吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法与流程

1.本发明属于高锰钢材料精炼净化技术领域，具体涉及一种吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法。


背景技术：

2.高锰钢材料是传统的耐磨材料。经过一百多年的发展，形成了锰8、锰13、锰18和锰25等四个系列。高锰钢材料广泛用于冶金、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。高锰钢材料的抗磨性能和使用寿命与冶金质量有着十分重要的关系。提高高锰钢材料的抗磨性，延长使用寿命，对持续生产、减少经济损失、增加经济效益，具有重大意义。
3.高锰钢水纯净程度直接影响高锰钢材料质量，高锰钢水中氧、氢等气体含量以及氧化物等多少直接影响材质性能，而现有技术制备的高锰钢材料除杂效果较差，因此，如何改进工艺，提高高锰钢材料的纯净度，从而获得高性能材料，成为了新的一种研究趋势。


技术实现要素：

4.本发明提供一种吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法，以解决现有技术制备的高锰钢材料除杂效果较差的问题。
5.为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法，包括以下步骤：
7.s1、准备材料：按高锰钢材料的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种原材料，包括废钢、生铁、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁、钼铁、钒铁、钛铁、铜铁，备用；
8.s2、加料熔炼：将步骤s1称量好的各种原材料逐步投入精炼高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的系统中熔炼，当高锰钢材料熔化形成熔池时，开始打开流量调节器吹注氦气，氦气经过透气块参与高锰钢水熔炼过程，随着熔炼继续，吹氦气的流量随着高锰钢水的增加而增加；
9.s3、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；
10.s4、炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氦气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣剂结合；
11.s5、控温出钢：控制出钢温度，降温后浇注铸型，制得铸型件；
12.s6、热处理：将步骤s5制得的铸型件热处理，然后铸件投入水槽中，冷却后制得高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料。
13.优选地，步骤s2中当高锰钢材料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底28.6cm以上时，开始打开流量调节器吹注氦气。
14.优选地，步骤s2中吹氦气的流量随着高锰钢水的增加而增加，具体控制过程如下：前9-12min，控制氦气流量为15.9-16.8l/min；第13-18min，控制氦气流量为17-17.3l/min；第19-28min，控制氦气流量为17.6-18.1l/min；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖造
渣剂；第29-51min，控制氦气流量为16.6-17.1l/min；直至炉料熔清，取样分析炉内成份。
15.优选地，所述造渣剂的添加量为0.57-0.6kg/吨总原材料。
16.优选地，步骤s5中控制出钢温度≥1520℃。
17.优选地，步骤s5中降温至1430-1460℃时，浇注铸型。
18.优选地，步骤s6中热处理包括以下步骤：
19.将步骤s5制得的铸型件以73-125℃/h的加热速度从常温加热到480-660℃，保温0.9-2.1h；接着将加热速度提升到142-211℃/h，直到水淬温度为945-1100℃，保温1.1-4.2h；保温结束后迅速将热处理铸件投入水槽中，冷却后制得高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料。
20.优选地，所述的高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，按质量百分含量计，包括以下成分：1.40-1.56％的c、22.03-27.96％的mn、2.76-3.89％的cr、0.26-0.81％的si、0.03-0.05％的p、0.01-0.04％的s、0.71-0.99％的ni、0.20-0.52％的mo、0.42-0.58％的v、0.12-0.29％的ti、0.41-0.97％的cu、o元素含量≤7.2ppm、h元素含量≤2.1ppm，余量为fe。
21.本发明具有以下有益效果：
22.(1)本发明制得的高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度达到250.6hb以上，氧含量≤7.2ppm、氢含量≤2.1ppm，说明采用本发明的方法制得的高碳高铬锰25高锰钢材料氧、氢含量极低，可满足应用于生产反击式破碎机衬板、小型(直径小于1米)的反击式破碎机板锤等要求。
