CN103233095A - 一种复合脱氧剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金领域，公开了一种复合脱氧剂，含有锰、铝、硅的合金，其中锰的含量为16～20%，硅的含量为8～10%，铝的含量为8～10%。这种复合脱氧剂可用于钢水预脱氧和净化，形成的脱氧产物夹杂物颗粒的粒径大、比重轻，上浮速度明显加快，易于上浮进入钢渣中，使得钢水得到净化。这种复合脱氧剂不仅脱氧效果好，而且脱氧后形成的夹杂物在钢水中残留显著降低，产品纯净度高，从而满足客户对高质量高标准钢材的要求。能起到提高产品质量、净化钢水的作用。

Description

一种复合脱氧剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及冶金领域和金属加工领域，具体为一种用以提高产品质量、净化钢水的复合脱氧剂。

背景技术

在钢铁合金冶炼过程中，在炼钢阶段将原料熔化为钢水，然后；在氧化期过程中，需加入氧化剂（如吹入氧气、或加入铁矿石即氧化铁FeO）以氧化其中的碳、及去除有害的磷等杂质和气体。在通常情况下，需要加入过量的氧化剂，以达到脱碳、脱磷、除去有害杂质和气体（如氢和氮）的目的，因此会形成氧化夹杂物（以FeO为主）。氧化夹杂物对钢质有害，造成所得到的钢铁容易发生热脆等。通常需要再加入脱氧剂进行脱氧处理，即钢铁冶炼中的还原期。

脱氧剂的种类有很多，常用的有硅铁、锰铁、硅锰合金、铝等，以及用作脱氧剂和合金化材料的有铌铁、钒铁、钛铁等。

在电弧炉及钢包精炼炉（LF炉）中进行的脱氧处理工艺主要有沉淀脱氧和扩散脱氧。

沉淀脱氧：向钢水中直接加入脱氧的合金材料，使之形成氧化物；该氧化物上浮进入钢渣。这种方法脱氧速度快，但是产生的夹杂物较多，且夹杂物混合在钢水中不易上浮于渣中，因此较难去除。一般在沉淀脱氧前会在钢水中加入少量萤石（CaF₂，用量一般为钢水量的1%）、石灰（即氧化钙，用量一般为钢水量的2%）等造渣材料制造漂浮在钢水表面的渣中，用于吸附钢水中的夹杂物。

扩散脱氧：在钢渣中氧化铁的含量较高，可向钢渣中加入碳粉、硅粉、硅钙粉、铝粉等还原剂，用于还原钢渣，使钢渣中的FeO含量降低，有利于钢水中的氧扩散到钢渣中。

沉淀脱氧过程中，常用的脱氧剂材料有锰铁、硅铁、硅锰铁和铝，这几种材料的价格较低。一般情况下，脱氧剂折合为硅、锰和铝元素，与钢水的用量比为0.17%～0.37%、0.3%～0.6%和0.05%～0.10%。现有的工艺中，脱氧剂锰铁、硅铁、硅锰铁和铝分别加入钢水中进行反应；根据对氧亲和力的强弱，加入顺序为锰铁、硅铁、硅锰铁和铝，由于锰与氧的亲和力弱，需要反应较长的时间，因此最先加入；铝较为活泼，反应时间较短。由于钢水的温度一般在1600℃左右，在冶炼过程中分别单独加入上述脱氧剂，就不能形成低熔点、比重轻的液态大颗粒（Al₂O₃、SiO₂和MnO的熔点分别为2050℃、1713℃和1785℃，高于钢水温度），这些脱氧产物在钢水中以固体状存在，混合在钢水中，难以上浮以脱离钢水进入钢渣。

