本发明属于冶炼，具体涉及一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯及其制备方法。
背景技术：
1、无磁钻具用高锰高氮不锈钢因其具有低磁导率、高强度的机械性能、良好的耐晶间腐蚀性能及优异的耐磨性，被广泛应用于石油、天然气的勘探和开采。因钻具工作环境地质条件复杂、恶劣，要求材料有高的纯净度及均匀性，即要保证耐晶间腐蚀、应力腐蚀又要保证低磁导率。目前行业内主要采用电弧炉或转炉冶炼→氩氧炉精炼→lf精炼→模铸的方法浇注电极坯，之后进行电渣重熔来制备。这种制备方法存在如下问题：
2、（1）、采用模铸方法生产，需消耗大量的耐火材料等浇注辅料，工人劳动强度大，生产效率低，不同炉次间产品质量一致性差。
3、（2）、模铸出来的电极坯需热切冒口，切除比例一般15%左右，一方面造成钢坯收得率低，另一方面此类高锰高氮不锈钢热切冒口时产生大量的氧化锰、氧化铁类烟尘，产生污染排放，影响钢铁行业的清洁生产比例。
4、（3）、此类钢熔点低，模铸方法浇注的电极坯表面翻皮、粘渣较多，电渣重熔前需进行表面精整处理，一方面增加了额外的工序、工时及工人劳动强度，另一方面又进一步降低了钢坯收得率。
5、（4）、无磁钻具用高锰高氮不锈钢锭型较小，模铸方法浇注电极坯受浇注盘数、浇注场地限制，批量生产难度大，生产效率低。
6、为了解决上述问题，冶金工作者一直在尝试通过连铸的方式来生产此类钢种，但由于高锰高氮不锈钢液相线温度低、两相区较长、固液转换时体积收缩大，极易出现表面鼓肚、凹陷、纵裂等质量问题及漏钢、拉脱等生产事故，另外由于此类钢种变形抗力极大，拉坯时易出现矫直矫不动、铸坯翘头等生产事故，导致连铸生产难度极大，国内外仅有部分小方坯、板坯采用连铸方式生产，未见有大圆坯方面的成功应用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯及其制备方法，该方法克服了上述现有连铸生产存在的圆坯鼓肚、凹陷、纵裂、漏钢、拉脱、难易矫直、铸坯翘头等一系列问题，实现了连铸大圆坯的工业化生产，且生产的高锰高氮不锈钢连铸大圆坯生产效率高，产品质量一致性好，无需切除冒口及精整钢坯，一方面钢坯收得率高，另一方面生产效率高，既降低了工人劳动强度，同时又降低污染排放，提高了行业清洁生产比例。
2、本发明的目的是这样实现的：
3、一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯，所述无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯包括按质量百分比计的如下化学成分：c：0.01～0.06%，si:0.10～0.60%，mn:18.00～22.00%，p≤0.030%，s≤0.005%，ni:1.00～4.50%，cr:13.00～21.00%，mo:0.50～2.50%，cu:0.05～0.50%，nb:0.01～0.10%，n:0.40～0.70%，al:0.005～0.020%，余量为fe及其他不可避免的杂质元素。
4、一种所述的无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的制备方法，所述无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的直径为φ400～φ800mm，采用电弧炉或转炉冶炼初炼钢水→通过合金熔化炉熔化合金→氩氧炉精炼→lf精炼→连铸机连铸的方法制备，具体包括以下步骤：
5、步骤1）、通过电弧炉或转炉冶炼初炼钢水，按质量百分比控制出钢p含量≤0.005%、出钢温度≥1620℃，出钢过程随钢流向钢包内加入铝块1～2kg/t、石灰2～4kg/t脱氧及造渣；
6、步骤2）、通过合金熔化炉熔化合金以加快生产效率、提高合金收得率，其中炉料选用高碳铬铁合金100～300kg/t、含cr不锈钢料头50～100kg/t，熔化后的合金铁水兑入步骤1）出钢后的钢包；
