CN102605143A - 一种铝镁钙合金及其在控制不锈钢夹杂物中的应用 - Google Patents

Abstract

一种铝镁钙合金及其在控制不锈钢夹杂物中的应用。本发明涉及一种用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其按重量百分比计的含量为：Al：60.0-80.0％，Mg：8.0-18.0％，Ca：10.0-20.0％，其余为任选的铁及不可避免的杂质。在用硅、铝对不锈钢脱氧后，加入所述铝镁钙合金对钢水进行深脱氧、脱硫和夹杂物变性处理。采用本发明的铝镁钙合金对不锈钢，特别是430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，可以对钢水进行深脱氧、深脱硫，使钢中的硫含量降低，使钢中形成的氧化物夹杂的总量降低，且形成复合夹杂，其尺寸细小并弥散分布于钢水中，提高钢的洁净度，达到提高钢质量和改善钢性能的目的。该技术对环境无不良影响。

Description

一种铝镁钙合金及其在控制不锈钢夹杂物中的应用

技术领域

本发明涉及一种合金，特别是涉及铝镁钙合金及其在控制不锈钢夹杂物中的应用。

背景技术

430不锈钢是铁素体不锈钢的基本钢种，具有优良的深冲性能，有很强的耐腐蚀性和耐氧化性，产品外观光亮度好。其主要用途包括家电部件表面、餐具、建筑内装饰用、洗涤槽、洗衣机内桶等。

在430不锈钢的炼钢过程中，一般采用硅脱氧工艺，也有采取硅和少量铝脱氧的工艺。430不锈钢铸坯中的夹杂物以钙铝硅酸盐复合夹杂物为主，还有少量的锰铝硅酸盐复合夹杂物。其中包括SiO₂、Al₂O₃、CaO、MnO、MgO、Cr₂O₃、TiO₂等。采用Si、Al脱氧的430不锈钢，钢中大部分为SiO₂夹杂、粗大的以及簇状Al₂O₃夹杂等，尺寸在5-10μm左右，极少部分夹杂物尺寸甚至超过30μm。

炼钢温度下，镁(Mg)、钙(Ca)不仅与氧、硫具有极好的亲和力，而且还具有极强的对夹杂物形态、组成、尺寸的控制能力。对于铝脱氧钢，镁处理在进一步降低钢中溶解氧以及硫含量的同时，可以将钢中的Al₂O₃夹杂变为高熔点的MgO·Al₂O₃，由于其在钢水中以固态存在，没有聚合长大的过程，因此，其氧化物夹杂的尺寸非常细小，弥散分布于钢水中。钢中存在的MgO·Al₂O₃夹杂尺寸可以控制在5μm以内，对钢的力学性能影响不大。而钙也可以达到降低钢中溶解氧以及硫含量、使钢中夹杂物变性成为复合夹杂物的目的，同样对不锈钢中夹杂物的控制和钢性能改善有利。

通过铝镁钙合金对430不锈钢进行脱氧和夹杂物变性处理，使得钢中夹杂物达到无害化的目的，是提高不锈钢质量、改善不锈钢的耐点腐蚀性能和机械性能等的有效途径。

发明内容

本发明针对430不锈钢脱氧工艺，开发了一种铝镁钙合金，对430不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，降低不锈钢中自由氧、硫含量，使得不锈钢中夹杂物尺寸明显降低，达到夹杂物无害化的目的，能有效提高不锈钢质量、改善不锈钢的性能。

在不锈钢的冶炼过程中，主要采用Si作为脱氧剂对钢水进行脱氧处理，有些不锈钢也采用Al作为脱氧剂，其主要反应为：

[Si]+2[O]＝(SiO₂)                     (1)

2[Al]+3[O]＝(Al₂O₃)                   (2)

6[Al]+2[Si]+13[O]＝(3Al₂O₃·2SiO₂)    (3)

由于不锈钢冶炼过程中耐火材料以及辅助材料含有部分MgO，MgO被脱氧剂Al还原生成溶解于钢液中的[Mg]，也会发生如下反应：

[Mg]+[O]＝(MgO)                                   (4)

[Mg]+2[Al]+4[O]＝(MgO·Al₂O₃)                     (5)

2[Mg]+[Si]+4[O]＝(2MgO·SiO₂)                     (6)

2[Mg]+4[Al]+5[Si]+18[O]＝(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)    (7)

钢水脱氧后形成SiO₂、Al₂O₃、MgO、MgO·Al₂O₃、2MgO·SiO₂、3Al₂O₃·2SiO₂等产物，是钢中夹杂物的主要来源。其形貌、尺寸、组成等对钢的质量和性能会产生影响。特别是尺寸较大的夹杂物对钢质量的影响更为显著。

