高纯净超高锰钢及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高纯净超高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：0.75‑1.76％的C、22.0‑30.0％的Mn、0.1‑0.8％的Si、0.021‑0.043％的P、0.016‑0.035％的S、0.07‑2.5％的Cr、0.52‑2.3％的Mo、0.01‑1.34％的Ni、0.03‑1.5％的Cu、0.01‑0.2％的Nb、0.032‑0.083％的Al、0.0006‑0.0010％的O、0.00014‑0.00042％的H，其余微量元素含量≤0.82％，余量为Fe。采用本发明专利技术的高纯净超高锰钢制备工艺，有效降低了氧、氢含量，提高了高锰钢的综合机械性能。

High Purity Ultra-high Manganese Steel and Its Preparation Technology

【技术实现步骤摘要】
高纯净超高锰钢及其制备工艺
本专利技术属于高性能新材料和冶金
，具体涉及一种高纯净超高锰钢及其制备工艺。
技术介绍
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。其中锰13形成了国际、国内标准，比较成熟。锰18只有国际标准，锰25制作难度较大，暂时只有企业内部标准。高锰钢由于显微组织中为单相奥氏体或奥氏体加少量碳化物，因此具有良好的韧性和塑性，而且裂纹扩展速率很低，使用安全可靠。其另一特点就是在较大的冲击载荷或接触应力的作用下，表面迅速加工硬化，表面硬度急剧上升起到了良好的抗磨作用，而内部仍然保持良好的韧性，在承受大的冲击载荷时不出现断裂。高锰钢的这些特性使得它广泛用于冲击磨损和高应力磨料磨损工况条件下。如颚式破碎机颚板、圆锥式破碎机锥体、大型锤式破碎机锤头、部分滚筒式磨机衬板、回旋破碎机衬板等，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。主要问题在于感应电炉生产时没有良好的造渣材料形成，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。高锰钢液纯净程度直接影响铸件质量，高锰钢液中氧化物、夹杂物、气体含量等杂质的多少直接影响材质性能。氧是在钢的凝固过程中偏析倾向最严重的元素之一，在钢液的凝固和随后的冷却过程中，氧的溶解度急剧下降，钢中原溶解的绝大部分氧以铁氧化物、硫氧化物等微细夹杂物的形式在与γ或α晶界处富集，这些微细夹杂物会造成晶界脆化，使钢的加工和使用过程中容易成为晶界开裂的起点，最终导致钢材发生脆性破坏。钢中氧含量的增加会降低钢材的延性、冲击韧性、抗疲劳破坏性能，提高钢的韧-脆转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能。此外，含氧高的钢材还容易发生时效老化，在高温加工时由于晶界处的杂质偏析形成了低熔点网膜，导致钢产生热脆。钢在冷却过程中氢还会扩散析出，由于在固态钢中扩散速度很慢，只有很少量扩散到连铸坯(或钢锭)表面，多数是扩散到显微孔隙中、或夹杂物的附近、或晶界上的小孔中，形成氢分子。由于氢分子不断地在析出的地方聚集，低温下KH值很小，pH2却很大，引起钢的内应力。这种内应力再加上组织应力、热应力、变形应力等的总和，超过了钢的强度极限，就会破裂形成裂纹。由于上述原因，氢会引起钢材的如下缺陷：(1)发裂。钢在热加工过程中，钢中的含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性降低，这称之为“氢脆”。氢脆对钢材的横向性能影响尤为突出。(2)层状断口。由于有些钢中晶体结构的特点，使氢分子容易在树枝晶或变形晶体边界上聚集，由此引起内应力，导致晶间拉力的减弱，从而降低了钢材横向的塑性、冲击韧性，此时在钢材的断口呈针状叠层结构，称做层状断口。钢的树枝晶越发达，越容易形成层状断口缺陷。在高锰钢液熔炼过程中因吸气、氧化等作用，致使高锰钢液中存在一定数量的氧化物、非金属夹杂物、有害气体等，为保证高锰钢液以纯净状态形成铸件，需对熔融高锰钢液进行精炼净化处理，达到净化效果。目前国内外纯净钢的制作工艺主要有三条：1)高炉—铸钢液预处理—转炉—炉外精炼(LF、RH)。这种工艺方法需配置炉外精炼设备，且过程繁琐，操作复杂；2)超高功率、高功率电弧炉(EAF)——炉外精炼(LF、RH)。这种工艺方法也需要配置炉外精炼设备，且对原材料要求较高；3)真空感应电炉(VIF)和电渣重熔(ESR)。这种工艺方法使用的真空熔炼设备投入大，且重熔需耗用电量大。目前国内熔炼设备及工艺多数采用不氧化法熔炼工艺，但目前精炼高锰钢的系统存在以下缺点：一是不能检测高锰钢液纯净化处理过程中氩气给炉衬的冲刷程度，选择较佳的氩气压力和流量，造成成本较高；二是当熔化的高锰钢水渗出炉衬与炉壳导通时，不能很好地避免穿炉事故发生；三是精炼高锰钢净化处理氧和氢效果差，影响产品的质量；四是精炼高锰钢的系统中使用的透气砖质量差，影响吹氩效果，从而影响精炼钢水中氧和氢的净化效果，因此针对以上存在的缺陷，急需对现有的中频感应炉进行改进。目前，国内外使用的钢包底吹氩透气砖大都是经过1500℃处理过的，不仅燃烧成本高，而且生产周期长，相应地，生产成本较高。为了缩短生产周期，并达到节能减排，降本降耗等目的，国内外的一些研究机构和企业开始了不烧钢包底吹氩透气砖的研究，但是进展和效果都不理想。在国外，主要以维苏威为代表的极少数公司采用了不烧钢包底吹氩透气砖技术，但是他们大多在产品配方中添加了钢纤维，以此来提高产品的质量稳定性，但这样一来，便降低了产品的抗蚀损性能。现有技术中，不烧钢包底吹氩透气砖存在以下急需攻克的难题：(1)传统透气砖在使用过程中，由于受到使用温度的急剧变化，容易产生剥落、掉块等问题；有些甚至在使用中发生断裂，造成吹氩不通畅，严重的可导致钢水渗漏。