因此，需要对现有工艺加以改进，使脱氧剂能够形成比重轻、熔点低、颗粒大的脱氧产物，以便脱离钢液上浮于钢渣中，从而使钢液得到净化。

由于没有找到良好的脱氧剂材料，其脱氧均采用常规的脱氧剂，如锰铁、硅铁、铝分别单独进行脱氧。这样无法使钢液获得进一步净化，因而难以达到和满足客户对特殊重要产品技术质量的要求，如用于制造泵头体材料的E4330V钢要求杂物A、B、C、D均≤1.5级，超声波探伤按照JB/T15000（机械部标准）115-98的I级标准，Φ≤1.6mm，另外用于制造化工设备上的耐腐蚀的管板Φ1.8M×δ250mm；材料08Cr2Mo1Al要求探伤标准达到JB/T4730.3-2005的II级。采用现有常规脱氧剂均难全部达到和满足其要求。因此，需要克服上述难题，从而确保国家各重点工程项目对产品的高倍夹杂和探伤高水准的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种净化钢水的脱氧剂。

本发明还提供了上述脱氧剂的制备方法和应用。

技术方案为：一种复合脱氧剂，是含有硅、锰、铝的合金，其中锰的含量为16～20%，硅的含量为8～10%，铝的含量为8～10%，均为重量百分比。其中硫和磷的重量百分比均不超过0.05%，碳的重量百分比≤0.5%。

优选的，所述复合脱氧剂锰、硅和铝的重量比为1.9～2.05：0.95～1.05：1；更优选的，所述复合脱氧剂中，锰的含量为18%，硅的含量为9%，铝的含量为9%。

上述复合脱氧剂的制备方法包括如下步骤：

（1）按锰、硅和铝的配比混合锰铁、硅铁、铝和洁净的低碳钢；所述的锰铁中锰的含量为70%～80%，硅铁中硅的含量为45%～75%，低碳钢的铁含量≥95%，碳含量≤0.2%，硫和磷的含量≤0.05%，均为重量百分比；

（2）将步骤（1）混合后的原料熔化后，在1350～1400℃下进行冶炼，冶炼的时间为0.5～1小时，再浇注成型。

这种复合脱氧剂可用于钢水作预脱氧和进行脱氧，脱氧效果好，而且夹杂物在钢水中的残留很少，使钢水更为纯净。复合脱氧剂与钢水的用量比为2～6kg/吨，优选为4～5kg/吨。

本发明所提供的含硅、锰和铝的复合脱氧剂，进行脱氧后所形成的脱氧产物熔点远低于1270℃，且生成的脱氧产物夹杂物颗粒的粒径大、比重轻，易于上浮于钢渣中，

根据斯托克原理，脱氧产物的上浮速度v计算公式为：

V=2/9×g×（P₀-P₁）/η×r²

其中，P₀和P₁分别为钢水和脱氧产物的比重（kg/m³），η为钢水粘度，g为重力加速度9.8m/s²，r为脱氧产物颗粒的半径。

由此可见，r对于v的影响最大；在P₀、P₁、η、g均确定为常数的情况下，上浮速度v取决于脱氧物的颗粒半径。

因此，本发明含硅、锰和铝的复合脱氧剂，加入钢水进行脱氧后所形成的脱氧产物熔点远低于1270℃，在钢水中存在的形式为易团聚的液体颗粒，容易上升到钢水表层的浮渣中，而不是悬浮于钢水中的细碎粉末状固体颗粒；脱氧产物夹杂物颗粒的粒径大、比重轻，上浮速度明显加快，易于上浮进入钢渣中，使得钢水得到净化。这种复合脱氧剂不仅脱氧效果好，而且脱氧后形成的夹杂物在钢水中残留显著降低，产品纯净度高，从而满足客户对高质量高标准钢材的要求。通过该复合脱氧剂出来的钢锭，其质量甚至可以与经过电渣重熔的钢锭媲美。

具体实施方式

实施例1制备脱氧剂

设备：250kg中频炉

备料：低碳锰钢54kg（其中锰的含量为80wt%，折合为43.2kg锰，碳含量≤0.7wt%）、硅铁30kg（其中硅的含量为72%，折合为21.6kg硅）、铝块22kg（纯度≥98%，折合为21.6kg铝）、洁净的低S.P废钢134kg（铁含量≥95wt%，碳含量≤0.2wt%，硫和磷含量分别≤0.05wt%），冶炼钢水总量为240kg。

