本发明涉及一种新型冷作模具钢稀土添加与精炼方法，属于钢铁冶金精炼领域。
背景技术：
1、稀土是我国特有的优势资源，储量虽高，但由于现有的技术手段尚不先进等原因，其利用率却很低，造成资源浪费，急需找到应用出口，解决稀土积压难题，实现稀土资源平衡利用。稀土元素具有独特的电子层结构和大原子尺寸，微量稀土元素就能够显著提升材料的品质和性能，研究发现，钢中添加稀土后，可细化晶粒、减少夹杂、深度净化钢液，同时强烈微合金化，显著提高钢材的韧性、塑性和疲劳寿命，提高了钢材的强韧性、耐热性、耐磨性和耐蚀性。因此，稀土钢比常规钢更具备较佳的性能指标。
2、近年来，随着钢铁工业的发展和科研水平的提高，市场对高品质钢的需求量增加，并对高品质钢的使用性能提出特殊性需求。以往研究表明，精炼渣成分优化是控制和生产高洁净钢的有效途径。精炼渣的成分和碱度是影响钢液脱硫和脱氧深度的重要因素，同时，性能优良的精炼渣还可以起到保护炉体内衬，吸收钢中非金属夹杂物的重要作用，并对夹杂物的类型、尺寸、形貌以及分布等特性具有一定的控制作用。而稀土钢在冶炼过程中因稀土加入工艺不当造成的稀土氧化烧损、成分分布以及水口结瘤和二次氧化等问题，使得双浇、短锭乃至于整炉钢报废。因此，性能优异的精炼渣在稀土钢冶炼过程中可以起到非常关键的作用。另外，目前技术的局限性对稀土资源的利用率十分低，世界上稀土资源的利用率只有10％左右，这也意味着大量其他有价值的资源只能被丢弃到尾矿中。此外，随着尾矿坝的堆积，出现了许多严重的环境问题，如溃坝和水体重金属污染。因此，稀土元素的有效回收和应用对含稀土炉渣的可持续利用起着重要作用。
3、我国模具钢主要牌号及对应的国外牌号如表1所示。国内传统冷作模具钢主要分为两类：一类是低合金钢冷作模具钢主要为crwmn系，最常见到的牌号有7crsimnmov等，具有热处理变形小、韧性好，并有适当耐磨性的特点。另一类是高合金冷作模具钢，主要为cr12系，具有较高耐磨性，但韧性较差。
4、表1我国模具钢主要牌号及对应的国外牌号
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6、随着模具使用寿命要求的提高，模具钢应在高纯净度、高等向性、超细化组织和长寿命方向上逐步发展。受向钢中添加稀土可以明显提高钢的性能的启发，又由于镧、铈稀土氧化物大量积压，使得这些稀土氧化物的价格普遍低于精矿价格，且受限于技术水平，稀土资源无法得到充分回收利用。因此，本发明以cao-sio2-al2o3三元体系为基础，尝试引入往渣中引入大量稀土氧化物，设计出上述存在稀土元素扩散的四元体系精炼渣，大大提高了稀土资源的利用率，并降低生产成本。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型冷作模具钢稀土精炼渣及应用，与以往直接向钢液中添加纯稀土的思路不同，本发明利用大量积压且价格普遍低于精矿价格的镧、铈稀土氧化物，使得稀土资源得到充分利用，同时达到冶炼稀土钢的目的，有效的降低生产成本。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：
3、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 43％～48％，sio2 20％～23％，al2o3 23％～26％，稀土氧化物9％～12％，余量为不可避免杂质。
4、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述稀土氧化物为轻稀土的氧化物。作为进一步的优选，所述稀土氧化物为铈的氧化物、镧的氧化物中的至少一种。
5、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述精炼渣的熔化温度为1550℃～1650℃。
6、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述精炼渣的二元碱度为2.2～2.4。
7、作为优选，本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 43.8％～45.5％，sio2 19％～20.7％，al2o3 24％～26％，稀土氧化物10％～12％，余量为不可避免杂质。
8、作为进一步的优选，本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 45.3％，sio2 19.7％，al2o3 25％，稀土氧化物10％，余量为不可避免杂质。
9、本发明所设计的精炼渣中不添加mgo。因为氧化镁的引入会影响稀土的快速扩散。
10、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其通过下述步骤制备：按设计组分将称量各原料并混合均匀，然后将混合好的样品倒入石墨坩埚中加热至熔化，通入还原性气氛(包括co气体)并保温一段时间以除去挥发分和均匀熔渣成分；最后将熔融态渣倒入水中急冷得到玻璃态的稀土精炼渣。
11、本发明一种新型冷作模具钢稀土精炼渣的应用；按冷作模具钢的成分配取除稀土以外的原料；进行冶炼，得到钢液；然后对钢液进行精炼，进行精炼时加入稀土精炼渣；渣的入渣量为钢液质量的1.8％～2.2％；精炼的温度为1600℃、精炼时间为20～30分钟；得到含有稀土的冷作模具钢。
