一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法与流程

1.本发明涉及感应炉炼钢技术领域，尤其涉及一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法。

背景技术：

2.磷是钢中的有害元素，磷的存在会严重降低钢材料的脆性。高质量铸件要求磷含量一般在0.02wt％以下，部分铸件(如制动盘)对磷含量的要求更为严格。利用感应炉冶炼对磷含量要求较高的钢种时，只能选择磷含量较低的优质废钢作为原料，使铸钢的生产成本增加，产品的市场竞争力降低。采用廉价废钢替代优质废钢进行冶炼可以显著降低生产成本，但廉价废钢中磷含量较高。因此，在感应炉熔炼铸钢过程中，如果能将廉价废钢中磷含量控制在较低水平，以减少优质废钢的使用量，将大大降低生产成本。此外，随着我国钢铁蓄积量的增加，未来的废钢资源将十分充裕，使用廉价废钢生产轨道交通用制动盘符合国家当前“双碳”目标的政策，可提高钢铁工业中废钢的利用率，具有较高的经济和环保效益，有利于钢铁行业向绿低碳化发展，对实现钢铁工业的可持续发展具有重要意义。
3.目前，对于中频感应炉冶炼钢液脱磷已有了相关研究。申请号为cn201410214688.3的发明专利公开了一种中频感应炉熔炼钢水的脱磷方法，该方法脱磷剂的组成包括氧化铁粉、氧化钙和氧化镁，其中氧化镁的质量小于氧化铁粉质量的10％，氧化钙的质量为氧化铁粉质量的0.5-5倍；感应炉熔炼过程分为三个阶段：第一阶段采用氧化铁粉与氧化钙的质量比为1:(0.5-2)的脱磷剂；第二阶段采用氧化铁粉与氧化钙的质量比为1:(2-5)的脱磷剂，第三阶段只使用助熔剂。该方法由于分多次加入脱磷剂，操作复杂；而且，脱磷前期由于未加助熔剂，脱磷剂难以熔化，导致脱磷动力学差，脱磷率最高约为70％，脱磷率偏低。
4.申请号为cn200910264035.5的发明专利公开了一种感应炉炼钢脱磷和脱硫的方法，该方法在炉料熔化后，采用石灰-氧化铁-硼酐组成的脱磷剂对钢液进行脱磷处理；脱磷任务完成后，彻底扒渣，使钢液升温至1500-1600℃，再进行脱氧合金化，然后添加脱硫剂脱硫。虽然该方法可将钢水中的磷含量降低至0.01wt％以下，但是对于一些对磷含量要求较为严格的材料，钢液中的磷含量还有待进一步脱除。
5.申请号为cn201110157597.7的发明专利公开了一种中频炉和真空感应炉双联脱磷的方法，首先在中频炉中采用氯化钙、硼酸、活性石灰、氧化铁皮复合而成的初脱磷剂进行初脱磷，然后将钢液转移至真空炉，在真空炉中采用活性石灰和萤石、三氧化二铁精粉进行深脱磷，该方法对钢液进行了两次脱磷，每次脱磷所用的试剂和反应器均不同，导致脱磷过程复杂；同时，最终所得钢产品中磷含量相对较高，脱磷效果不佳。
6.有鉴于此，有必要设计一种改进的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，脱磷剂采用助熔剂、氧化剂和固定剂的混合物，且脱磷剂中各物质的熔点存在一定的梯度，通过两种助熔剂的协同作用，能使脱磷剂快速、充分熔融，提高脱磷效率和脱磷效果；同时助熔剂中的各物质之间相互促进熔融过程，且各物质之间协同脱磷，以达到较好的脱磷效果，使脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％，高于目前的平均水平。
8.为实现上述发明目的，本发明提供了一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：
9.将废钢和脱磷剂按预设比例置于中频感应炉内，在惰性气体氛围下升温至1450-1700℃，处理15-60min，以使钢液充分脱磷；其中，所述脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙0.01-25％、氧化硼0-20％。
10.作为本发明的进一步改进，所述脱磷剂中各组分的重量百分含量优选为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙4-25％、氧化硼0-20％。
