一种冶炼极细金刚砂线用钢的工艺方法
阅读说明：本技术 一种冶炼极细金刚砂线用钢的工艺方法 (Process method for smelting steel for superfine carborundum wire ) 是由 徐迎铁 黄宗泽 刘湘江 万根节 齐彦峰 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种冶炼极细金刚砂线用钢工艺方法,包括1)真空感应炉以纯铁和低磷生铁为原料氩气条件下熔成液态钢,抽真空熔炼,低于300Pa高真空下脱气15-20min并调整钢分,高纯硅铁做脱氧剂真空下浇铸圆形铸锭,每锭1.5-2.5吨,直径0.35-0.4m,长度2-3m；2)圆形铸锭制作可供电渣冶炼用电极棒；3)电极棒作原料通过电渣炉重熔冶炼,电渣渣系要求：CaF-(2):45-55％,Al-(2)O-(3):15-25％,SiO-(2):20-25％,Na-(2)O:2-4％,K-(2)O:1-2％；电渣冶炼制作圆柱电渣锭,直径0.4-0.5m；4)电渣锭锻造成可供轧制线材的方形锻造坯,正方形边长0.140-0.160m,锻造坯长度大于6m；5)通过线材轧制直径4.5-5.5mm盘条,盘条成分：C:0.92-1.1％,Si:0.3-0.4％,Mn:0.5-0.8％,Al<0.0008％,N<0.005％,S<0.01％,P<0.015％。(The invention discloses a process method for smelting steel for an ultrafine carborundum wire, which comprises 1) melting pure iron and low-phosphorus pig iron into liquid steel in a vacuum induction furnace under the condition of argon by taking the pure iron and the low-phosphorus pig iron as raw materials, vacuumizing for smelting, degassing for 15-20min under high vacuum of less than 300Pa, adjusting steel content, and obtaining high-purity steelCasting a circular cast ingot under vacuum by using ferrosilicon as a deoxidizer, wherein each ingot is 1.5-2.5 tons, the diameter is 0.35-0.4m, and the length is 2-3 m; 2) manufacturing a circular ingot casting electrode rod capable of supplying power for slag smelting; 3) the electrode bar is used as a raw material to be remelted and smelted by an electroslag furnace, and the electroslag system requires that: CaF 2 :45‑55％，Al 2 O 3 :15‑25％，SiO 2 :20‑25％，Na 2 O:2‑4％,K 2 1-2% of O; electroslag smelting to manufacture a cylindrical electroslag ingot with the diameter of 0.4-0.5 m; 4) electroslag ingot forging is carried out to obtain a square forging blank for rolling wire rods, the side length of the square is 0.140-0.160m, and the length of the forging blank is more than 6 m; 5) rolling a wire rod with the diameter of 4.5-5.5mm by a wire rod, wherein the wire rod comprises the following components: 0.92-1.1% of C, 0.3-0.4% of Si, 0.5-0.8% of Mn, Al<0.0008％，N<0.005％，S<0.01％，P<0.015％。)
