CN102266940A

CN102266940A - 一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体及制备和使用方法

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Publication number: CN102266940A
Application number: CN2010102016769A
Authority: CN
Inventors: 尚德礼; 李德刚; 廖相巍; 吕春风; 于广文; 康磊
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: CN102266940B

Abstract

本发明公开一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体及制备和使用方法，中间体中(质量百分比)30％～50％的三氧化二铁粉，10％～20％的铝粉，其余为铁粉，其粉料粒度为120目～400目。将其混合均匀粉末中加入的粘结剂，比例为粉末质量的2％～4％；成型压力为40MPa～60MPa，成型然后体进行脱脂处理，烘干1.5～4小时，烘烤温度120℃～600℃；中间体在钢液加铝脱氧前的2～5min加入钢液，加入量为钢液质量的0.1％～0.5％；浇铸钢液使之凝固，凝固组织中的氧化铝夹杂物平均粒径为1.5μm以下。本发明工艺简单、成本低；保证了氧化铝颗粒在钢中的稳定收得率，改善了钢的力学性能和表面质量。

Description

一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体及制备和使用方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体及使用方法。

背景技术

随着现代工程技术的发展，对钢材的质量要求逐渐严格，而且多样化，因而强烈希望开发出具有更优良特性的钢。钢中粗大的夹杂物，尤其是高熔点且硬度较高的氧化铝类夹杂物是影响钢材性能的主要因素之一，随着冶金技术的发展，钢的洁净度不断得到提高，钢中夹杂物的尺寸逐渐呈现超细化的趋势。

众所周知，目前炼钢时为了降低钢中的氧含量，几乎都采用铝终脱氧，由于钢液中没有大量弥散分布的超细形核质点，钢中氧和铝反应后生成的氧化铝只能以少量形核质点析出，此种情况夹杂物易于长大，因此钢中存在粗大氧化铝类(Al₂O₃)夹杂物。该类夹杂物是帘线钢等线材的断线的主要原因，在轴承钢等棒钢中成为转动疲劳特性恶化的主要原因，也是薄钢板制罐时产生裂纹的主要原因。因此，为了减轻氧化铝夹杂物对钢材的不利影响，要求氧化铝类夹杂物足够细小，从而使之无害化，目前，熔炼铝脱氧钢过程中，避免钢中产生粗大氧化铝夹杂主要采用两种方法。

一种方法是在炼钢的脱氧过程中，采用Al、Ca、Mg和REM(稀土金属)进行复合脱氧，脱氧后形成的氧化铝系复合夹杂物不易团聚长大，最终得到无粗大氧化铝夹杂的钢。如《无聚集的铝镇静钢的制造方法》(申请号：97190250.X，公开号：CN1185813A)。该发明中，作为脱氧剂向钢水中添加Ca、Mg和REM中选择的2种以上元素和Al的合金，通过生成Al₂O₃含量为30％～50％(质量％)的复合夹杂物，防止夹杂物团聚，得到无氧化铝聚集的铝镇静钢。又如《氧化铝团簇少的钢材》(申请号：03820000.7，公开号：CN1678761A)。该发明中，采用Al脱氧后，添加Ce、La、Pr和Nd的1种或者2种或其以上的稀土类元素(REM)，通过生成REM氧化物含量为0.5～15质量％的复合夹杂物，避免粗大氧化铝夹杂物的生成。上述方法中，脱氧过程控制较为复杂，需要精确控制复合夹杂物中的REM氧化物或Al₂O₃的含量，否则实施效果较差，另一方面由于钢中氧化物的生成与钢中的自由氧含量密切相关，因此控制夹杂物组分含量的同时需要精确控制钢中自由氧含量，但在工业生产中，精确控制钢中自由氧含量的相当困难的。