11.作为本发明的进一步改进，所述脱磷剂中各组分的重量百分含量优选为：氧化钙40-70％、氧化铁25-35％、氟化钙4-21％、氧化硼0-10％。
12.作为本发明的进一步改进，所述脱磷剂重量为废钢重量的5％-10％。
13.作为本发明的进一步改进，所述感应炉铸钢的高效脱磷方法的脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％。
14.作为本发明的进一步改进，所述惰性气体为高纯氩气，所述惰性气体的通入量为3-5l/min。
15.作为本发明的进一步改进，脱磷率及钢液中磷含量的测定方法具体为：用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬后得到钢样，对所述钢样进行打磨及钻屑后，利用icp测定所述钢样中磷含量，以得出脱磷率及钢液中磷含量。
16.作为本发明的进一步改进，所述氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)本发明提供的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，首先将分析纯的氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼按一定比例复配得到脱磷剂，再将脱磷剂与废钢一并置于中频感应炉内，在惰性气体氛围下进行高温脱磷。脱磷剂采用助熔剂、氧化剂和固定剂的混合物，且脱磷剂中各物质的熔点存在一定的梯度，首先助熔剂中的氧化硼快速熔融，氧化硼的熔液能促进氟化钙的熔融，氟化钙熔解后，粘度小，流动性好，氧化硼和氟化钙可以增加其他固态物质的受热面积，使脱磷剂快速、充分熔融；再通过氧化铁为钢液中磷的氧化提供氧源，同时，氧化铁还可以作为氧化钙熔化的助熔剂；与此同时，氧化钙作为固定剂，将磷转化为稳定的复合化合物磷酸钙，从而将磷固定在废渣中，达到脱磷造渣的目的。通过两种助熔剂的协同作用，能使脱磷剂快速、充分熔融，提高脱磷效率和脱磷效果；同时助熔剂中的各物质之间相互促进熔融过程，且各物质之间协同脱磷，以达到较好的脱磷效果，使脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％，高于目前的平均水平。
19.(2)本发明提供的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，脱磷剂中氧化钙含量适中，在达到很好脱磷的同时，不会因为碱度过高而对反应设备造成腐蚀，同时
避免得到的废渣碱度过高而不好处理。对于不同的废钢，本发明仅通过微调脱磷剂中各物质的比例，就能达到很好的脱磷效果。
20.(3)本发明的脱磷过程，脱磷剂和废钢同时加入到感应炉内，工艺操作简单；同时脱磷过程中不需要多次加入脱磷剂或者将钢液不断转移，避免高温环境对操作人员造成伤害，安全性高。另外，本发明的脱磷效果优异，能够实现采用廉价废钢替代优质废钢冶炼轨道交通用制动盘，降低生产成本。
附图说明
21.图1为图本发明感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法的工艺流程图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
23.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
24.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
25.请参阅图1所示，本发明提供了一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：
26.s1.配置脱磷剂：
27.分别称取预设比例的氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼，混合均匀后得到脱磷剂。其中，氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。
28.s2.高温脱磷：
