CN103333991A - 一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金及其制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶炼技术领域，具体涉及到一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金及其制备和使用方法。本发明的铁氧合金中，氧含量为0.01%~5%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质；其制备方法是以将工业纯铁、生铁、废钢或低碳钢装为原料，加热成液态吹入空气或氧气，当溶解氧达到饱和或过饱和时，浇铸成球或块，快速冷却，得到铁氧合金；其使用方法是在大线能量焊接用钢转炉精炼时，测定待调氧位的钢液中溶解氧的质量分数w[O]₀，确定调氧位后钢液的目标溶解氧含量w[O]_T，计算确定达到目标值时所需铁氧合金用量，投入钢液中搅拌即可。本发明的铁氧合金利用率较高，控氧稳定准确，具有简单、快速、精确的优点。

Description

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金及其制备和使用方法

技术领域

本发明属于冶炼技术领域，具体涉及到一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金及其制备和使用方法。

背景技术

钢铁材料是人类使用最为广泛的最重要的结构材料之一，人们对钢铁材料的强韧化技术和理论的研究从未停止。上个世纪30年代提出了材料的理论强度，即将材料制成完全没有宏观缺陷和微观缺陷的晶体，就能达到材料的最大理论强度。因此，洁净钢冶炼曾经是钢铁冶金领域关注热点，各钢铁企业尽可能降低钢液中的O、S等杂质。但是，随着对钢铁材料研究的深入，发现钢中存在合适的第二相，有利于提高钢铁材料的性能。氧化物冶金技术就是通过控制钢中弥散、细小夹杂物含量提高钢材机械性能、特别是提高钢材在经过大线能量焊接后热影响区韧性的一种冶金方法。大线能量焊接用钢是当采用比一般焊接条件高得多的焊接线能量，而不至于引起焊接区韧性显著降低、也不会产生焊接裂纹的钢，主要种类有船板钢、桥梁钢、压力容器钢和管线钢等，与普通钢相比对于强度韧性具有更高要求，因此控制钢液精炼过程中合适的溶解氧的质量分数，成为氧化物冶金技术的一个关键点。

在氧化物冶金技术中，不同的添加剂对钢液溶解氧的质量分数要求不同。在专利JP2001-28859文献中，选择的是Ti、Al和Ca依次脱氧，在添加前钢中氧要控制在(20~80)×10^-6；在日本专利JP1999-236645文献中，选用的Ti、Al和Mg，要求初始氧质量分数小于100×10^-6；文献《含钛低碳洁净钢凝固过程氧化物的析出与长大》（Second International Conference On advanced Structure, 1160~1169）提到，选用Ti时，要求钢液中氧的质量分数为(20~30)×10^-6；在专利CN101985719A文献中，选用的是Si-Ca-Ti-Zr复合脱氧剂，氧的质量分数要求控制在(10~200)×10^-6。正是由于不同的添加剂对钢液中溶解氧的质量分数要求不同，在炼钢过程中添加前不同脱氧剂前，必须实时调整钢液的溶解氧的质量分数达到上述目标值范围。

当钢液中溶解氧不足时，要向钢液中增氧。目前，钢液中增氧方法有：

（1）吹氧法。在专利文献JP8-346026中，为了控制夹杂物的形态，添加脱氧剂后，向镇静的钢液中吹入氧气，吨钢吹氧量为(1~6)×10^-2。此法操作简单，但是控氧精确度不高，溶解氧范围过宽，且仅对熔池局部吹氧造成熔池内氧含量不均匀，有明显的成分偏析，对于氧化物冶金中需要较窄范围氧位的添加剂，不宜使用；

（2）固体离子导体加压引气法。在专利文献JP10-193046中，为了获得弥散细小的夹杂物，利用固体氧离子导体，通过施加电压，将氧气导入钢液中。此法是在低氧状态供氧，在脱氧反应中过饱和度不高，可以抑制粗大夹杂物的生成，但是此法供氧速度太低，在大规模生产的钢铁工艺中，适用性太差；

（3）混合钢水法。在专利文献JP2002-256330中，提到将较高氧的质量分数的钢水与添加脱氧剂的钢水混合，从而得到细小的夹杂物。此法的缺点是难以大量生产具有合适溶解氧钢水；