另一种方法是通过将纳米Al₂O₃颗粒与辅助原料混合进行预分散，然后压制成合适大小的颗粒，然后将其加入到钢液中，Al₂O₃纳米粉的平均粒径为80～100nm。见《高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究》(钢铁研究学报，2007年第29卷第6期)。加入到钢中Al₂O₃纳米增加了钢中的外来固体核心，初生的夹杂物与固体核心复合，使夹杂物尺寸变小，在熔体中弥散分布。但是由于纳米颗粒具有比表面积大、活性高、易团聚、体积密度小等特点，因此该方法在预分散过程中很难避免纳米Al₂O₃团聚的发生。此外由于1823K时Al₂O₃与钢液的接触角高达141°，显然纳米Al₂O₃很难进入到钢液中，因此，此种方法的纳米Al₂O₃的收得率较低。故未见工业应用报道。

如上所述，将钢中氧化铝夹杂物细化的方法应用于钢铁工艺中，还有许多未解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种细化铝终脱氧低碳钢中氧化铝夹杂物的中间体及使用方法，通过将氧化还原反应生成的超细氧化铝粒子瞬间加入到钢液中，增加了钢液中的外来固体核心，初生的氧化铝夹杂物与加入的氧化铝核心复合，避免氧化铝夹杂物过度长大，使氧化铝夹杂物尺寸变小，在熔体中弥散分布，从而提高钢材的使用性能。

本发明的基本思想在于细化在炼钢过程中形成的粗大氧化铝夹杂物，并尽可能使细化的夹杂物均匀的分散在钢中，以避免夹杂物对钢材质量带来不利影响。钢中粒子越小弥散程度越高，其对钢组织的细化作用就越强；否则，钢中粒子越大、弥散程度越差，就变成了有害的夹杂物。

本发明中间体中包含质量百分比为30％～50％的三氧化二铁粉，10％～20％的铝粉，其余为铁粉，所有的粉料粒度介于120目～400目之间。

本发明的主要技术方案是：

1)中间体的制备

(1)按以下的质量百分比加入以下原料：三氧化二铁粉30％～50％，铝粉10％～20％，其余为铁粉。

(2)将原料粉末在混料机中进行机械混合。

(3)混合均匀的粉末中加入粘结剂，粘结剂的比例为粉末质量的2％～4％。

(4)将粘结料放入模具内压制成型，压制压力为40Mpa～60Mpa。

(5)对中间体进行脱脂处理以除去粘结剂介质。

(6)中间体毛坯烘干，中间体毛坯干燥1.5～4小时，烘烤温度120℃～600℃，待用。

脱脂处理萃取介质为二氯甲烷和CCl₄中的一种，萃取时间1～2小时；

2)中间体的加入方法，其添加工艺方法包括以下步骤：

(1)在钢液加铝脱氧前的2～5min，将成型后中间体加入钢液，搅拌，以使中间体反应物与钢液混合均匀，中间体加入量为钢液质量的0.1％～0.5％；

(2)浇铸钢液使之凝固，凝固组织中的氧化铝夹杂物平均粒径为1.5μm以下。

上述中间体的制备工艺中，步骤(1)所述三氧化二铁粉、铝粉和铁粉的粒度大于120目，是为了一方面可提高粉体之间的接触面积，使粉体在短时间内反应完全，另一方面可保证反应后生成超细氧化铝。粒度小于400目，则是为了降低加工成本；中间体中三氧化二铁粉和铝粉质量百分比为分别为30％～50％和10％～20％，是为了保证三氧化二铁粉和铝粉可充分反应，中间体加入钢液后保证钢液成分不因加中间体而改变。中间体中配加的铁粉在中间体反应后即为熔融铁液，可作为超细氧化铝的载体，氧化铝会随着熔融铁液进入到钢液中；步骤(2)中的混合时间为2小时以上，保证充分混匀，混合时间不超过4小时，避免人力及物力消耗；步骤(3)中所述粘结剂的成分为石蜡或者硬脂酸锌(与石蜡一样，指明一种具体物质)中的至少一种，可保证中间体易于加工成型，成型后粘结剂易于去除；步骤(4)中的压制可以采用普通型压制，压制压力为40Mpa～60Mpa，压力大于40Mpa是为了保证中间体有足够的强度，压力小于60Mpa是为了防止压力过大而导致压块脱模困难和脱模后压块破裂。压块尺寸介于5～40mm之间；步骤(5)中脱脂处理的萃取介质为二氯甲烷和CCl₄中的一种，萃取时间1～2小时；步骤(6)中间体毛坯干燥1.5～4小时，烘烤温度高于120℃，但低于600℃，防止中间体在烘烤过程中反应。