29.将废钢和步骤s1制备的脱磷剂按预设比例置于纯度为99％的氧化镁坩埚中，将废钢置于坩埚底部，然后将脱磷剂铺于废钢上面，并外套石墨坩埚(对氧化镁坩埚起保护作用)后一并置于中频感应炉内，打开中频感应炉电源，通过调节输入功率以调整钢液温度，在惰性气体氛围下升温至1450-1700℃，处理15-60min，以使钢液充分脱磷。
30.其中，脱磷剂重量为废钢重量的5％-10％。
31.脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙0.01-25％、氧化硼0-20％，优选为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙4-25％、氧化硼0-20％，更优选为：氧化钙40-70％、氧化铁25-35％、氟化钙4-21％、氧化硼0-10％。
32.惰性气体为高纯氩气(99.9999％)，所述惰性气体的通入量为3-5l/min。
33.氟化钙(熔点1423℃)熔解后，粘度小，流动性好，可以增加其他固态物质的受热面积，加快其他固态物质的熔解，从而起到助熔的作用。氟化钙除了发挥助熔作用以外，还能够将磷转化为氟磷灰石ca
10
f2(po5)6而直接参与脱磷。
34.氧化铁作为氧化剂，为钢液中磷的氧化提供氧源，同时，氧化铁(熔点1565℃)还可以作为氧化钙融化的助熔剂。与此同时，氧化钙作为固定剂，将磷转化为稳定的复合化合物磷酸钙，从而将磷固定在废渣中，达到脱磷造渣的目的。具体的反应为：2[p]+5(feo)+3(cao)＝(3cao
·
p2o5)+5[fe]。
[0035]
由于钢液中磷含量相对较低，因此需要使脱磷剂有很强的吸收和容纳磷的能力，而氧化钙作为磷的固定剂，只有氧化钙的含量相对较高时，脱磷效果相对较好。但是氧化钙(熔点2580℃)含量过高时，不仅增加熔融过程的难度，降低脱磷效率；而且使脱磷过程碱度过高，对反应设备造成腐蚀，同时得到的废渣碱度过高而不好处理。
[0036]
脱磷过程，首先氧化硼和氟化钙作为助熔剂，可以使脱磷剂快速熔融；然后氧化铁和氧化钙与钢液中的[p]反应，生成3cao
·
p2o5进行脱磷造渣，将磷固定在渣中。另外，加入的氟化钙和氧化硼能很好的优化渣况，使脱磷反应尽可能充分彻底进行。
[0037]
s3.测定脱磷率及钢液中磷含量：
[0038]
用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬得到钢样。对所得钢样进行打磨及钻屑后，利用icp测定所得钢样中磷含量，以得出该感应炉铸钢的高效脱磷方法的脱磷率及钢液中磷含量。
[0039]
该感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法的脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％，能够满足制动盘的需求。
[0040]
下面通过多个实施例对本发明进行详细描述：
[0041]
实施例1
[0042]
一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：
[0043]
s1.配置脱磷剂：
[0044]
分别称取预设比例的氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼，混合均匀后得到脱磷剂。其中，氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。
[0045]
s2.高温脱磷：
[0046]
将1kg废钢和步骤s1制备的60g脱磷剂置于纯度为99％的氧化镁坩埚中，将废钢置于坩埚底部，然后将脱磷剂铺于废钢上面，并外套石墨坩埚(对氧化镁坩埚起保护作用)后一并置于中频感应炉内，打开中频感应炉电源，通过调节输入功率以调整钢液温度，在高纯氩气氛围下升温至1600℃，处理30min，以使钢液充分脱磷。
[0047]
其中，熔炼用废钢的化学成分如表1所示。
[0048]
表1.熔炼用废钢的化学成分(wt％)
[0049]
csimnpsfe0.110.110.420.0170.009bal.