7、步骤3）、将步骤2）的钢水兑入氩氧炉进行精炼，在氩氧炉内进行脱碳、脱氧、脱硫及合金化操作，化学成分符合要求后温度≥1530℃出钢；
8、步骤4）、将步骤3）的钢水转入lf工位进行lf精炼，加入挑选后的石灰5-10kg/t造渣，控制渣层厚度≥100mm以避免增碳，底吹气体选用氮气，出钢前用喂丝机喂入硅钙线3～5m/t，弱搅拌时间≥15分钟后温度1450～1470℃吊包上连铸平台浇注；
9、步骤5）、将步骤4）的钢水通过长水口保护从钢包内注入中间包，中间包内加入无碳覆盖剂3～5kg/t以防止钢液二次氧化、避免钢液结壳、吸附钢中夹杂物及避免钢液增碳，按质量百分比所用无碳覆盖剂的成分要求c≤0.1%；将中间包内钢水过热度控制在30～50℃；中间包钢水通过浸入式水口注入结晶器内，结晶器内通过冷却水冷却；采用慢速浇注方法浇注，浇注速度为600～800kg/min；圆坯出结晶器后采用喷水冷却+气雾冷却+辐射区冷却的三级复合冷却方法，以改坯表面鼓肚、凹陷及凝固组织、成分偏析问题；圆坯采用结晶器电磁搅拌+铸流电磁搅拌+末端电磁搅拌的三段式复合电磁搅拌方法以改善圆坯心部疏松、裂纹凝固质量问题；圆坯采用三辊夹持拉坯方法，其中夹持力根据拉坯机所在位置的坯壳厚度进行设计以改善圆坯凝固质量；圆坯出坯后热送或空冷/风冷至表面温度低于50℃后下转。
10、进一步的，在步骤5）中，连铸过程中全程采用保护浇注，大包到中包之间采用长水口吹氩，氩气流量150l/min，浸入式水口使用整体式水口，中间包采用塞棒吹氩，氩气流量3.0l/min。
11、进一步的，在步骤5）中，结晶器为针对此钢种易出现鼓肚、凹陷缺陷问题而专门设计的管状结晶器，其锥度不低于2.0%；结晶器冷却水流量为按圆坯规格450～500l/min/100mm，结晶器冷却水进水温度不低于25℃，进出水温差3～6℃。
12、进一步的，在步骤5）中，所述三级复合冷却方法的第一级冷却方式为喷水冷却，比水量0.05～0.10l/kg以进一步提高坯壳厚度、避免坯壳过薄承受不住钢水静压力而导致鼓肚、凹陷、纵裂或漏钢问题；第二级冷却方式为气雾冷却，比水量为0.08～0.18l/kg，以避免回温过大造成圆坯偏析过大；第三级冷却方式为辐射区保温罩冷却，以减缓热应力对圆坯凝固质量的影响。
13、进一步的，在步骤5）中，所述三段式复合电磁搅拌方法是指结晶器电磁搅拌频率为1～3hz，电流为300～600a；铸流电磁搅拌频率为4～8hz，电流为150～500a；末端电磁搅拌频率为3～10hz，电流为600～1100a；末端电磁搅拌优选螺旋式电磁搅拌器以扩大搅拌范围。
14、进一步的，在步骤5）中，拉坯机采用三辊夹持拉坯，所述圆坯采用三辊夹持拉坯方法是指在圆坯心部产生挤压应力以改善圆坯心部质量，其中1个为固定辊、2个为可调辊，三辊之间的夹持角度为120℃以使受力均匀；拉坯机共采用4组拉坯辊进行拉坯，其中第1～4组拉坯辊夹持力根据坯壳厚度分别按总夹持力的5%、25%、30%、40%进行设计，以避免夹持力过大造成圆坯表面及心部凝固质量问题。
15、本发明的方法解决了常规生产方法的问题，具有如下积极效果：
16、（1）结合无磁钻具用高锰高氮不锈钢钢种特性，通过专用结晶器设计+结晶器冷却水参数设计+出结晶器后复合冷却参数+复合电磁搅拌+三辊夹持拉坯参数设计，解决了无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯鼓肚、凹陷、纵裂、漏钢、拉脱、难易矫直、铸坯翘头等一系列连铸生产难题，实现了无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的工业化生产。
