一种超低氧钢的冶炼方法 【技术领域】
本发明涉及钢的冶炼方法，特别是超低氧钢的冶炼方法。
背景技术
氧在钢液中以两种形态存在。一种是溶解氧也称游离氧，一种是夹杂物形态存在的氧，称为化合氧。无论是溶解氧还是化合氧，它们对钢与合金的性能都是极其有害的。溶解氧能使加入的合金元素氧化，从而增加了元素的烧损，降低了合金收得率，而且氧化产物使钢与合金中的夹杂物数量增加，降低了钢与合金的纯净度。另外溶解氧随着温度降低，由于溶解度减少而析出，析出的氧与碳反应生成CO气泡，导致钢锭或铸件内部形成气孔和疏松，严重时会造成废品；析出的氧还能使钢液中的铝、硅、锰等元素氧化；凝固过程中，还可能形成FeO与FeS的共晶，并沿晶界分布，这会造成钢锭热加工时的热脆。凝固后氧主要以氧化物或氧硫化物的夹杂物存在于钢中。这些夹杂物的形态、数量、大小、分布情况及其本身的特性都对钢的加工性能和使用性能产生明显的影响。
所以如何降低钢液的含氧量就成为提高钢材质量的关键。脱氧的目的就是要降低钢中的总含氧量，即降低钢中的溶解氧和化合氧。
目前，钢材脱氧方法大多采用铝、钙、锰、硅、钡、稀土等元素作为脱氧剂，这些脱氧剂的最终产物为金属氧化物，只能降低溶解氧，不能降低钢材中的总含氧量，因而不能从根本上消除钢材中氧造成的危害。另外，上述脱氧剂在降低氧含量的同时增加了夹杂物的含量，容易污染钢水，不利于冶炼超纯净钢。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超低氧钢的冶炼方法，该方法制备的钢的总含氧量可在20ppm以下。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种超低氧钢的冶炼方法，它包括以下步骤：
步骤(1)、将炼钢原料和碳粒放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中；碳粒的重量为：(0.75～1.0)*w[o]*炼钢原料重量，w[o]为炼钢原料中氧的重量浓度。
步骤(2)、在真空炉中冶炼的步骤；
步骤(3)、浇注，充入惰性气体至大气压，取出锭模，脱锭成品。
上述方案中，所述碳粒为经过烘烤的碳粒，其烘烤温度大于600℃，烘烤时间大于2小时。
上述方案中，所述碳粒的粒度为5-20mm。
上述方案中，步骤(1)具体为：
将碳粒放入坩埚底部，将炼钢原料放置在碳粒上方，将坩埚置于真空炉中。
上述方案中，步骤(2)具体为：
步骤(2.1)、在真空度1800-2200Pa下升温至1650℃以上至炼钢原料融化；
步骤(2.2)、将真空度控制在3000-5000Pa至钢水不再沸腾；
步骤(2.3)、合金化的步骤。
上述方案中，步骤(2.3)具体为：
向钢水加入合金元素，向真空炉中充入惰性气体，将真空度控制在5000Pa以上，保持10-20分钟。
上述方案中，步骤(1)具体为：
将炼钢原料、合金元素和碳粒放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中；碳粒的重量为：(0.75～1.0)*w[o]*炼钢原料重量，w[o]为炼钢原料中氧的重量浓度。
步骤(2.3)具体为：
向真空炉中充入惰性气体，将真空度控制在5000Pa以上，保持10-20分钟。
上述方案中，所述碳粒的粒度为5-10mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、脱氧剂选择：现有技术脱氧剂有铝、钙、锰、硅、钡、稀土等元素，这些脱氧剂的最终产物为金属氧化物，在降低氧含量的同时增加了夹杂物的含量，一方面污染了钢水不利于冶炼超纯净钢，另一方面脱氧产物如果不能全部除去对钢水全氧含量并不能有效降低。
本发明利用碳氧反映脱氧，产物为CO或者CO2均为气体，在真空条件下极易挥发脱去，使下述反应式不断推进，从而促进脱氧反应的进行。
[C]+[O]→CO(g)↑
本发明采用碳粒作为脱氧剂，采用真空炉冶炼，制备的钢的总含氧量可在20ppm以下且夹杂物的含量低。
2、如果碳粒在炼钢原料融化后加入，会使碳氧反应非常剧烈，大量气体迅速溢出，沸腾剧烈，甚至使钢液面整体潮涨溢出坩埚，损坏设备，造成事故。尤其在碳粒烘烤干燥不足时，突然加入钢水会造成碳粒所含水分快速挥发扩散，更加造成钢水剧烈沸腾，加剧了上述过程，损坏设备，造成事故。
本发明将碳粒与炼钢原料同时加入，减轻了钢水喷溅，杜绝了架料和钢水大溢等恶性生产事故和设备事故。
3、碳粒为经过烘烤的碳粒。
碳粒必须干燥，因为潮湿的碳粒含有水分，在高温真空状态下，水分会分解，析出O2和H2，增加钢水氧含量和氢含量。
2H2O→2H2(g)↑+O2(g)↑
同时碳粒中的水(包括结晶水)在高温真空状态下迅速挥发，产生水蒸汽H2O(l/s)→H2O(g)↑，造成钢水剧烈沸腾，导致坩埚中原料架桥，一旦捣料无效，则冶炼必然中断。
另外沸腾的钢水溅出坩埚后极可能粘附在感应器上，造成感应器短路，无法送电，或者损坏感应器。无论哪种结果，都很严重。
