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：所述不锈钢盆(4)为薄壁不锈钢盆。7.根据权利要求4-6任一项所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：返回料加入前，坩埚内钢水不冷冻、不降温。8.根据权利要求1所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：返回料化清后调温出钢。9.根据权利要求1所述的一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，其特征在于：所述方法还包括将炼钢新料熔化和高温精炼的步骤。

技术总结
本发明提供一种高纯净不锈钢的真空感应冶炼方法，所述方法包括在冶炼末期添加高纯返回料，所述高纯返回料的添加量不少于冶炼用坩埚100mm高度条件的钢水盛容重量；所述高纯返回料为真空感应冶炼+真空自耗重熔双联工艺冶炼的高纯净不锈钢切块或者清洁并压块的车屑，返回料O≤10ppm。本发明减少了常规条件下金属圈无法熔入熔池而造成的金属料损失，使得真空感应冶炼阶段不锈钢冶炼收得率达到98％以上。本发明将VIM+VAR后的高纯净返回料重新利用，并且避免了金属圈的形成，规避了2～4％钢液的损失，提高了真空感应冶炼阶段钢液的收得率，在不降低不锈钢纯净度的前提下，有效降低高纯不锈钢的生产成本。不锈钢的生产成本。不锈钢的生产成本。


技术研发人员：张龙 马颖澈 杨亚倩
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/5