技术领域
本发明涉及一种冶炼极细金刚砂线用钢的工艺方法，属于炼钢技术领域。
背景技术
金刚砂线主要用于切割硅片、宝石等，硅片是光伏和电子行业的主体原料，为了提高切割效率，金刚砂线要求极细规格，直径通常要求在0.04-0.055mm之间，比人类头发丝还细，极细规格对其用钢的夹杂物控制提出了苛刻的要求，其包含的所有夹杂物的宽度全面小于10μm，且不能包含脆性的铝质夹杂；现有技术中，一些日本的企业通过转炉-精炼炉-连铸-初轧-线材轧制流程完成生产，冶炼过程对于夹杂物控制主要采用严格控制耐材铝含量以及夹杂物变性处理等措施来实现夹杂物细化以及具有变形能力，即使如此，此流程生产的盘条在拉拔金刚砂线的过程中，仍存在断丝现象，而导致断丝的基本是大颗粒硅铝质夹杂，断丝对拉拔生产影响很大，断丝后接丝时间会超过2小时。而那些不具备在转炉流程和电炉流程生产金刚砂线用钢的能力的企业，面临的主要问题是无法控制完全不含脆性氧化铝夹杂和高氧化镁含量夹杂，若通过改进耐材来控制此类夹杂，则整个流程的生产成本大大提升，而金刚砂线需求量小，其利润无法抵充整个流程耐材成本的增加，因此利用转炉流程或电炉流程生产金刚砂线无法取得经济效益。
金刚纱线为了确保有足够的破断力，满足高效率切割硅片，其钢中碳含量有着较高要求，通常要求至少0.92％以上，最好含量超过1％,另外要求氮含量要小于50ppm，这样的成分要求并不能用到其他钢种，在转炉-精炼流程或电炉精炼流程大规模生产金刚砂用钢在生产组织上会存在困难，一旦夹杂物控制不合格，则整炉钢面临报废风险，同时也无法在连铸过程中连续生产。从市场需求看，金刚砂线因其持久耐用，在生产中消耗并不是很大，中国市场需求量维持在2000-10000吨，金刚砂线生产商向钢铁生产商订货每次也不高于30吨，这样的情况下，用100吨以上的电炉流程或转炉流程生产就会出现无法组织生产的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种可满足小规模、高要求的极细金刚砂线用钢钢种生产，夹杂物控制可实现拉拔金刚砂线不断丝的极细金刚砂用钢冶炼工艺方法。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种冶炼极细金刚砂线用钢的工艺方法，即真空感应炉-电渣-锻造-线材轧制生产金刚砂线用钢，其主要步骤如下：
1)2-5吨规模真空感应炉用不含碳的纯铁和含碳3.5％-4.5％低磷生铁为原料在氩气保护条件下熔化成液态钢水2-5吨，随后抽真空开始真空熔炼，满足低于300Pa高真空条件下脱气15min-20min并调整钢水成分，脱氧过程用高纯硅铁做脱氧剂，严禁加含铝脱氧剂，冶炼成分合格后，真空条件下浇铸为圆形铸锭1-2支，每根铸锭质量1.5-2.5吨，铸锭直径0.35-0.4m，长度2-3m。
选用真空感应炉作为初冶炼炉，利用了真空感应炉小规模冶炼功能并具备真空脱气功能的特点，可以满足本发明涉及钢种需求的脱氮要求；另外，真空感应炉还能实现真空保护浇注，可避免在大气浇注过程容易发生的二次氧化和钢水吸氮。考虑到浇注锭的重量为1.5-2.5吨，在需要浇注1-2支锭时，需要选择2-5吨规模的真空感应炉生产；如果感应炉选择过大，需要浇注3支或以上铸锭，则很难实现真空浇注；选用纯铁和生铁为原料主要考虑本钢种碳含量的配置，生铁可含4％左右的碳，可以实现最终钢水的1％左右的碳含量要求，另外，纯铁和生铁的有害残余元素含量均较低，可确保钢有害残余元素不超标。高真空条件下脱气15min-20min主要为了确保脱氮达到钢种要求，同时也能脱氢确保无氢致裂纹问题；在真空处理过程中可调整钢水成分，加入高纯锰和高纯硅铁满足产品最终成分要求，这里用高纯硅铁做脱氧剂，主要是担心普通硅铁含铝量偏高，容易导致最终铝含量超标，严禁加含铝脱氧剂是因为此钢种所含的高氧化铝含量夹杂为脆性夹杂，对金刚砂线拉拔破坏性大；最终铸锭尺寸要求主要是基于后工序所涉及的电渣电极棒尺寸要求设定的。