本发明的中间体可广泛应用于电炉和转炉炼钢生产过程，由于中间体中已含有超细三氧化二铁粉和铝粉，因此，当中间体与钢液接触瞬间，由于钢液温度较高(1540℃以上)，中间体中的铝可直接与三氧化二铁反应，生成超细氧化铝。由于该反应为放热反应，因而反应后可自发进行，反应产物为包含超细氧化铝的熔融态铁液，所以氧化铝会很容易随着熔融态铁液进入到钢液中，从而提高钢液中超细氧化铝的含量。该中间体可在钢液加铝脱氧前加入。

中间体加入的工艺过程中，步骤(1)中间体以块状或者粒状添加，添加过程可以手工加入，加入量比较多时，可以采用机械加入法，机械加入方法可采用溜槽加入；中间体加入时机在钢液加铝脱氧前2～5min加入，是为了既保证加入的氧化铝颗粒在钢液中均匀分布，又为了保证所加入的氧化铝颗粒不过分长大，增强细化氧化铝夹杂物的效果；中间体加入量为钢液质量的0.1％～0.5％，若加入量低于钢液质量的0.1％，则钢液中外加的超细氧化铝核心数量少，细化效果不明显。若加入量高于钢液质量的0.5％，则会造成钢液中外加的超细氧化铝颗粒聚集长大。加中间体后，钢液的搅拌可以吹氩搅拌，也可以是电磁或机械搅拌，或者是依靠出钢时钢流冲击搅拌。

步骤(2)中所涉及的钢液浇铸，可以是连铸，也可以是模铸。

本发明的优点及效果在于，

(1)工艺简单、成本低；

(2)采用本发明避免了直接向钢液加入氧化铝颗粒，其收得率非常低和容易发生“团聚”的问题，改善了金属与非金属之间的润湿性而且保证了氧化铝颗粒在钢中的稳定收得率。

(3)由于该中间体与钢液接触后的反应为放热反应，因此，中间体加入后可以保证不因添加辅料所造成钢液温度降低，避免了能量损失。

(4)钢液加入中间体后，可将钢的凝固组织中夹杂物平均粒径控制在1.5μm以下，这种细化的氧化铝夹杂物改善了钢的力学性能和表面质量。

具体实施方式

下面以采用高温电阻炉和感应炉添加中间体为例，具体对本发明进行说明；

实施例1：

按质量比例称取120目铁粉、铝粉和三氧化二铁粉，其中铝粉比例为总重的10％，三氧化二铁粉比例为总重的30％，其余为铁粉。将原料粉末在混料机中进行机械混合，混合时间为2小时，然后加入总质量的3％的硬脂酸锌将粉末粘结起来。将混合料放入模具内压制成尺寸为Φ30×10mm中间体毛坯，压制压力为40MPa。在脱脂槽中对中间体毛坯进行脱脂处理，除去粘结剂介质。萃取介质为CCl₄，萃取时间1小时，中间体出槽后干燥1小时，待用。

在电阻炉进行中间体加入试验，将1000g钢料入炉，然后升温，钢水温度调整至1550℃，成分调整为C 0.03％，Si 0.30％，Mn 1.45％，P0.010％，S 0.006％。然后向钢水中加入中间体3g，用石英棒搅拌3分钟后，加铝进行终脱氧，反应均匀后将钢液浇铸在钢锭模内，钢锭上取样进行成分分析。结果为C 0.03％，Si 0.28，Mn1.39％，P 0.010％，S0.007％，Al 0.028％。

