CN104480368A - 磁悬浮辅助硅及其合金对钢中氧化铝夹杂改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶炼领域，具体为一种磁悬浮促进含硅合金去除大量夹杂，并使剩余夹杂颗粒球化的熔炼方法。本发明特点在于：1)纯硅作为一种改性剂单独使用，在磁悬浮作用下快速熔炼，大幅度去除10 微米以上夹杂物；残余夹杂物数量比其它改性剂处理后低两个数量级；2)钢液在坩埚中受悬浮力影响，减轻了坩埚对钢液的污染；3)钢液受到磁力作用，剧烈搅拌，促进了钢中夹杂物的去除，并使残余夹杂物改性成光滑球体。本发明对于减少钢中大尺寸夹杂物数量，球化残余夹杂物，得到弥散分布的球形颗粒具有良好的效果，为钢液中氧化铝夹杂的改性提供了新的有效途径。

Description

磁悬浮辅助硅及其合金对钢中氧化铝夹杂改性的方法
技术领域
本发明涉及到钢铁冶金领域，具体为一种在定向磁场中，对钢添加纯硅或含硅合金进行夹杂物改性，并减少钢中夹杂物数量的熔炼方法，采用添加硅将钢中氧化铝夹杂调整成10微米以下的球状颗粒，钢中弥散分布的氧化铝夹杂被低熔点硅铝酸盐包裹，形成光滑球体，大幅度提高了材料的寿命和力学性能。
背景技术
钢中非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂、韧性、切削性能、点蚀都有显著的影响，自1990年国际钢铁大会上新日铁研究员提出氧化物冶金技术以来，人们对钢中的夹杂物有了新的认识，不再苛求钢种的高度纯净，而是研究积极有效的利用钢中的夹杂物，氧化物冶金即通过加入合适的复合脱氧剂和采用合理的脱氧制度来控制脱氧产物的尺寸、分布、组成与数量，使钢中形成某种成分可控且弥散细小的氧化物颗粒，利用他们作为凝固时或固—固相变时的结晶核心，通过钉扎高温下晶界的移动对晶粒的长大进行抑制；通过促进晶内铁素体的形核来细化钢的组织；通过形成碳化物来减少基体含碳量从而改善钢的加工性，使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优良的可焊性[1]。
铝镇静钢在连铸时，高熔点的Al2O3夹杂物易粘在中间包的水口上面影响浇铸, 大而集中的夹杂物对钢的性能很有害，Al2O3颗粒超过1μm时，钢的屈服强度和抗拉强度将显著降低。
未经处理钢中非金属夹杂物数量多，且呈不规则的大块状集聚分布，这些不规则的大块状聚集分布的夹杂物，容易造成应力集中，使钢的冲击韧性降低，使用硅钙处理钢中的非金属夹杂物，多角状的大块夹杂物变为球状或近似圆球的细小颗粒，且其分布状态由聚集分布变为弥散均匀分布，从而改善钢的性能[2]。
传统的硅钙处理工艺是目前工厂冶炼铝镇静钢时常用的工艺，其对改性钢中夹杂物，改善钢材性能有一定程度的作用，但同时也面临着一些困难[3]。例如，由于钙的密度低于钢液，不能沉入钢中，当向熔池中加入含钙合金时，需要喷吹或喂包芯线才能有效地加入；钙的蒸汽压很高，在钢液中的溶解度很小；钙基合金改性铝的氧化物夹杂，其获得的改性产物不易去除，当在夹杂物颗粒的外围形成液相时，阻碍了变性反应的进行，同时改性得到的产物CaO·Al2O3不易变形，在高级别硬线冷拉或轧制过程中会形成微裂纹，导致钢的性能恶化。
在硅钙合金处理的传统工艺过程中钙对夹杂物的处理效果较差，与氧化铝夹杂形成大量的CaO·Al2O3颗粒，夹杂物数量巨大，而且球化效果有限。然而在本专利的磁悬浮辅助工艺下，改性效果大幅度提升；进一步地，纯硅在夹杂物处理过程中的改性效果却鲜有提及，一般认为纯硅易形成链状夹杂，不宜单独使用。本专利提供了一种纯硅和磁悬浮熔炼联合使用的例子，可以使得硅改性后，夹杂物数量得到合理降低，同时尺寸普遍控制在10微米以下，且夹杂物颗粒表面近乎呈现完美的球形。
磁悬浮炉熔炼具有快速高效的特点，熔炼时能达到较高的熔炼温度，熔炼过程中钢液呈悬浮状态，磁悬浮熔炼炉熔炼时，其感应产生的悬浮力能很好的去除大颗粒夹杂[4]。