17、（2）通过无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的工业化生产实现了对模铸生产方法的流程再造，圆坯产品质量一致性好，无需切除冒口及精整钢坯，一方面钢坯收得率高，另一方面生产效率高，既降低了工人劳动强度，同时又降低污染排放，提高了行业清洁生产比例。
1.一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯，其特征在于：所述无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯包括按质量百分比计的如下化学成分：c：0.01～0.06%，si:0.10～0.60%，mn:18.00～22.00%，p≤0.030%，s≤0.005%，ni:1.00～4.50%，cr:13.00～21.00%，mo:0.50～2.50%，cu:0.05～0.50%，nb:0.01～0.10%，n:0.40～0.70%，al:0.005～0.020%，余量为fe及其他不可避免的杂质元素。
2.一种如权利要求1所述的无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的制备方法，其特征在于：所述无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的直径为φ400～φ800mm，采用电弧炉或转炉冶炼初炼钢水→通过合金熔化炉熔化合金→氩氧炉精炼→lf精炼→连铸机连铸的方法制备，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的制备方法，其特征在于：在步骤5）中，连铸过程中全程采用保护浇注，大包到中包之间采用长水口吹氩，氩气流量150l/min，浸入式水口使用整体式水口，中间包采用塞棒吹氩，氩气流量3.0l/min。
4.根据权利要求2所述的一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯的制备方法，其特征在于：在步骤5）中，结晶器为针对此钢种易出现鼓肚、凹陷缺陷问题而专门设计的管状结晶器，其锥度不低于2.0%；结晶器冷却水流量为按圆坯规格450～500l/min/100mm，结晶器冷却水进水温度不低于25℃，进出水温差3～6℃。
5.根据权利要求2所述的一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯及其制备方法，其特征在于：在步骤5）中，述三级复合冷却方法的第一级冷却方式为喷水冷却，比水量0.05～0.10l/kg以进一步提高坯壳厚度、避免坯壳过薄承受不住钢水静压力而导致鼓肚、凹陷、纵裂或漏钢问题；第二级冷却方式为气雾冷却，比水量为0.08～0.18l/kg，以避免回温过大造成圆坯偏析过大；第三级冷却方式为辐射区保温罩冷却，以减缓热应力对圆坯凝固质量的影响。
6.根据权利要求2所述的一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯及其制备方法，其特征在于：在步骤5）中，所述三段式复合电磁搅拌方法是指结晶器电磁搅拌频率为1～3hz，电流为300～600a；铸流电磁搅拌频率为4～8hz，电流为150～500a；末端电磁搅拌频率为3～10hz，电流为600～1100a；末端电磁搅拌优选螺旋式电磁搅拌器以扩大搅拌范围。
7.根据权利要求2所述的一种无磁钻具用高锰高氮不锈钢连铸大圆坯及其制备方法，其特征在于：在步骤5）中，拉坯机采用三辊夹持拉坯，所述圆坯采用三辊夹持拉坯方法是指在圆坯心部产生挤压应力以改善圆坯心部质量，其中1个为固定辊、2个为可调辊，三辊之间的夹持角度为120℃以使受力均匀；拉坯机共采用4组拉坯辊进行拉坯，其中第1～4组拉坯辊夹持力根据坯壳厚度分别按总夹持力的5%、25%、30%、40%进行设计，以避免夹持力过大造成圆坯表面及心部凝固质量问题。