在铸锭上取样后观察夹杂物的形态、分布。钢中夹杂物的平均粒径为1.45μm，夹杂物成球形或不规则形状，经能谱分析，这些夹杂物主要含有Al和O元素，证明该夹杂物为氧化铝。

实施例2：

按质量比例称取200目铁粉、铝粉和三氧化二铁粉，其中铝粉比例为总重的18％，三氧化二铁粉比例为总重的50％，其余为铁粉。将原料粉末在混料机中进行机械混合，混合时间为2.5小时，然后加入总质量的4％的硬脂酸锌将粉末粘结起来。将混合料放入模具内压制成尺寸为Φ30×10mm中间体毛坯，压制压力为60MPa。在脱脂槽中对中间体毛坯进行脱脂处理，除去粘结剂介质。萃取介质为CCl₄，萃取时间2小时，中间体出槽后干燥2.5小时，待用。

在50kg感应炉进行中间体添加试验，将50kg钢料入炉，然后升温，钢水温度调整至1600℃，成分调整为C 0.01％，Si 0.25％，Mn 1.10％，P 0.010％，S 0.008％。然后向钢水中添加中间体200g，感应炉继续通电，靠感应炉自身对钢液的搅拌作用，进行电磁搅拌5分钟后，加铝进行终脱氧，反应均匀后将钢液浇铸在钢锭模内，钢锭上取样进行成分分析。结果为C 0.01％，Si 0.21，Mn1.01％，P 0.011％，S 0.007％，Al 0.025％。

在铸锭上取样后观察夹杂物的形态、分布。钢中夹杂物的平均粒径为1.33μm，夹杂物成球形或不规则形状，经能谱分析，这些夹杂物主要含有Al和O元素，证明该夹杂物为氧化铝。这种粒度的氧化铝对钢的性能没有不良影响，改善了钢的力学性能和表面质量。

比较例：

在200kg感应炉进行试验，不添加本发明的中间体，只添加一般炼钢合金。将200kg钢料入炉，然后升温，钢水温度1578℃，成分调整为C 0.009％，Si 0.30％，Mn 1.45％，P 0.010％，S 0.005％，Al0.033％，其余杂质元素含量均比较低。

在铸锭上取样后观察夹杂物的形态、分布。钢中夹杂物的平均粒径为3.38μm，夹杂物成球形和不规则形状。

其它实施例见下表：

通过上述的实施例证明，在炼钢过程加入本发明的中间体，可细化钢中氧化铝夹杂物，氧化铝夹杂物的平均粒径可控制在1.5μm以下。

Claims

1.一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体，其特征在于，所述中间体中的成分，质量百分比为30％～50％的三氧化二铁粉，10％～20％的铝粉，其余为铁粉，所有的粉料粒度介于120目～400目之间。

2.一种权利要求1所述的细化钢中氧化铝夹杂物的中间体的制备方法，其特征在于，

(1)按比例选取中间体原料；

(2)将原料粉末在混料机中进行机械混合；

(3)混合均匀的粉末中加入粘结剂，粘结剂的比例为体粉末质量的2％～4％；

(4)将粘结料放入模具内压制成型，压制压力为40Mpa～60Mpa；

(5)对中间体采用萃取方法进行脱脂处理以除去粘结剂介质，萃取时间1～2小时；

3.根据权利要求2所述的一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂为石蜡或者硬脂酸锌中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的一种细化钢中氧化铝夹杂物的中间体的制备方法，其特征在于，脱脂处理萃取介质为二氯甲烷和CCl₄中的一种。

5.一种权利要求1所述的细化钢中氧化铝夹杂物的中间体的使用方法，其添加工艺方法为：

在钢液加铝脱氧前的2～5min，将中间体加入钢液，搅拌，以使中间体反应物与钢液混合均匀，中间体加入量为钢液质量的0.1％～0.5％。