无论是吹气不通畅还是钢水渗漏均严重影响钢厂正常冶炼，并造成不同程度的损失，因此解决透气砖剥落、掉块、断裂等问题是非常必要的。(2)目前国内普遍采用的刚玉-尖晶石质透气砖因材料自身特性，在高温环境下容易产生体积膨胀，一旦透气缝道设计不合理，就会发生因膨胀而导致的吹气不畅通现象，使得透气砖部分或全部失去了透气功能。(3)产品的中、低温强度低，中温存在强度拐点。(4)产品各个温度段的体积不稳定，使用过程中容易产生裂纹。(5)烧成成本高。(6)生产周期长。因此，如何改善传统透气砖抗渣侵蚀和抗热震性差，以及力学性能和透气性不佳等缺点，以获取更高综合性能的透气砖，是其推广与应用于更广阔的领域，满足工业生产需求亟待解决的问题。精炼高锰钢过程中使用造渣材料，可以一定程度的降低有害气体，比如氧、氢等，但是现有的造渣材料使用久后变粘、变硬，包壁特别是包沿口很容易挂渣，在清渣时会带伤包壁耐火材料，使其寿命大幅下降；同时过粘过硬的钢渣使测温枪插入管内径变小，插入管外壁结渣壳，穿过渣层变得相当困难。传统的办法是采取扒渣措施，减少渣层厚度。但扒渣过多会使钢水表面发生二次氧化，同时会使钢水温度下降加快，也无法解决渣过粘杂质无法上浮和钢包不粘渣等问题，只不过减轻了钢壁粘渣的速度而已。
技术实现思路
本专利技术提供一种高纯净超高锰钢及其制备工艺，以解决如何降低氧、氢含量，提高高锰钢的综合机械性能的实际技术问题。为解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种高纯净超高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：0.75-1.76％的C、22.0-30.0％的Mn、0.1-0.8％的Si、0.021-0.043％的P、0.016-0.035％的S、0.07-2.5％的Cr、0.52-2.3％的Mo、0.01-1.34％的Ni、0.03-1.5％的Cu、0.01-0.2％的Nb、0.032-0.083％的Al、0.0006-0.0010％的O、0.00014-0.00042％的H，其余微量元素含量≤0.82％，余量为Fe。优选地，所述的高纯净超高锰钢，按质量百分含量计，包括以下成分：1.46％的C、28.64％的Mn、0.72％的Si、0.036％的P、0.028％的S、2.19％的Cr、1.57％的Mo、0.91％的Ni、1.02％的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高纯净超高锰钢，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下成分：0.75‑1.76％的C、22.0‑30.0％的Mn、0.1‑0.8％的Si、0.021‑0.043％的P、0.016‑0.035％的S、0.07‑2.5％的Cr、0.52‑2.3％的Mo、0.01‑1.34％的Ni、0.03‑1.5％的Cu、0.01‑0.2％的Nb、0.032‑0.083％的Al、0.0006‑0.0010％的O、0.00014‑0.00042％的H，其余微量元素含量≤0.82％，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种高纯净超高锰钢，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下成分：0.75-1.76％的C、22.0-30.0％的Mn、0.1-0.8％的Si、0.021-0.043％的P、0.016-0.035％的S、0.07-2.5％的Cr、0.52-2.3％的Mo、0.01-1.34％的Ni、0.03-1.5％的Cu、0.01-0.2％的Nb、0.032-0.083％的Al、0.0006-0.0010％的O、0.00014-0.00042％的H，其余微量元素含量≤0.82％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的高纯净超高锰钢，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下成分：1.46％的C、28.64％的Mn、0.72％的Si、0.036％的P、0.028％的S、2.19％的Cr、1.57％的Mo、0.91％的Ni、1.02％的Cu、0.12％的Nb、0.058％的Al、0.0006％的O、0.00026％的H，其余微量元素含量为0.61％，余量为Fe。3.一种根据权利要求1或2所述的高纯净超高锰钢的制备工艺，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系统底部，然后使用炉衬材料和模具打结坩埚，干燥烧结；(2)根据感应电炉容积大小设计制造气体扩散器，气体扩散器由铬、镁质或刚玉质耐火材料以液压式高温烘烤成型，气体扩散器其粒度设计为能使气流最佳化并具有抗金属穿透性；(3)将气体扩散器安装在感应炉底部中心，连接吹氩气系统，吹氩气系统由氩气瓶、减压阀、流量调节器、耐压橡胶管、活接头顺序连接组成；(4)准备材料：按铸钢水的化学成份要求，称量好熔炼铸钢水的各种材料，备用；(5)加料熔炼：将准备好的材料逐步投入炉中熔炼，当炉料熔化形成熔池时，即铸钢水覆过炉底30.6cm时，开始打开流量调节器吹注氩气，参与铸钢水熔炼过程，随着熔炼继续，吹氩气的压力和流量随着铸钢水的增加而增加，具体控制过程如下：前8-13min，吹氩气压力控制在6.2-6.4kg，氩气流量控制在16-17L/min；第14-20min，吹氩气压力控制在6.5-6.7kg，氩气流量控制在17.1-17.3L/min；第21-30min，吹氩气压力控制在6.8-7kg，氩气流量控制在1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵四勇，廖钊，康建，田辉，周正，
申请(专利权)人：广西长城机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广西,45