2)圆形铸锭表面清理，切除带收缩端的大头5-10cm，制作为可供电渣冶炼用电极棒。
3)电极棒作为原料，通过电渣炉重熔冶炼，电渣渣系要求：CaF2:45-55％，Al2O3:15-25％，SiO2:20-25％，Na2O:2-4％,K2O:1-2％,电渣冶炼制作圆柱形电渣锭，电渣锭要求直径0.4-0.5m。
电渣重熔是将电极棒-炉渣-结晶器钢水连成一个通电回路，在低压高电流条件下利用炉渣局部发热使得电极棒顶端与渣接触部分逐步溶化成液滴，大量分离的液滴穿越渣层下落到结晶器钢水熔池中，钢水熔池接触结晶器部分再次凝固的过程。电渣重熔通过渣对钢水过滤，可彻底去除大型夹杂物，剩余夹杂物可稳定小于13μm，同时电渣重熔锭组织均匀致密，电渣重熔过后，钢中剩余的夹杂物与电渣中的炉渣成分更为接近，所以本技术方案通过将炉渣成分控制在：CaF2:45-55％，Al2O3:15-25％，SiO2:20-25％，Na2O:2-4％,K2O:1-2％，其主要目的是控制钢水中剩余的小颗粒夹杂成分也在这个范围内，其中渣中CaF2部分会转变为CaO，此范围内夹杂物具有熔点低塑性化能力强的特点，可在后工序锻造和轧制过程中充分沿着锻造或轧制方向变形，变形后夹杂物宽度可全面小于7μm，且夹杂物与钢的接触面相对圆滑，对钢在拉拔过程的破坏小，不会导致拉拔断丝，也保证了金刚砂线在切割硅片的过程中不断丝。电渣锭尺寸的选择主要是考虑电渣结晶器设计方便以及后工序方便锻造。
4)电渣锭锻造成可供轧制线材的锻造坯，锻造坯为方形坯，断面为正方形，正方形边长0.140-0.160m，锻造坯长度大于6m。
5)通过线材轧制为直径规格4.5-5.5mm的盘条。最终盘条成分要求为；[C]:0.92-1.1％，[Si]:0.3-0.4％，[Mn]:0.5-0.8％，[Al]<0.0008％，[N]<0.005％，[S]<0.01％，[P]<0.015％。
本发明所生产的盘条最终可以拉拔成直径0.04-0.055mm规格的金刚砂线母线，拉拔过程实现不断丝，用于高效率切割硅片、宝石等。
作为本技术方案的进一步改进，步骤1)，进一步要求真空感应炉冶炼结束终点成分：[C]:0.94-1.1％，[Si]:0.35-0.45％，[Mn]:0.6-0.8％，[Al]<0.001％，[N]<0.0045％，[S]<0.01％，[P]<0.015％。其中，考虑到电渣过程硅会进一步衰减，所以真空处理后硅含量要高一些；并且由于电渣过程铝会进一步衰减，此处要求＜0.0008％是很难实现的，故设定为<0.001％。
冶炼钢水终点温度1460-1500℃，真空冶炼结束后适当吹氩保护，炉内压力调至10000Pa-20000Pa范围，然后在保护气氛下浇注，铸模采用铸铁模。
真空感应炉冶炼的终点成分碳、硅和铝的控制要略高于电渣重熔后钢的成分，这主要是考虑电渣重熔过程钢水的碳、硅和铝含量有一定的衰减。真空感应炉控制终点温度在1460-1500℃主要是考虑浇注过热度在20-60℃之间，此范围温度可铸造出合格用于电渣电极棒，在实际生产中，如仅浇注一个锭，终点温度可控制偏下限，如果浇注2个锭，终点温度控制偏上限，否则存在第二个锭容易浇不完的风险。真空保护浇注是为了防止浇注过程吸氮和二次氧化。
也作为本技术方案的进一步改进，步骤1)中，当铁质原料完全熔化后，加入石灰2-5kg/t的少量造渣脱磷脱硫。其中，真空感应炉冶炼不宜加太多造渣料，否则会存在造渣料难以溶化影响脱气等，但由于原料中不可避免含有硫和磷，为了确保脱硫和脱磷到位，可加入少量石灰来确保脱硫和脱磷满足产品对硫和磷的要求。
还作为本技术方案的进一步改进，步骤3)中，电渣过程需要在保护气氛下进行，采用恒熔速电渣冶炼。
保护气氛下重熔主要是防止如果二次氧化严重，则容易导致钢水硅、碳因氧化衰减严重，同时钢水二次氧化会形成更多二氧化硅夹杂，对钢水夹杂物控制不利。