[0050]
脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙52％、氧化铁28％、氟化钙20％。
[0051]
s3.测定脱磷率及钢液中磷含量：
[0052]
用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬得到钢样。对所得钢样进行打磨及钻屑后，利用icp测定所得钢样中磷含量，得出该感应炉铸钢的高效脱磷方法的脱磷率为94.12％，钢液中磷含量为0.001wt％。
[0053]
实施例2-5
[0054]
一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，与实施例1相比，不同之
处在于，步骤s2中，脱磷剂中各成分的比例不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
[0055]
将实施例1-5的脱磷率及钢液中磷含量进行测定，结果如表2所示。
[0056]
表2实施例1-5的脱磷率及钢液中磷含量
[0057][0058]
由表2可知，脱磷剂中caf2含量为20％(实施例1)或者脱磷剂中caf2含量为10％且b2o3含量为5％时(实施例2)，基本能达到相同的脱磷效果。这说明两种助熔剂caf2和b2o3之间具有协同作用，在脱磷剂中含有少量b2o3时，由于b2o3熔点较低，更容易促进脱磷剂的熔融，同时caf2和b2o3之间的协同作用使脱磷效果较好。
[0059]
当脱磷剂中caf2含量为5％且b2o3含量为10％时(实施例3)时，脱磷效果明显降低，这说明只有当caf2和b2o3按合适的比例复配时，才能达到较好的脱磷效果；进一步说明caf2在助熔的同时，也能参与脱磷过程。
[0060]
当脱磷剂中cao含量为70％时(实施例4)或cao含量为40％时(实施例5)，相比于实施例1，虽然脱磷效率有所降低，但脱磷率仍然高达90％以上。
[0061]
实施例6
[0062]
一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：
[0063]
s1.配置脱磷剂：
[0064]
分别称取预设比例的氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼，混合均匀后得到脱磷剂。其中，氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。
[0065]
s2.高温脱磷：
[0066]
将1kg废钢和步骤s1制备的60g脱磷剂置于纯度为99％的氧化镁坩埚中，将废钢置于坩埚底部，然后将脱磷剂铺于废钢上面，并外套石墨坩埚(对氧化镁坩埚起保护作用)后一并置于中频感应炉内，打开中频感应炉电源，通过调节输入功率以调整钢液温度，在高纯氩气氛围下升温至1600℃，处理30min，以使钢液充分脱磷。
[0067]
其中，熔炼用废钢的化学成分如表3所示。
[0068]
表3.熔炼用废钢的化学成分(wt％)
[0069]
csimnpsfe0.110.110.400.0170.009bal.
[0070]
脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙51％、氧化铁34％、氟化钙15％。
[0071]
s3.测定脱磷率及钢液中磷含量：
[0072]
用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬得到钢样。对所得钢样进行打磨及钻屑后，
利用icp测定所得钢样中磷含量，得出该感应炉铸钢的高效脱磷方法的脱磷率为94.12％，钢液中磷含量为0.001wt％。
[0073]
由实施例6的结果可知，在废钢的化学成分有所偏差时(相比于实施例1，所用废钢中mn含量有所偏差)，可以根据废钢的化学成分的偏差通过微调脱磷剂的比例，实现较好的脱磷效果。
[0074]
实施例7
[0075]
一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：
[0076]
s1.配置脱磷剂：
[0077]
分别称取预设比例的氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼，混合均匀后得到脱磷剂。其中，氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。
[0078]
s2.高温脱磷：
[0079]
将1kg废钢和步骤s1制备的60g脱磷剂置于纯度为99％的氧化镁坩埚中，将废钢置于坩埚底部，然后将脱磷剂铺于废钢上面，并外套石墨坩埚(对氧化镁坩埚起保护作用)后一并置于中频感应炉内，打开中频感应炉电源，通过调节输入功率以调整钢液温度，在高纯氩气氛围下升温至1600℃，处理20min，以使钢液充分脱磷。
[0080]
其中，熔炼用废钢的化学成分如表4所示。
[0081]
表4.熔炼用废钢的化学成分(wt％)
[0082]
csimnpsfe0.110.130.420.0160.009bal.