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[2] 卢翔宇,李波,王永顺,赵保国. 喂Ca-Si丝对钢中夹杂物变性的研究[J].包钢科技，2003, 29:28-31。
[3] 刘钢,张旺盛,李斌. 钙处理工艺对夹杂物变性理论分析与实践[J].江西冶金,2009, 29(3):3-5。
[4] 杨贵成. 感应加热悬浮熔炼新技术[J]. 铸造设备研究,2002,3:52-54。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在磁悬浮炉熔炼过程中添加纯硅或含硅合金进行氧化铝夹杂物改性，并减少夹杂物数量的熔炼方法。本发明可以大幅度减少钢中大颗粒氧化铝夹杂的数量，并使残余的氧化铝夹杂形成光滑球体，促进钢的各项力学性能的提高。
本发明的技术方案是：
一种利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，包括以下步骤：
1) 熔炼前，将定量的脱氧剂（Al）、氧化铝粉末夹杂、硅(Si)粉（包括含硅合金）与铁粉混匀压块；
2) 向铁粉中加入的Al粉、Al2O3粉和Si粉按重量百分比计；
3) 钢样在磁悬浮炉内进行熔炼，熔炼过程通过调节感应电流来增强钢液的搅拌；
4) 熔炼结束后，钢液置于坩埚内冷却；
5) 本方法可大大减少钢中氧化铝夹杂物的数量，并使残余氧化铝夹杂物得到很好的球化作用，促进钢材各项性能的提高。
所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，前期原料准备时，将定量的Al、Al2O3和Si粉与纯铁粉在研钵中混合均匀，压块成型。
所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，为避免钢液吸收空气中的氧和氮，形成更多的非金属杂，熔炼过程在氩气气氛下进行。
所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，熔炼过程通过调节感应电流大小来增强钢液的搅拌，钢液在坩埚内剧烈翻滚，减小了钢中夹杂物的尺寸，感应产生的悬浮力促进了夹杂物的上浮去除。
  所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，熔炼时，为保证熔体反应及处理效果，样品应在沸腾后保持一段时间。
所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，为避免钢液的二次氧化，熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。
所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，在钢中添加硅粉于磁悬浮炉中熔炼，可以改性并减少钢中的Al2O3夹杂，消除Al2O3对钢材力学性能的影响，达到纯净化冶炼的目的。
本发明具有如下有益效果：
1. 本发明实现了使用硅处理改性氧化铝夹杂，为氧化铝夹杂的改性提供了一种新的可行工艺。
2. 本发明工艺设计合理，原料成本低廉，通过使用磁悬浮炉添加硅粉熔炼，大大减少了钢中Al2O3夹杂的数量；同时残余氧化铝夹杂得到球化并弥散分布；促进钢材力学性能的改善。
3. 本发明设计熔炼速率快，系统简单，安全性高，可操作性强。
附图说明
图1为使用纯铁熔炼的夹杂物扫描电镜（SEM）(a)和相应的能谱图（EDS）(b)。
图2为添加Al、Al2O3脱氧的夹杂物SEM形貌图。
图3为添加Al、Al2O3脱氧及一定量硅钙合金改性(a)和添加Al、Al2O3脱氧及硅粉改性 (b)的SEM和相应的能谱图EDS。
图4为熔炼时采用硅处理后的钢样的元素面扫描图谱。
具体实施方式
本发明通过冶炼方法得到钢中弥散分布的氧化铝夹杂颗粒；减少夹杂物数量，改善夹杂物形貌，弥散夹杂物分布，促进钢材性能改善的方法如下：