因此本发明所使用碳粒经过烘烤，其烘烤温度大于600℃，烘烤时间大于2小时，从而确保结晶水可以烘烤脱除。
4、脱氧反应的速度和程度与碳的粒度关系很大。
粒度越小，比表面积就越大，反应的界面就越大，但是过小的粒度是不合适的，因为粒度过小其比重就很小，极容易在钢水表面漂浮堆积，反而使脱氧反应的有效接触面积变小；另一方面，由于是在真空状态下操作，细小的碳粒或碳粉常常被真空泵抽吸损失，既影响脱氧反应地效果而且会堵塞真空系统管路，对真空管路造成损伤。
粒度过大，反应速度慢，耗时较长，必然造成耐材的主要成分MgO在真空状态下分解：
MgO→[Mg]+[O]，析出氧，反而增加成品全氧含量。
碳粒的粒度5-20mm时，效果较佳。
5、本发明将碳粒布料在坩埚最底层，随着坩埚温度逐步升高，碳粒也逐步被烘烤，水分不断挥发；而且随着炼钢原料逐步融化，融化后的钢水与碳粒反应逐步缓慢进行，进一步减轻了钢水喷溅，杜绝了架料和钢水大溢等恶性生产事故和设备事故。
6、在真空炉中冶炼的步骤过程中，控制的根本目的是防止架料，使反应顺利彻底进行，从而脱氧充分，冶炼顺行。
根据碳氧反应方程式：
[C]+[O]→CO(g)↑
其平衡常数K＝pco/fc[C]fo[O]＝pco/m
碳氧浓度积m＝pco/K
由上可知：钢液温度一定时，平衡常数K为恒值，那么冶炼环境真空度越高，pco越低，则碳氧浓度积m越小，也就是钢液中氧含量越低，m与pco成正比。
所以反应过程及程度控制的关键是真空度的控制：真空度越高，反应越彻底，反应速度越快，钢水飞溅越剧烈，反应过程越难以控制，甚至架料溢钢，损坏设备。
反应过程还与温度密切相关，该反应本身是微放热反应，温度高，反应理论上越慢；但是温度高时，钢水融化快，提供的[O]越快，从而使反应速度加快，也容易导致钢水飞溅越剧烈，反应过程越难以控制。
本发明在开始融化前、后，将真空度控制在1800-2200Pa，待钢水完全融化后，再缓缓提高真空度，促进反应推进，直至真空度达3000-5000Pa，钢水不再翻腾，即可增加功率，充氩使真空室压力达5000Pa，同时增加功率至80kw，开始合金化的步骤。
7、实际生产中，碳粒的粒度5-10mm时，效果最佳。
【附图说明】
图1是本发明实施例的真空炉冶炼过程中的真空度/时间关系图
图2是钢水含氧量、反应耗时与碳粒粒度的关系图
【具体实施方式】
本发明超低氧钢的冶炼方法实施例1，它包括以下步骤：
步骤(1)、将炼钢原料50kg和15g碳粒放入坩埚中，将碳粒放入坩埚底部，将炼钢原料放置在碳粒上方，将坩埚置于50kg真空感应炉中；碳粒的重量为：0.75*w[o]*炼钢原料重量，w[o]为炼钢原料中氧的重量浓度400ppm。碳粒的粒度为5-10mm。
所述碳粒为经过烘烤的碳粒，其烘烤温度大于600℃，烘烤时间大于2小时。
步骤(2)、在真空炉中冶炼的步骤；具体为：
真空炉冶炼过程中的真空度/时间关系如图1所示。
步骤(2.1)、在真空度1800-2200Pa下升温至1650℃以上至炼钢原料融化；
在开始融化前，尽量大功率送电，缩短冶炼周期；开始融化后，碳氧开始反应，伴随有钢花飞溅，真空度也略有下降，此时应适当降低功率，控制反应速度，预防架料等事故；随着原料不断融化，至一半时，可再适当降低真空度，因为钢水越多，架料危险越大；在融化后期，把真空度降低，控制在1800-2200Pa，因为要防止坩埚顶部的冷钢料突然垮料，垮料会造成冷料直接沉入坩埚底部，底部钢水上涌瞬间即可能导致溢钢等恶性事故。
步骤(2.2)、将真空度控制在3000-5000Pa至钢水不再沸腾；
待钢水完全融化后，再缓缓提高真空度，促进反应推进，直至真空度达3-5Pa左右，钢水不再翻腾，即可增加功率，充氩使真空室压力达3000-5000Pa，同时增加功率至80kw，开始合金化。
步骤(2.3)、合金化的步骤。具体为：
向钢水加入合金元素，Al 15g，向真空炉中充入氩气，将真空度控制在5000Pa以上，保持10-20分钟，缓慢脱氧。
步骤(3)、浇注，浇注完毕冷却8-10分钟，充入氩气至大气压，打开真空室，取出锭模，脱锭成品。
本发明超低氧钢的冶炼方法实施例2，它的步骤与实施例1基本相同，区别在于：
步骤(1)具体为：
将炼钢原料50kg、合金元素铜10g、Mo15g和20g碳粒放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中；碳粒的重量为：1.0*w[o]*炼钢原料重量，w[o]为炼钢原料中氧的重量浓度400ppm。
步骤(2.3)具体为：
向真空炉中充入惰性气体，将真空度控制在5000Pa以上，保持10-20分钟，缓慢脱氧。
本发明实施例1、2制备的钢的总含氧量可在20ppm以下且夹杂物的含量低。
通过多次试验，得到图2所示钢水含氧量、反应耗时与碳粒粒度的关系图，从图中可以得出：所述碳粒的粒度为5-10mm为最佳。