将上述原料置于中频炉中，熔化为钢水后，在1380±10℃下继续冶炼0.5～1小时，用铁棒撇去钢水表面浮渣，然后在1380±10℃温度下出炉，倒入钢包中，在1330±10℃温度下浇铸成无冒口的小圆锭40kg×6个，即为复合脱氧剂。

所得到的复合脱氧剂中，按质量比，锰含量为18%，硅和铝的含量为9%，并且碳含量≤0.5wt%，硫和磷含量分别≤0.05wt%。

将这种复合脱氧剂粉碎为粒径1mm的颗粒后在氧气中加热氧化，产物的熔点温度低于1200℃。

实施例2

利用实施例1的复合脱氧剂制备30CrNi2.5MoV（E4330V）

E4330V是用于制造工程机械的泵头体的材料，要求高倍夹杂物A（硫）、B（氧化物）、C（硅酸盐）和D（球状夹杂物）均不超过1.5级（ASTM E45标准）；超声波探伤级别按照JB/T5000.15-98（机械部标准）的I级标准，Φ≤1.6mm，按发电机转子标准要求进行考核。

冶炼方法为：

（1）按配比准备28吨份量的E4330V的原料并进行熔化、氧化的冶炼；

（2）将28吨的钢水倒入30吨的LF炉内，按10kg/吨和6kg/吨的比例，加入氧化钙和萤石。当稀薄渣形成后，取140kg实施例1得到的复合脱氧剂（含25.2kg锰、12.6kg硅和12.6kg铝），破碎成平均粒径50mm左右的小块加入到钢水中，并在钢渣表面分3次，按1.5～2.5kg/吨和2～3kg/吨的用量，加入碳粉和AD粉（含有12wt%～15wt%铝，其余为Al₂O₃），1600±10℃下精炼1～2小时，同时利用LF炉底吹氩气搅拌，以更好地促使夹杂物聚合，使氧化夹杂物更容易上浮于渣中，从而使钢水得到进一步净化提纯。

再迅速将温度升至1650℃以上，然后将钢包移至脱气工位，进行真空脱气（除气）处理，在真空度为4～67pa的状态下处理25分钟，从而使钢水中氢气、氮气等杂质气体脱除，使钢水获得更好的净化提纯，以满足客户对质量更高的要求。

上述所得到的20炉成品中，高倍夹杂物ABCD均未超过1.5级，其中D夹杂物最大直径不超过20μm。超声波探伤级别完全符合JB/T5000.15-98的I级标准，Φ≤1.6mm。

采用复合脱氧剂处理后，与现有的方法相比，减少了电渣重熔工序，不仅大大降低成本，而且产品质量好。

对照例2

用现有技术的方法和常规脱氧剂进行脱氧，制备E4330V：

步骤（1）同实施例2。步骤（2）中，取31.5kg锰铁破碎成50mm左右颗粒（碳含量≤0.7wt%，锰含量80wt%，折合锰25.2kg）加入钢水，0.5小时后取17.5kg硅铁（其中硅的含量为72wt%，折合为12.6kg硅）破碎成50mm左右的颗粒加入钢水中，0.5小时后再将12.8kg铝块破碎成50mm左右颗粒(纯度≥98%，折合为12.6kg铝)加入钢水中，其余操作同实施例2。

除渣后出炉。所得的20炉成品中，高倍夹杂物ABCD无法满足全部不超过1.5级的要求，超声波探伤级别均达不到JB/T5000.15-98的I级标准。

传统方法脱氧和真空脱气处理后，再加上电渣重熔工序，成品中高倍夹杂物ABCD可低于1.5级，超声波探伤级别符合JB/T5000.15-98的I级标准。

实施例3

利用实施例1的复合脱氧剂制备用于化工设备耐中温耐腐蚀管板材料的08Cr2Mo1Al合金钢材

（1）按配比准备28吨份量的08Cr2Mo1A的原料并进行熔化、氧化的冶炼。

（2）将28吨的钢水倒入30吨的LF炉内，按10kg/吨和6kg/吨的比例，加入氧化钙和萤石。

当稀薄渣形成后，取112kg实施例1得到的复合脱氧剂（含20.16kg锰、10.08kg硅和10.08kg铝），破碎成平均粒径50mm左右的小块加入到钢水中，

并在钢渣表面分3次，按4～6kg/吨用量，AD粉（含有12wt%～15wt%铝，其余为Al₂O₃）或硅钙粉，1600±10℃下精炼1～2小时，同时利用LF炉底吹氩气搅拌，以更好地促使夹杂物聚合，使氧化夹杂物更容易上浮于渣中，从而使钢水得到进一步净化提纯。