[0083]
脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙58％、氧化铁32％、氟化钙10％。
[0084]
s3.测定脱磷率及钢液中磷含量：
[0085]
用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬得到钢样。对所得钢样进行打磨及钻屑后，利用icp测定所得钢样中磷含量，得出该感应炉铸钢的高效脱磷方法的脱磷率为89.38％，钢液中磷含量为0.0017wt％。
[0086]
由实施例7的结果可知，废钢化学成分的略微变化会导致脱磷效果有所变化，这主要是因为废钢化学成分的变化导致脱磷反应的吉布斯自由能变发生变化，其反应进度会受到影响，另一方面废钢化学成分的变化也会改变钢液熔点和粘度，导致组元的扩散传质受到影响，影响脱磷反应的进行程度。
[0087]
对比例1
[0088]
一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤s2中，脱磷剂中各成分的比例不同，脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙60％、氧化铁40％，其他与实施例1大致相同，脱磷率为78.23％，钢液中磷含量为0.0037％，脱磷效果明显较差，所得钢产品中磷含量较高，无法满足制动盘的需求。这主要是因为，在不加助熔剂的情况下，首先脱磷剂的熔化过程受到影响，脱磷剂各处熔融情况不均，导致脱磷效果差；同时，助熔剂的加入，不仅起助熔作用，助熔剂与脱磷剂的各组分之间协同脱磷。
[0089]
综上所述，本发明提供的一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，脱磷剂采用助熔剂、氧化剂和固定剂的混合物，且脱磷剂中各物质的熔点存在一定的梯度，通过两种助熔剂的协同作用，能使脱磷剂快速、充分熔融，提高脱磷效率和脱磷效果；同
时助熔剂中的各物质之间相互促进熔融过程，且各物质之间协同脱磷，以达到较好的脱磷效果，使脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％，高于目前的平均水平；脱磷剂中氧化钙含量适中，在达到很好脱磷的同时，不会因为碱度过高而对反应设备造成腐蚀，同时避免得到的废渣碱度过高而不好处理；本发明的脱磷效果优异，能够实现采用廉价废钢替代优质废钢冶炼轨道交通用制动盘，降低生产成本。
[0090]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：包括如下步骤：将废钢和脱磷剂按预设比例置于中频感应炉内，在惰性气体氛围下升温至1450-1700℃，处理15-60min，以使钢液充分脱磷；其中，所述脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙0.01-25％、氧化硼0-20％。2.根据权利要求1所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述脱磷剂中各组分的重量百分含量优选为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙4-25％、氧化硼0-20％。3.根据权利要求2所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述脱磷剂中各组分的重量百分含量优选为：氧化钙40-70％、氧化铁25-35％、氟化钙4-21％、氧化硼0-10％。4.根据权利要求1所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述脱磷剂重量为废钢重量的5％-10％。5.根据权利要求1所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法的脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％。6.根据权利要求1所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述惰性气体为高纯氩气，所述惰性气体的通入量为3-5l/min。7.根据权利要求5所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：脱磷率及钢液中磷含量的测定方法具体为：用石英管汲取钢液后，置于水中，水淬后得到钢样，对所述钢样进行打磨及钻屑后，利用icp测定所述钢样中磷含量，以得出脱磷率及钢液中磷含量。8.根据权利要求1所述的感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，其特征在于：所述氧化钙、氧化铁、氟化钙和氧化硼均为分析纯试剂。

技术总结

本发明提供了一种感应炉冶炼轨道交通用制动盘铸钢的高效脱磷方法，包括如下步骤：将废钢和脱磷剂按预设比例混合后置于中频感应炉内，在惰性气体氛围下升温至1450-1700℃，处理15-60min，以使钢液充分脱磷；其中，所述脱磷剂中各组分的重量百分含量为：氧化钙40-70％、氧化铁20-50％、氟化钙0.01-25％、氧化硼0-20％。本发明通过两种助熔剂的协同作用，能使脱磷剂快速、充分熔融，提高脱磷效率和脱磷效果；同时助熔剂中的各物质之间相互促进熔融过程，且各物质之间协同脱磷，以达到较好的脱磷效果，使脱磷率高达94.12％，钢液中磷含量低至0.001wt％，高于目前的平均水平。高于目前的平均水平。高于目前的平均水平。