（4）添铁或锰的氧化物。在专利CN101994054A中，为了调整钢水的溶解氧的质量分数，向钢水中添加FeO、Fe₂O₃、MnO和MnO₂及其混合物。由于氧化物和钢水存在较大密度差，添加过程中氧化物部分上浮，控氧精度不高；另外，含Mn氧化物添加剂可能引起钢水Mn的质量分数的波动。

以上各种调整钢液氧的质量分数的方法，不同程度地存在控氧精度差和适用性差等问题，因此，制备大线能量焊接用钢过程急需一种能简单、快速、精确控制钢中溶解氧的质量分数的方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金及其制备和使用方法，目的是在制备大线能量焊接用钢时，以简单工艺精确并稳定地控制钢液中溶解氧含量。

为实现上述目的，本发明的主要技术方案是：

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.01%~5%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

上述铁氧合金的制备方法按照以下步骤进行：

（1）将工业纯铁、生铁、废钢或低碳钢装入熔炼炉内，通电加热熔化，并持续加热至铁水或钢液液相线温度以上5~100 ℃；

（2）向铁水或钢液中吹入空气或氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，根据溶解氧饱和度与温度的关系式：

                               （1），

其中w[O]代表溶解氧在铁水或钢液中达到饱和的质量分数，T代表铁水或钢液温度，当溶解氧达到饱和或过饱和时，将铁水或钢液浇铸成球或块，快速冷却，得到铁氧合金。

上述制备得到的铁氧合金的使用方法是：

在大线能量焊接用钢冶炼时，测定待调氧位的钢液中溶解氧的质量分数w[O]₀，确定调氧位后钢液的目标溶解氧含量w[O]_T，根据式（2）：

                           （2），

其中，

：铁氧合金添加量；

：钢液质量；

：制得的铁氧合金中氧的质量分数，%；f _O：铁氧合金的收得率，范围是50~98%，这是由于钢液上通常有一层厚厚的钢渣及加入过程底吹氩搅拌强度过大，造成铁氧合金的加入后氧有所损失；

通过式（2）计算，确定达到目标值时所需铁氧合金用量，投入钢液中搅拌即可。

本发明的理论基础是：

（1）高温下FeO与钢液平衡时钢液中溶解氧较高，溶解氧饱和度与温度存在以下关系：

                          （1），

因此，可以在高温下向钢水中吹入氧气或者空气使其过饱和，然后快速浇铸冷却，在大量氧扩散逸出前快速凝固，凝固后，铁氧合金中的氧以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在；

（2）由于FeO密度为5.9×10³ kg/m³，与钢液接近，1873K时铁液6.967×10³ kg/m³，且表面能较小，1673K时0.58 J/m²，FeO易与钢液混合熔炼不被排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

    由于本发明的铁氧合金的基体主要是铁，其密度与钢铁接近，在使用时容易均匀熔于钢水中，从而使钢液中的氧快速均匀地达到目标值，铁氧合金利用率较高，控氧稳定准确，具有简单、快速、精确的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的铁氧合金的扫描电镜图；

图2是本发明实施例1制备的铁氧合金的XRD图；

图3是本发明实施例1制备的铁氧合金的宏观形貌图。

具体的实施方式

本发明实施例中对铁水或钢液含氧量进行测定使用的是钢液测温定氧仪，型号HFB-XDO-100，测量时有配套的测温定氧探头。

实施例1

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.01%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

其扫描电镜图如图1所示，从图1中可以看出FeO弥散分布在铁氧合金中；其XRD图如图2所示，从图2中可以看出有明显的O峰和Fe峰；其宏观形貌图如图3所示，从图3中可以看到明显的气泡。

将10 kg工业纯铁装入20 kg感应炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入空气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到0.1标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.01%。

在实验室熔炼大线能量焊接用船板钢E36的过程中，1 kg钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0050～0.0070％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0018％，因此，需要向钢中增加0.0032～0.0052％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量为0.27~0.50 kg，实际加入0.35 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0065％，满足了船板钢E36加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例2

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.15%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将2t工业纯铁装入3t电炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到100标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.15%。

在A钢厂大线能量焊接用船板钢E36生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0066～0.0074％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0048％，因此，需要向钢中增加0.0018～0.0026％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量

为1260~1830 kg，实际加入1500 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0069％，满足了船板钢E36加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例3

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.37%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将1t工业纯铁装入2t感应炉内，通电加热熔化，并持续加热至1560℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到30标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.37%。