再迅速将温度升至1650℃以上，然后将钢包移至脱气工位，进行真空脱气（除气）处理，在真空度为4～67pa的状态下处理25分钟，从而使钢水中氢气、氮气等杂质气体脱除，使钢水获得更好的净化提纯，以满足客户对质量更高的要求。

所得到的20炉成品进行无损探伤检测，按JB/T4730.3-2005的II级标准考核，全部合格。

对照例3

用现有技术的方法和常规脱氧剂进行脱氧，制备08Cr2Mo1Al合金钢材：

步骤（1）同实施例3。步骤（2）中，取25.2kg锰铁破碎成50mm左右颗粒（碳含量≤0.7wt%，锰含量90wt%，折合锰20.16kg）加入钢水，0.5小时后取25.11kg硅铁（其中硅的含量为72wt%，折合为10.08kg硅）破碎成50mm左右的颗粒加入钢水中，0.5小时后再取10.29kg铝块(纯度≥98%，折合为10.08kg铝)破碎成50mm左右的颗粒加入钢水中，其余操作同实施例3。除渣后出炉。

对照例3所得的20炉成品中，因Al₂O₃夹杂，无损探伤检测中发现出现裂缝，报废率超过20%。对产品进行EDS分析，其中含大量沿锻造变形方向分布的主要为Al₂O₃夹杂物。分析主要氧化夹杂物质来源于冶炼过程中预脱氧用铝所产生的Al₂O₃夹杂物，在锻造过程中随着锻造发生相应形变，并沿锻造变形方向分布；由于其性能坚硬而脆，与基体完全不同并局部呈密集分布状态，不符合探伤标准。

实施例3方法得到的成品，经EDS分析，其中Al₂O₃大大减少，含量极低。

Claims (10)

1.一种复合脱氧剂，其特征在于，是含有硅、锰、铝的合金，其中锰的含量为16～20%，硅的含量为8～10%，铝的含量为8～10%，均为重量百分比。

2.权利要求1所述复合脱氧剂，其特征在于，锰、硅和铝的重量比为1.9～2.05：0.95～1.05：1。

3.权利要求1所述复合脱氧剂，其特征在于，锰的含量为18%，硅的含量为9%，铝的含量为9%。

4.权利要求1～3任一项所述复合脱氧剂，其特征在于，其中硫和磷的重量百分比量均不超过0.05%，碳含量≤0.5%。

5.权利要求1～4任一项所述复合脱氧剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按锰、硅和铝的配比混合锰铁、硅铁、铝和低碳钢；

（2）将步骤（1）混合后的原料熔化在1350～1400℃下进行冶炼，再浇注成型。

6.权利要求5所述复合脱氧剂的制备方法，其特征在于，所述的锰铁中锰的含量为70%～80%，硅铁中硅的含量为45%～75%，均为重量百分比。

7.权利要求5所述复合脱氧剂的制备方法，其特征在于，所述低碳钢的铁含量≥95%，碳含量≤0.2%，硫和磷的含量≤0.05%

8.权利要求1～4任一项所述复合脱氧剂在钢水预脱氧和净化方面的应用。

9.权利要求8所述复合脱氧剂在钢水预脱氧和净化方面的应用，其特征在于，所述复合脱氧剂与钢水的用量比为2～6kg/吨。

10.权利要求8所述复合脱氧剂在钢水预脱氧和净化方面的应用，其特征在于，所述复合脱氧剂与钢水的用量比为4～5kg/吨。