本方法开发了一种全新的工艺路径真空感应炉-电渣-锻造-线材轧制生产金刚砂线用钢盘条，采用这样的工艺路径主要是基于金刚砂线用钢需求量低且要求高的特点考虑，可方便小规模组织生产金刚砂线用钢，解决了大型转炉或电炉流程生产此类钢种每炉钢重量远大于订货量带来的余钢无法处置问题。本方法通过电渣工艺彻底实现大颗粒夹杂和脆性夹杂全去除，并能实现夹杂物成分在夹杂物塑性化要求范围内，从而实现钢中全部夹杂物无害化，不会造成金刚砂线拉拔断丝。当然，不可否认的是，本发明不管是感应炉冶炼或电渣冶炼其耗电量大，可选择夜间生产，充分利用低峰时段电网容量。
采用上述技术方案的工艺方法，具有如下有益效果：
可实现小规模灵活稳定生产极细金刚砂线用钢盘条，其盘条内夹杂宽度稳定控制全面小于7μm，确保了盘条在拉拔金刚砂线的各道工序中不因夹杂而断丝。
具体实施方式
本发明提供了一种冶炼极细金刚砂线用钢的工艺，通过一种新的炼钢工艺路径设计生产高端极细金刚砂线用钢，可实现金刚砂线用钢的灵活稳定生产，并从根本上解决了后续金刚砂线拉拔过程因夹杂物控制的断丝问题。
该工艺主要步骤如下；
1)真空感应炉用不含碳的纯铁和含碳3.5％-4.5％低磷生铁为原料冶炼极细金刚砂线用钢母液，最终浇铸为圆形铸锭；
2)圆形铸锭制作为可供电渣冶炼用电极棒；
3)电极棒作为原料，通过电渣炉重熔冶炼制作电渣钢锭，渣成分要求(质量百分比)为：CaF2:45-55％，Al2O3:15-25％，SiO2:20-25％，Na2O:2-4％，K2O:1-2％；
4)锻造；
5)线材轧制为直径规格4.5-5.5mm的盘条，成分要求为；[C]:0.92-1.1％，[Si]:0.3-0.4％，[Mn]:0.5-0.8％，[Al]<0.0008％，[N]<0.005％，[S]<0.01％，[P]<0.015％。
盘条可用于拉拔直径0.04-0.055mm规格金刚砂线，拉拔过程不因夹杂问题导致断丝。
实施例1：
选用真空感应炉-电渣-锻造-线材轧制生产金刚砂线用钢，其主要工艺步骤如下：
1)选用2吨容量的真空感应炉冶炼，其设备具备真空浇注功能，真空感应炉用不含碳的纯铁棒1.5吨和含碳4％的生铁0.5吨(磷含量小于0.06％)为原料在氩气保护条件下溶化成液态钢水2吨，待钢水完全熔化后，加入石灰10kg，并抽真空开始真空熔炼，满足低于300Pa高真空条件下脱气15min，在真空处理过程中加高纯硅铁(含硅75％)8kg和纯锰合金18kg调整钢水成分，冶炼成分[C]：1.05％，[Si]：0.41％，[Mn]:0.7％，[Al]：0.00079％，[N]：0.0040％，[S]:0.008％，[P]:0.014％，当成分合格后，吹氩炉内压力调整到10000Pa或略高，并调整钢水温度到1465℃，真空条件下浇铸为圆形铸锭1支，单根铸锭质量2吨，铸锭直径0.35m，长度2.8m。
2)圆形铸锭表面打磨清理，切除带收缩端的大头5cm，制作为可供电渣冶炼用电极棒。
3)电极棒作为原料，在氩气保护气氛下通过电渣炉恒熔速重熔冶炼，电渣渣系要求CaF2:45％，Al2O3:25％，SiO2:25％，Na2O:3％，K2O:2％，电渣冶炼制作圆柱形电渣锭，电渣锭直径0.4m，长2m。
4)电渣锭锻造成可供轧制线材的锻造坯，锻造坯为方形坯，断面为正方形，正方形边长0.140m，锻造坯长度12.5m。
5)通过线材轧制为直径规格4.5mm的盘条。最终盘条成品成分要求为；[C]:1.02％，[Si]:0.35％，[Mn]:0.6％，[Al]:0.0005％，[N]:0.0048％，[S]:0.008％，[P]:0.014％。盘条夹杂物经过检测为CaF2-CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-K2O复合夹杂以及SiO2-Al2O3-MnO-CaO-MgO-Na2O-K2O复合夹杂(SiO2含量大于50％)，这两个系列夹杂均具有良好塑性，其宽度全面小于6μm，为无害夹杂，不对后工序盘条拉拔金刚砂线有断丝影响。
本实施例中所生产的盘条最终可以拉拔成直径0.05mm规格金刚砂线母线，拉拔过程实现不断丝，用于高效率切割硅片、宝石等。
实施例2：
选用真空感应炉-电渣-锻造-线材轧制生产金刚砂线用钢，其主要工艺步骤如下：