23.(2)本发明加料熔炼中进行吹氦气除杂，可有效降低氧、氢含量，提高了高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度，提高了31.3％；加料熔炼中采用造渣剂除杂，也可有效降低氧、氢含量，提高了高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度，提高了26.7％，说明氦气和造渣剂是有效降低氧、氢含量的两个重要因素。
24.(3)本发明加料熔炼中采用本发明的造渣剂除氧、氢效果明显好于采用现有技术的造渣剂除氧、氢效果，对应的高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度提高了16.0％，突出了本发明技术具有显著进步。
具体实施方式
25.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。
26.实施例1
27.吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法，包括以下步骤：
28.s1、准备材料：按高锰钢材料的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种原材料，包括废钢、生铁、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁、钼铁、钒铁、钛铁、铜铁，备用；
29.s2、加料熔炼：将步骤s1称量好的各种原材料逐步投入精炼高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的系统中熔炼，当高锰钢材料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底28.8cm时，开始打开流量调节器吹注氦气，氦气经过透气块参与高锰钢水熔炼过程，随着熔炼继续，吹氦气的流量随着高锰钢水的增加而增加，具体控制过程如下：前9-12min，控制氦气流量为15.9-16.7l/min；第13-18min，控制氦气流量为17-17.3l/min；第19-28min，控制氦气流量为17.7-18l/min；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖造渣剂，添加量为0.6kg/吨总原
材料；第29-51min，控制氦气流量为16.7-17.1l/min；直至炉料熔清，取样分析炉内成份；
30.s3、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；
31.s4、炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氦气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣剂结合；
32.s5、控温出钢：控制出钢温度为1522℃，当温度降至1435℃时，浇注铸型，制得铸型件；
33.s6、热处理：将步骤s5制得的铸型件以78℃/h的加热速度从常温加热到500℃，保温1.9h；接着将加热速度提升到145℃/h，直到水淬温度为960℃，保温4h；保温结束后迅速将热处理铸件投入水槽中，冷却后制得高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，采用光谱分析，所述的高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，按质量百分含量计，包括以下成分：1.43％的c、22.14％的mn、2.79％的cr、0.32％的si、0.03％的p、0.01％的s、0.76％的ni、0.24％的mo、0.47％的v、0.18％的ti、0.53％的cu、o元素含量为7.2ppm、h元素含量为1.5ppm，余量为fe。
34.步骤s2中所述精炼高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的系统，包括塞杆、提拉杆、连杆、袖砖、固定螺钉、操作杆、炉体、塞头砖、铸口砖、座砖、炉衬、透气块、钢管、气管、氦气瓶、保护触头、触头保护器、导线a、保护装置；所述炉体内设置有与炉体底部连接的塞杆，塞杆周围包裹有袖砖，塞杆顶部通过连杆依次与炉体外侧固定的提拉杆、操作杆连接，所述提拉杆位于操作杆正上方并通过固定螺钉固定在炉体外侧；所述塞杆底部通过塞头砖、铸口砖、座砖与衬砖底部连接，且塞头砖、铸口砖和座砖均设置于衬砖内，塞头砖伸出衬砖上部，铸口砖伸出衬砖底部，座砖包裹在铸口砖的外侧并与所述衬砖连接；所述炉体内还设置有炉衬，炉衬包括衬砖、砂层、保温板，衬砖底部还设置有透气块，透气块进气口依次通过钢管、快速接头、气管与氦气瓶连接；所述炉底保护触头镶嵌于炉体底部的炉衬内，所述触头保护器与炉底保护触头通过导线a相连；所述保护装置由加热感应圈、温度感应器、导线b组成，所述温度感应器与加热感应圈通过导线b相连，所述加热感应圈设置在炉体上部炉衬内部水平方向。
35.所述钢管为无缝不锈钢管。
36.所述气管为内径为0.5cm的pu软气管。
37.所述炉底保护触头采用无磁钢材料制成，炉底保护触头设置有4个。
38.所述氦气瓶规格为13.1kg、15mpa。
39.所述加热感应圈上设置有4个感应触点。
40.所述加热感应圈设置有4个且相邻加热感应圈隔395mm设置。
41.所述透气块，以重量份为单位，包括以下原料：锆莫来石颗粒27份、镁白云石颗粒21份、刚玉颗粒10份、纳米硅藻土7份、高锰酸钾3份、碳酸氢钠4份、电解锰渣12份、氢氧化镓9份、硝酸镁7份、结合剂10份、分散剂3份、聚丙烯纤维2份、水23份；
42.所述的锆莫来石颗粒的粒径为2.15-3.67mm；
43.所述的镁白云石颗粒的粒径为1.25-2.54mm；