炼钢温度下，镁(Mg)、钙(Ca)不仅与氧、硫具有极好的亲和力，而且还具有很强的对夹杂物形态与尺寸的控制能力。对于硅、铝脱氧的不锈钢，采用镁、钙处理在进一步降低钢中溶解氧、硫含量的同时，可以将钢中的Al₂O₃夹杂变为高熔点的MgO·Al₂O₃夹杂物以及mCaO·nSiO₂、mCaO·nAl₂O₃复合夹杂物等，减少固态夹杂物的聚合长大，使得低熔点的液态夹杂物易于上浮去除。钙、铝、硅与钢中自由氧的反应如反应(6)、(7)所示，而钙和铝、硅与钢中自由氧的反应如下：

m[Ca]+n[Si]+(m+2n)[O]＝(mCaO·nSiO₂)      (8)

m[Ca]+2n[Al]+(m+3n)[O]＝(mCaO·nAl₂O₃)    (9)

钢中镁、钙与硫的反应如下：

[Mg]+[S]＝(MgS)        (10)

[Ca]+[S]＝(CaS)        (11)

因此，通过铝镁钙合金对430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，可以使钢中形成的氧化物夹杂的总量降低、钢中的硫含量降低，钢中夹杂物形成复合夹杂物，且尺寸细小并弥散分布于钢水中，达到提高钢质量和改善钢性能的目的。

为了实现上述目的，本发明的铝镁钙合金的重量百分比化学组成为Al：60.0-80.0％，Mg：8.0-18.0％，Ca：10.0-20.0％，其余为任选的Fe和制备过程中不可避免带入的少量杂质如Si、C等元素。

优选地，本发明的铝镁钙合金的粒度为5-30mm。

优选地，上述铝镁钙合金中不含铁。

本发明的铝镁钙合金中可以含有铁，但铁含量越低越好。有利地，控制铁含量在25％以下，更优选在20％以下。

在用硅、铝等对430类不锈钢脱氧后，加入铝镁钙合金对钢水进行深脱氧、脱硫和夹杂物变性处理。加入量为0.5-1.2kg/t，可以达到很好的效果。该铝镁钙合金的粒度范围为5-30mm，对其形状没有特别限制，可以是球状、圆柱状或者颗粒状均可满足要求。

本发明的铝镁钙合金中的铝主要起对430类不锈钢钢水深脱氧的目的，进一步降低钢水中的自由氧，其含量控制在60-80％。过高的铝含量则形成过多的Al₂O₃夹杂物，对钢的性能不利；过低的铝含量则达不到对钢水深脱氧的目的。铝镁钙合金中的镁主要起对钢水进一步深脱氧、脱硫，因为Mg与钢中硫的结合力更强，容易对钢水进一步脱硫。Mg对钢水脱氧会形成细小的MgO·Al₂O₃夹杂物，该夹杂物难以聚集长大，适当尺寸的MgO·Al₂O₃尖晶石为基的复合夹杂物对提高钢质量、改善钢的性能有利。铝镁钙合金中的镁含量控制在8-18％。过高的镁含量则形成过多的MgO·Al₂O₃夹杂物，致使该夹杂物部分聚集，危害钢的性能；过低的镁含量则达不到对钢水脱硫和钢中夹杂物变性的目的，使得钢中的硫含量偏高、钢中Al₂O₃夹杂物偏多。铝镁钙合金中的钙主要起对钢水进一步深脱氧、脱硫并形成低熔点的mCaO·nSiO₂、mCaO·nAl₂O₃等复合夹杂物，该类夹杂物在液态下易于聚集上浮而去除。铝镁钙合金中的钙含量控制在10-20％。过高的钙含量会使钙的作用效率降低，在高温下由于钙具有高的蒸汽压使得钙容易挥发掉，达不到对钢中夹杂物变性的效果，且易于形成铝酸钙点状夹杂物，危害钢的性能；过低的钙含量会影响钢水的脱硫效果，也难以达到对钢中夹杂物变性的目的。

合金的制备主要通过铝热法在真空下还原CaO、MgO形成合金中的Ca、Mg组成，再在制备的钙镁合金中通过金属铝或铝铁(含Al 50％以上，其余为Fe和少量Si、C等杂质)配入本发明要求的Al含量，熔化后形成本发明所需要的铝钙镁合金。由于Al、Ca、Mg三种合金能够完全互熔，形成的铝钙镁合金成分均匀，能满足本发明对不锈钢夹杂物控制的要求。铝热法还原CaO、MgO形成Ca、Mg的反应如下：

Al+CaO＝[Ca]+Al₂O₃        (12)

Al+MgO＝[Mg]+Al₂O₃        (13)

根据本发明的优选方式，采用粒度≤0.25mm的CaCO₃和MgCO₃粉剂，其中CaCO₃和MgCO₃在高温下分解产生CaO和MgO，其反应分别为CaCO₃＝CaO+CO₂，MgCO₃＝MgO+CO₂。根据需要选择两者的比例，混合均匀后再向混合物中加入CaCO₃和MgCO₃粉剂总重量一半左右的粒度≤0.25mm的金属Al粉，混合均匀后加入石墨坩埚中，放入能达到500Pa下真空度的真空感应炉中，升温至1000℃左右，可以制造Ca和Mg含量满足本发明要求的钙镁合金，然后用制备好的钙镁合金和金属Al以一定比例混合，真空下熔化后冷却即可成为所需要的铝镁钙合金，接着破碎成5-30mm的粒度尺寸。