1)选用5吨容量的真空感应炉冶炼，其设备具备真空浇注功能，真空感应炉用不含碳的纯铁棒纯铁棒3.75吨和含碳3.9％的生铁1.25吨为原料(磷含量小于0.07％)在氩气保护条件下熔化成液态钢水5吨，待钢水完全熔化后，加入石灰20kg，抽真空开始真空熔炼，满足低于300Pa高真空条件下脱气20min，在真空处理过程中加高纯硅铁(含硅75％)20kg和纯锰合金45kg，最终冶炼成分[C]：0.96％,[Si]：0.45％，[Mn]:0.75％，[Al]：0.0009％，[N]：0.0038％，[S]:0.0095％，[P]:0.013％，当成分合格后，吹氩炉内压力调整到12000Pa或略高，并调整钢水温度到1485℃，真空条件下浇铸为圆形铸锭2支，每支铸锭质量2.5吨，铸锭直径0.4m，长度2.6m。
2)圆形铸锭表面打磨清理，切除带收缩端的大头6cm，制作为可供电渣冶炼用电极棒。
3)电极棒作为原料，在氩气保护气氛下通过电渣炉恒熔速重熔冶炼，电渣渣系要求CaF2:51％，Al2O3；22％，SiO2:23％，Na2O:3％,K2O:1％,电渣冶炼制作圆柱形电渣锭，电渣锭直径0.5m，长1.5m。
4)电渣锭锻造成可供轧制线材的锻造坯，锻造坯为方形坯，断面为正方形，正方形边长0.16m，锻造坯长度12m。
5)通过线材轧制为直径规格5mm的盘条。最终盘条成品成分要求为；[C]:0.93％，[Si]:0.4％，[Mn]:0.5％，[Al]:0.0006％，[N]:0.0040％，[S]:0.0095％，[P]:0.013％。盘条夹杂物经过检测为CaF2-CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-K2O复合夹杂以及SiO2-Al2O3-MnO-CaO-MgO-Na2O-K2O复合夹杂(SiO2含量大于60％)，这两个系列夹杂均具有良好塑性，其宽度全面小于7μm，为无害夹杂，不对后工序盘条拉拔金刚砂线有断丝影响。
本实施例所生产的盘条最终可以拉拔成直径0.055mm规格金刚砂线母线，拉拔过程实现不断丝，用于高效率切割硅片、宝石等。
实施例3：
选用真空感应炉-电渣-锻造-线材轧制生产金刚砂线用钢，其主要工艺步骤如下：
1)选用4吨容量的真空感应炉冶炼，其设备具备真空浇注功能，真空感应炉用不含碳的纯铁棒纯铁棒3吨和含碳4.2％生铁1吨(磷含量小于0.06％)为原料在氩气保护条件下熔化成液态钢水4吨，待钢水完全熔化后，加入石灰15kg，抽真空开始真空熔炼，满足低于250Pa高真空条件下脱气18min，在真空处理过程中加高纯硅铁(含硅75％)15kg和纯锰合金33kg，最终冶炼成分[C]：1.1％，[Si]：0.35％，[Mn]:0.6％，[Al]：0.0007％，[N]：0.0034％，[S]:0.0099％，[P]:0.012％，当成分合格后，吹氩炉内压力调整到15000Pa或略高，并调整钢水温度到1495℃，真空条件下浇铸为圆形铸锭2支，每根感应炉铸锭质量2吨，铸锭直径0.38m(控制在0.35-0.4m)，长度2.4m；
2)圆形铸锭表面打磨清理，切除带收缩端的大头8cm，制作为可供电渣冶炼用电极棒；
3)电极棒作为原料，在氩气保护气氛下通过电渣炉恒熔速重熔冶炼，电渣渣系要求CaF2:55％，Al2O3:15％，SiO2:24％，Na2O:4％,K2O:2％,电渣冶炼制作圆柱形电渣锭，电渣锭直径0.45m，长1.5m；
4)电渣锭锻造成可供轧制线材的锻造坯，锻造坯为方形坯，断面为正方形，正方形边长0.15m，锻造坯长度10.3m。
5)通过线材轧制为直径规格5.5mm的盘条。最终盘条成品成分要求为；[C]:1.05％，[Si]:0.3％，[Mn]:0.5％，[Al]:0.0005％，[N]:0.0038％，[S]:0.0099％，[P]:0.012％。盘条夹杂物经过检测为CaF2-CaO-SiO2-Al2O3-Na2O-K2O复合夹杂以及SiO2-Al2O3-MnO-CaO-MgO-Na2O-K2O复合夹杂(SiO2含量大于50％)，这两个系列夹杂均具有良好塑性，其宽度全面小于5μm，为无害夹杂，不对后工序盘条拉拔金刚砂线有断丝影响。
本实施例所生产的盘条最终可以拉拔成直径0.04mm规格金刚砂线母线，拉拔过程实现不断丝，用于高效率切割硅片、宝石等。
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