44.所述的刚玉颗粒的粒径为0.92-1.28mm；
45.所述的结合剂为铝酸钙水泥；
46.所述的分散剂为六偏磷酸钠；
47.所述的聚丙烯纤维的纤度为13旦尼尔，含水量为4.7％；
48.所述透气块的制备工艺，包括以下步骤：
49.(1)将锆莫来石颗粒、镁白云石颗粒、刚玉颗粒、纳米硅藻土、高锰酸钾、碳酸氢钠、电解锰渣、氢氧化镓、硝酸镁、结合剂、分散剂、聚丙烯纤维、水添加到预混装置内，在转速为300r/min下搅拌20min，制得混合料；
50.(3)将步骤(2)制得的混合料移入模具中，在压力为124mpa下压制成型，制得透气块生坯；
51.(4)将步骤(3)制得的透气块生坯置于52℃下养护3.4h；
52.(5)待步骤(4)养护完成后脱模，制得透气块坯体；
53.(6)将步骤(5)制得的透气块坯体置于26℃下养护32h，制得养护后的透气块坯体；
54.(7)将步骤(6)制得的养护后的透气块坯体进行烧结，制得透气块。
55.步骤s2中所述造渣剂，以重量份为单位，包括以下原料：刚玉渣24份、硼砂7份、镁砂5份、云母粉13份、铝酸钙粉8份、萤石粉5份、膨润土11份、石英砂7份、水玻璃15份；
56.所述云母粉的粒度为900目；
57.所述铝酸钙粉的粒度为800目；
58.所述萤石粉的粒度为700目；
59.所述膨润土的粒度为800目；
60.所述石英砂的粒度为700目；
61.所述造渣剂的制备方法，包括以下步骤：
62.s1：将刚玉渣、硼砂、镁砂、云母粉、铝酸钙粉、萤石粉、膨润土、石英砂、水玻璃加入搅拌机中，在转速200r/min下搅拌1.8h，制得均匀浆料；
63.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1.1cm的颗粒；
64.s3：将步骤s2制得的颗粒送入烘箱中，在89℃下干燥至含水量为0.7％，制得造渣剂。
65.实施例2
66.吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法，包括以下步骤：
67.s1、准备材料：按高锰钢材料的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种原材料，包括废钢、生铁、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁、钼铁、钒铁、钛铁、铜铁，备用；
68.s2、加料熔炼：将步骤s1称量好的各种原材料逐步投入精炼高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的系统(该系统与实施例1的系统一样)中熔炼，当高锰钢材料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底28.6cm时，开始打开流量调节器吹注氦气，氦气经过透气块参与高锰钢水熔炼过程，随着熔炼继续，吹氦气的流量随着高锰钢水的增加而增加，具体控制过程如下：前9-12min，控制氦气流量为16.1-16.6l/min；第13-18min，控制氦气流量为17-17.3l/min；第19-28min，控制氦气流量为17.8-18.1l/min；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖造渣剂(该造渣剂与实施例1的造渣剂一样)，添加量为0.59kg/吨总原材料；第29-50min，控制氦气流量为16.7-17.0l/min；直至炉料熔清，取样分析炉内成份；
69.s3、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；
70.s4、炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氦气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣剂结合；
71.s5、控温出钢：控制出钢温度为1527℃，当温度降至1442℃时，浇注铸型，制得铸型件；
72.s6、热处理：将步骤s5制得的铸型件以80℃/h的加热速度从常温加热到502℃，保温1.8h；接着将加热速度提升到167℃/h，直到水淬温度为973℃，保温3.8h；保温结束后迅速将热处理铸件投入水槽中，冷却后制得高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，采用光谱分析，所述的高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，按质量百分含量计，包括以下成分：1.51％的c、24.52％的mn、3.14％的cr、0.43％的si、0.04％的p、0.02％的s、0.83％的ni、0.36％的mo、0.48％的v、0.21％的ti、0.65％的cu、o元素含量为6.9ppm、h元素含量为2.1ppm，余量为fe。
73.实施例3
74.吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法，包括以下步骤：
75.s1、准备材料：按高锰钢材料的化学成分要求，称量好熔炼高锰钢水的各种原材料，包括废钢、生铁、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁、钼铁、钒铁、钛铁、铜铁，备用；
