[发明专利]低氧、氢含量高锰钢的生产方法

说明书

本发明公开了一种低氧、氢含量高锰钢的生产方法，包括以下步骤：(1)打结坩埚；(2)设计制造气体扩散器；(3)连接吹氩气系统；(4)准备材料；(5)加料熔炼；(6)调整化学成份；(7)炉内镇静；(8)控温出钢。采用本发明的生产方法，有效降低了氧、氢含量，提高了高锰钢的综合机械性能。

技术领域

本发明属于高性能新材料和冶金技术领域，具体涉及一种低氧、氢含量高锰钢的生产方法。

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。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)白点。在钢材横向断口上，白点表现为放射状或不规则排列的锯齿形小裂缝；在纵向断口上，有圆形或椭圆形的银白色斑点，因此得名为“白点”。实际上白点是极细小的裂纹。

(3)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；