1、本发明通过磁悬浮熔炼法，向纯铁粉中加入硅粉（一般情形下是纯的硅粉，特殊情况下可以是合金）、铝粉、氧化铝粉等进行熔炼，使钢中得到弥散分布的球形氧化铝夹杂颗粒，同时减少钢中氧化铝夹杂物数量，促进钢材力学性能的提高；
2、熔炼前，将定量的Al、Al2O3和Si粉与纯铁粉混匀压块，其中Al用量为0.01-10.0g/kg，Al2O3用量为0.01-10.0g/kg，Si用量为0.01-100g/kg；
3、向纯铁粉中加入的Al粉、Al2O3粉和Si粉按重量百分比计；
4、钢样在磁悬浮炉内熔炼一段时间，熔炼过程通过调节感应电流来增强钢液的搅拌。熔炼时，钢液在坩埚内剧烈翻转，减小了钢中夹杂物的尺寸，促进了夹杂物的上浮去除。为避免钢液吸收空气中的氧，形成更多的氧化物夹杂，熔炼过程在氩气气氛下进行；
5、熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。
采用本发明技术，在钢中添加硅粉于磁悬浮炉中熔炼，可以改性并减少钢中的氧化铝夹杂的数量，改善夹杂物对钢材力学性能的影响，达到纯净化冶炼的目的。同时得到的残余氧化铝夹杂呈球形化，有利于提高钢铁材料力学性能。
下面结合实例详述本发明。
比较例1
比较例1为熔炼铁粉来探究夹杂物尺寸、形貌的实验。将铁粉称量后压成块状，成型的块状样放入刚玉坩埚中，在密闭条件下通入氩气以排除空气。为减少钢液的氧化，将坩埚与感应线圈置于保护箱内，熔炼在氩气气氛下进行。熔炼期间不断调整感应电流以使坩埚内钢液上下剧烈翻滚，增强搅拌。为保证熔体反应及处理效果，样品在沸腾后保持一段时间。熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。熔炼得到的钢样经线切割成方形的小块，对样品小块进行砂纸细磨、电解抛光、酸液腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。抛光面夹杂物SEM图如附图所示，从图1a中可以看出，钢中存在少量球形夹杂，夹杂物尺寸在1-2μm之间。由于试样中未加入脱氧剂进行脱氧，所以钢中的夹杂物主要以铁的氧化物形式存在（图1b），这些铁的氧化物将会降低钢材的疲劳强度和冲击韧性。
比较例2
比较例2为向铁粉中添加常用脱氧剂Al及典型夹杂物Al2O3熔炼的实验。将Al和Al2O3加入铁粉中研磨均匀后，压制成小块，成型的块状样放入刚玉坩埚中，在密闭条件下通入氩气以排除空气。为减少钢液的氧化，将坩埚与感应线圈置于保护箱内，熔炼在氩气气氛下进行。熔炼期间不断调整感应电流以使坩埚内钢液上下剧烈翻滚，增强搅拌。熔炼时，为保证熔体反应及处理效果，样品在沸腾后保持一段时间。熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。熔炼得到的钢样经线切割成方形的小块，对样品小块进行砂纸细磨、电解抛光、酸液腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。抛光面夹杂物SEM图如附图所示，从图2中可以看出，当仅仅加入铝和三氧化二铝时，其夹杂物数量明显增加，视场中夹杂物数量很多，有些不可用肉眼辨认，且分布不均匀。
实施例3
实施例3为向铁粉中添加夹杂物改性剂Si-Ca合金，其中硅粉以合金的形式加入。脱氧剂Al粉及典型夹杂物Al2O3熔炼的实验。Si-Ca粉成分按重量百分比计为：合金中硅的含量为30-50%。将Al、Al2O3及Si-Ca粉加入铁粉中研磨均匀后，压制成小块，成型的块状样放入刚玉坩埚中，在密闭条件下通入氩气以排除空气。为减少钢液的氧化，将坩埚与感应线圈置于保护箱内，熔炼在氩气气氛下进行。熔炼期间不断调整感应电流以使坩埚内钢液上下剧烈翻滚，增强搅拌。熔炼时，为保证熔体反应及处理效果，样品在沸腾后保持一段时间。熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。熔炼得到的钢样经线切割成方形的小块，对样品小块进行砂纸细磨、电解抛光、酸液腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。抛光面夹杂物SEM图如附图3所示，从图3a中可以看出，向试样中加入脱氧改性剂Si-Ca合金，可以降低钢中氧含量，从而减少氧化铝夹杂的数量。视场中所见残留的部分夹杂物，尺寸在4-6μm之间，其数量较之单加铝和三氧化二铝时，大为减少。