76.s2、加料熔炼：将步骤s1称量好的各种原材料逐步投入精炼高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的系统(该系统与实施例1的系统一样)中熔炼，当高锰钢材料熔化形成熔池时，即高锰钢水覆过炉底28.7cm时，开始打开流量调节器吹注氦气，氦气经过透气块参与高锰钢水熔炼过程，随着熔炼继续，吹氦气的流量随着高锰钢水的增加而增加，具体控制过程如下：前9-12min，控制氦气流量为16-16.5l/min；第13-18min，控制氦气流量为17-17.2l/min；第19-28min，控制氦气流量为17.8-18.1l/min；在第29min开始时，向高锰钢水表面覆盖造渣剂(该造渣剂与实施例1的造渣剂一样)，添加量为0.57kg/吨总原材料；第29-50min，控制氦气流量为16.9-17.1l/min；直至炉料熔清，取样分析炉内成份；
77.s3、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；
78.s4、炉内镇静：中频炉内高锰钢水达到要求温度后停电镇静，继续吹氦气，使高锰钢水均温均质，杂质、气体充分上浮，与液面造渣剂结合；
79.s5、控温出钢：控制出钢温度为1537℃，当温度降至1432℃时，浇注铸型，制得铸型件；
80.s6、热处理：将步骤s5制得的铸型件以86℃/h的加热速度从常温加热到534℃，保温1.7h；接着将加热速度提升到165℃/h，直到水淬温度为980℃，保温3.5h；保温结束后迅速将热处理铸件投入水槽中，冷却后制得高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，采用光谱分析，所述的高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料，按质量百分含量计，包括以下成分：1.54％的c、27.01％的mn、3.67％的cr、0.77％的si、0.05％的p、0.04％的s、0.92％的ni、0.48％的mo、0.54％的v、0.23％的ti、0.89％的cu、o元素含量为6.4ppm、h元素含量为1.3ppm，余量为fe。
81.对比例1
82.与实施例3吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法基本相同，唯有不同的是步骤s2中不进行吹氦气除杂。
83.对比例2
84.与实施例3吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法基本相同，唯有不同的是步骤s2中不进行覆盖造渣剂除杂。
85.对比例3
86.与实施例3吹氦气法生产高纯净高碳高铬锰25高锰钢材料的方法基本相同，唯有
不同的是采用现有技术的造渣剂(名称：提高冶炼高碳高锰钢转炉终点碳含量的方法及炼钢方法，专利号：zl201310572143.5，示例3的造渣剂)替换本发明实施例3的造渣剂除杂。
87.对实施例1-3和对比例1-3制备的高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度hb及氧、氢含量进行检测，每个指标重复测3次，求平均值，其中硬度hb采用国标gb-t231.1-2018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：
88.试验组硬度hb氧含量/ppm氢含量/ppm实施例1250.67.21.5实施例2253.16.92.1实施例3257.86.41.3对比例1196.4132.637.1对比例2203.5105.425.2对比例3222.318.711.6
89.由上表可知：(1)由实施例1-3的数据可知，本发明制得的高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度达到250.6hb以上，氧含量≤7.2ppm、氢含量≤2.1ppm，说明采用本发明的方法制得的高碳高铬锰25高锰钢材料氧、氢含量极低，正是因为极低的氧、氢含量，从而促进了高碳高铬锰25高锰钢材料硬度的提高，满足了应用于生产反击式破碎机衬板、小型(直径小于1米)的反击式破碎机板锤等要求。
90.(2)由实施例3与对比例1的数据可知，本发明加料熔炼中进行吹氦气除杂，可有效降低氧、氢含量，提高了高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度，提高了31.3％，这可能是因为：氦气为惰性气体，不溶于钢水中，也不与钢水中的元素发生化学反应而形成夹杂物。当氦气吹入钢水中，氦气泡细小而充分均匀分散，当氦气穿过钢水时，钢水中溶解的氧、氢会自动扩散，进入氦气泡内随气泡上升而自钢水排除，从而净化钢水，降低氧、氢含量，进而提高高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度。
91.(3)由实施例3与对比例2的数据可知，本发明加料熔炼中采用造渣剂除杂，也可有效降低氧、氢含量，提高了高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度，提高了26.7％，这可能是因为：本发明的造渣剂在云母粉、铝酸钙粉、萤石粉、石英砂的相互配合协同作用下，协同提高了高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度。
92.(4)由实施例3与对比例3的数据可知，本发明加料熔炼中采用本发明的造渣剂除氧、氢效果明显好于采用现有技术的造渣剂除氧、氢效果，对应的高碳高铬锰25高锰钢材料的硬度提高了16.0％，突出了本发明技术具有显著进步。
93.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，所以实施例仅是用来描述特定实施方式。
94.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。