12、本发明当以cao、sio2、al2o3、ceo2作为精炼渣的主要基料时，由于工业实际生产中是在还原条件下进行的，精炼渣中的ceo2可以部分甚至全部被还原成ce2o3。而且在这一精炼过程中，被还原的ce的活性，可以迅速扩散至钢液中，这些扩散如钢液中的ce一部分以固溶形式赋存于钢液中，另一部分和杂质结合上浮。
13、本发明中还原得到的ce2o3的主要作用是调节精炼渣的熔化温度，同时作为钢的稀土源，在精炼过程中转移到钢液中去，达到冶炼稀土钢的目的。
14、本发明中控制碱度的主要作用是脱除一定量的硫，使钢液中形成富含稀土的非金属夹杂物，从而降低钢中有害杂质的可溶性含量。
15、本发明中精炼时间控制在20～30分钟的主要作用是随着时间的增长，精炼渣中的稀土元素进入钢液的速率逐渐降低，精炼时间达到20～30分钟时稀土元素的迁移速率接近于0，此时钢液中ce的含量达到最高。为了节约能源，优选的精炼时间为20min。
16、本发明中al2o3的主要作用是提高渣中的氧离子活度，促进化渣，进行快速造渣。另一方面，富含al2o3的精炼渣中，铝酸钙熔点低，对钢液的粘附力大，能迅速从钢液中浮出；且cas能很好地润湿铝酸钙，并一起浮出钢液，从而降低钢中夹杂物含量，但al2o3含量过高时，则会抑制渣-钢反应，影响稀土元素向钢液中的迁移行为。
17、本发明中控制精炼渣的熔化温度为1550℃～1650℃，这是由于工业实际生产冷作模具钢过程中一般是在1600℃的条件下进行的，将精炼渣的温度控制在冶炼温度±50℃范围内，可以使精炼渣的作用有效的发挥出来。
18、精炼后产生的含稀土精炼渣补充稀土氧化物后循环使用。甚至可以在精炼过程中产生的熔融渣直接利用到下一炉的精炼中，此时要注意补充适当的稀土氧化物。
19、相比现有技术，本发明具有如下优势：
20、1)传统冶炼稀土钢的方式是往钢液中直接添加微量稀土，但是受工业稀土中氧含量的影响，钢的性能十分不稳定。本发明提出在精炼渣中添加大量且适量稀土氧化物的方式，不仅降低了生产成本，使得积压的低浓度稀土氧化物得到利用，还可以避免因为稀土中氧含量过高或者不均匀而导致的钢性能时好时坏的问题。
21、2)精炼渣成分优化是控制和生产高洁净钢的有效途径，本发明经过验证，可以高效的去除钢液中大部分夹杂物，并且把剩余夹杂物改性成为可以提高钢材性能的稀土富集相夹杂物，方法简单易行。
22、3)本发明可以在20min内将钢液中的硫含量降至70ppm(优化后可降至55ppm以下)以下，且将钢中夹杂物的密度降低至1.6个/mm2、优化后可降低至1.2个/mm2。同时，所得夹渣物的粒径小于15微米。
1.一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 43％～48％，sio2 20％～23％，al2o3 23％～26％，稀土氧化物9％～12％，余量为不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述稀土氧化物为轻稀土的氧化物。作为进一步的优选，所述稀土氧化物为铈的氧化物、镧的氧化物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述精炼渣的熔化温度为1550℃～1650℃。
4.根据权利要求1所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述精炼渣的二元碱度为2.2～2.4。
5.根据权利要求1所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 43.8％～45.5％，sio2 19％～20.7％，al2o3 24％～26％，稀土氧化物10％～12％，余量为不可避免杂质。
6.根据权利要求5所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：所述精炼渣以质量百分比计，由下述组分组成：cao 45.3％，sio2 19.7％，al2o3 25％，稀土氧化物10％，余量为不可避免杂质。
7.根据权利要求1所述的一种新型冷作模具钢稀土精炼渣，其特征在于：其通过下述步骤制备：按设计组分将称量各原料并混合均匀，然后将混合好的样品倒入石墨坩埚中加热至熔化，通入还原性气氛并保温；最后将熔融态渣倒入水中急冷得到玻璃态的稀土精炼渣。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述新型冷作模具钢稀土精炼渣的应用，其特征在于：所述应用包括：按冷作模具钢的成分配取除稀土以外的原料；进行冶炼，得到钢液；然后对钢液进行精炼，进行精炼时加入稀土精炼渣；渣的入渣量为钢液质量的1.8％～2.2％；精炼的温度为1600℃、精炼时间20～30分钟；得到含有稀土的冷作模具钢。
9.一种如权利要求8所述新型冷作模具钢稀土精炼渣的应用，其特征在于：精炼后产生的含稀土精炼渣补充稀土氧化物后循环使用。
10.一种如权利要求8所述新型冷作模具钢稀土精炼渣的应用，其特征在于：20min内将钢液中的硫含量降至55ppm以下，且所得钢中夹杂物的密度降低至1.2个/mm2；同时，所得夹渣物的粒径小于15微米。