根据本发明的更优选方式，采用0.1-0.25mm的CaCO₃和MgCO₃粉剂。

不同Al、Mg、Ca含量的铝镁钙合金可以通过此方法获得，只需要调整其中的CaCO₃和MgCO₃的比例以及钙镁合金和金属Al混合的比例，就可以得到不同组成的铝镁钙合金。

采用本发明的铝镁钙合金对不锈钢，特别是430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，可以对钢水进行深脱氧、深脱硫，使钢中的硫含量降低，使钢中形成的氧化物夹杂的总量降低，且形成复合夹杂，其尺寸细小并弥散分布于钢水中，提高钢的洁净度，达到提高钢质量和改善钢性能的目的。该技术对环境无不良影响。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的铝镁钙合金进行较为详细的说明。

制备例1：合金的制备：

采用粒度0.1-0.25mm的CaCO₃和MgCO₃粉剂，其中CaCO₃和MgCO₃(高温下分解产生CaO和MgO，其反应分别为CaCO₃＝CaO+CO₂，MgCO₃＝MgO+CO₂)的比例为1∶1，混合均匀后再向混合物中加入CaCO₃和MgCO₃粉剂总重量一半0.1-0.25mm的金属Al粉，混合均匀后加入石墨坩埚中，放入能达到500Pa以下真空度的真空感应炉中，升温至1000℃左右，可以制造Ca和Mg含量各占50％的钙镁合金，然后用制备好的钙镁合金和金属Al混合，比例为1∶4，真空下熔化后冷却即可成为所需要的铝镁钙合金，其Al、Mg、Ca含量分别为80％、10％、10％，破碎成需要的粒度尺寸，能够满足本发明对不锈钢夹杂物控制的需要。

不同Al、Mg、Ca含量的铝镁钙合金可以通过此方法获得，只需要调整其中的CaCO₃和MgCO₃的比例以及钙镁合金和金属Al混合的比例，就可以得到不同组成的铝镁钙合金。

实施例1-4

分别采用四种组成的铝镁钙合金对430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，其组成及使用效果如表1所示。

表1本发明实施例的组成及控制夹杂效果

由表1可见，采用铝镁钙合金对430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，钢中硫含量可以达到0.0020％以下，钢中夹杂物总量可以达到0.0035％以下，钢中夹杂物的平均尺寸均在1.5μm以下。钢中夹杂物的主要类型为MgO·Al₂O₃、nCaO·mAl₂O₃、CaO·SiO₂等复合夹杂物，钢中大颗粒的Al₂O₃等脆性的夹杂物很少，对提高钢水质量有利。

综上所述，采用本发明的铝镁钙合金可以对430类不锈钢进行脱氧、脱硫和夹杂物变性处理，可以明显降低此类不锈钢中的硫含量和夹杂物总量，使钢中夹杂物形成MgO·Al₂O₃、nCaO·mAl₂O₃、CaO·SiO₂等复合夹杂物且弥散分布，其平均直径明显降低。对提高钢质量和改善钢的性能非常有利。对环境无不良影响。该铝镁钙合金对不锈钢炼钢生产具有推广应用价值。

Claims (10)

1.一种用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其按重量百分比计的含量为：Al：60.0-80.0％，Mg：8.0-18.0％，Ca：10.0-20.0％，其余为任选的铁及不可避免的杂质。

2.一种用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其按重量百分比计的含量为：Al：60.0-80.0％，Mg：8.0-18.0％，Ca：10.0-20.0％，其余为不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其特征在于，所述的铝镁钙合金的粒度为5-30mm。

4.如权利要求1-3任一所述的用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其特征在于，所述的铝镁钙合金为球状、圆柱状或者颗粒状。

5.如权利要求1-4任一所述的用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其特征在于，所述铝镁钙合金含铁时，铁含量为25％以下。

6.如权利要求5所述的用于控制不锈钢中夹杂物的铝镁钙合金，其特征在于，铁含量为20％以下。

7.如权利要求1-6任一所述的铝镁钙合金在控制不锈钢夹杂物中的应用。

8.如权利要求7所述的铝镁钙合金在控制不锈钢夹杂物中的应用，其特征在于，所述铝镁钙合金在钢中的加入量为0.5-1.2kg/t。

9.如权利要求7或8所述的铝镁钙合金在控制不锈钢夹杂物中的应用，其特征在于，所述不锈钢是430不锈钢。

10.如权利要求7-9任一所述的铝镁钙合金在控制不锈钢夹杂物中的应用，其特征在于，在用硅和/或铝对不锈钢脱氧后，加入所述铝镁钙合金对钢水进行深脱氧、脱硫和夹杂物变性处理。