在A钢厂大线能量焊接用船板钢E36生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0056～0.0064％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0040％，因此，需要向钢中增加0.0016～0.0024％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量为440~660 kg，实际加入550 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0059％，满足了船板钢E36加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例4

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.52%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将2t废钢装入3t电炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到80标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.52%。

在B钢厂大线能量焊接用船板钢E36生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0045～0.0060％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0030％，因此，需要向钢中增加0.0015～0.0030％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量

为290~580 kg，实际加入500 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0055％，满足了船板钢E36加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例5

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.50%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将2t工业纯铁装入3t电熔炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到90标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.50%。

在B钢厂大线能量焊接用船板钢E36生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0045～0.0060％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0030％，因此，需要向钢中增加0.0015～0.0030％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量

为300~600 kg，实际加入500 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0054％，满足了船板钢E36加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例6

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为0.29%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将2t工业纯铁装入3t电熔炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到60标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为0.29%。

在C钢厂大线能量焊接用压力容器钢生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0045～0.0065％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0035％，因此，需要向钢中增加0.0011～0.0030％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量

为280~850 kg，实际加入680 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0059％，满足了压力容器钢加Ti-Fe前对氧位要求。

实施例7

一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，按质量百分比，氧含量为5.0%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

将2t工业纯铁装入3t电熔炉内，通电加热熔化，并持续加热至1600℃恒温；

向铁水中吹入氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，吹入量达到160标准立方米时停止加热，将铁水浇铸成小块并快速冷却。

抽样检测制备的铁氧合金小块，分析制得的铁氧合金氧的质量分数为5.0%。

在C钢厂大线能量焊接用压力容器钢生产过程中，100t钢水加入Ti-Fe添加剂前需要的目标氧位范围w[O]_T是0.0045～0.0065％，测定熔炼过程中的溶解氧的质量分数w[O]₀为0.0035％，因此，需要向钢中增加0.0011～0.0030％的氧；

利用公式（2）：

     （2），

计算可得铁氧合金加入量

为23~63 kg，实际加入600 kg后，测定钢中的溶解氧的质量分数达到0.0059％，满足了压力容器钢加Ti-Fe前对氧位要求。

其他制备铁氧合金的实施例见表1，工艺过程与实施例1~5相同，只是温度、制备的铁氧合金氧的质量分数和钢水用量不同。

表1 制备铁氧合金的实施例

编号	炉容量/t	炉子类型	熔炼温度，℃	含铁原料种类	含铁原料质量，kg	铁合金氧的质量分数，%
							8	0.1	电炉	1600	铁水	50	0.12
9	1	感应炉	1600	纯铁	500	0.65
							10	3	感应炉	1650	废钢	2000	4.3
11	5	感应炉	1590	低碳钢SPHC	3000	3.5

其他使用铁氧合金的实施例见表2，工艺过程与实施例1~5相同，只是温度、初始氧位、目标氧位、使用的铁氧合金氧的质量分数和钢水用量不同。

表2 铁氧合金的使用实施例  

Claims (3)

1.一种调整钢液溶解氧含量的铁氧合金，其特征在于按质量百分比，氧含量为0.01%~5%，以过饱和固溶、气泡以及FeO的形式存在，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的调整钢液溶解氧含量的铁氧合金的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）将工业纯铁、生铁、废钢或低碳钢装入熔炼炉内，通电加热熔化，并持续加热至铁水或钢液液相线温度以上5~100 ℃；

（2）向铁水或钢液中吹入空气或氧气，采用测温定氧仪实时测定溶解氧的质量分数，根据溶解氧饱和度与温度的关系式：

                               （1），

其中w[O]代表溶解氧在铁水或钢液中达到饱和的质量分数，T代表铁水或钢液温度，当溶解氧达到饱和或过饱和时，将铁水或钢液浇铸成球或块，快速冷却，得到铁氧合金。

3.如权利要求1所述的调整钢液溶解氧含量的铁氧合金的使用方法，其特征在于按照以下步骤进行： 

在大线能量焊接用钢冶炼时，测定待调氧位的钢液中溶解氧的质量分数w[O]₀，确定调氧位后钢液的目标溶解氧含量w[O]_T，根据式（2）：

                           （2），

其中，

：铁氧合金添加量；

：钢液质量；

：制得的铁氧合金中氧的质量分数，%；f _O：铁氧合金的收得率，50~98%；

通过式（2）计算，确定达到目标值时所需铁氧合金用量，投入钢液中搅拌即可。

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