 实施例4
实施例4为向铁粉中添加夹杂物改性剂Si粉，脱氧剂Al粉及典型夹杂物Al2O3熔炼的实验。将Al、Al2O3及Si粉加入纯铁粉中研磨均匀后，压制成小块，成型的块状样放入刚玉坩埚中，在密闭条件下通入氩气以排除空气。为减少钢液的氧化，将坩埚与感应线圈置于保护箱内，熔炼在氩气气氛下进行。熔炼期间不断调整感应电流以使坩埚内钢液上下剧烈翻滚，增强搅拌。熔炼时，为保证熔体反应及处理效果，样品在沸腾后保持一段时间。熔炼结束后，钢液置于氩气气氛下冷却。熔炼得到的钢样经线切割成方形的小块，对样品小块进行砂纸细磨、电解抛光、酸液腐蚀后在扫描电镜下观察样品夹杂物尺寸、形貌及分布情况。抛光面夹杂物SEM图如附图3b所示，从图3b中可以看出，对比图1(b)，试样中夹杂物数量明显减少，在视场范围内仅发现极少量的夹杂物颗粒，且残余的夹杂物呈球形化。这些夹杂主要为Si-Al-O的复合物，由于夹杂物数量较少，尺寸在10 微米以下，且表面呈现光滑的球形，大幅度改善了钢的机械性能。这个结果表明了利用硅进行纯净化冶炼的可行性。通过对试样进行元素面扫描来分析夹杂颗粒的元素分布，结果如图4所示。可以看出，夹杂颗粒成分主要为Si-Al-O的复合物，与之前的分析相符。
 本发明工作过程及结果：
本发明采用在铁粉中加入硅（含合金）、Al和Al2O3等添加剂通过磁悬浮炉熔炼的方法，使钢中氧化铝夹杂物的数量明显减少，同时使残余氧化铝夹杂物得到球化，球形氧化铝夹杂物可以促改善钢材性能，为利用硅处理改性氧化铝夹杂物提供了一种可行的工艺。

Claims (10)

1.一种利用磁悬浮辅助硅粉（纯的硅粉或者含硅合金粉）对钢中氧化铝夹杂物进行改性的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1) 在定量的铁粉中加入Si粉（纯的硅粉或者含硅合金粉）和其它辅助剂，比如Al2O3粉和Al粉等，各组分的重量，按比例加入；
2) 将加入的硅粉、辅助剂及铁粉充分混匀，并且加压成型为块状钢样；
3) 块状的钢样置于磁悬浮炉内进行熔炼，通过调节炉子的输出功率和保护气氛来控制夹杂物的形状、尺寸及钢的力学性能；
4) 熔炼结束后，钢液在保护气氛下冷却或在空气中冷却，并得到最终产品。
2.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述Si粉是指纯硅粉或者含硅合金粉。
3.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述为避免钢液吸收空气中的氧及氮，形成更多的非金属夹杂，熔炼过程在惰性气体气氛保护下进行。
4.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述熔炼过程通过调节感应电流大小以达到钢液充分搅拌和利于10微米以上夹杂物去除的目的；其感应平均电流密度的大小，控制在0.01 安培每平方厘米到 1000安培每平方厘米区间。
5.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述熔炼时控制输出功率，是指保持感应电流震荡变化，引起钢液充分搅拌，并且钢液在沸腾后继续熔炼在1分钟以上时间。
6.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述钢液置于氩气气氛下冷却，是指停止供电加热后，继续向熔炼室通氩气保护，直到室温。
7.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述在钢中添加硅粉于磁悬浮炉中熔炼，控制氧化物的形状，是指使得非球形Al2O3或者正在钢液中生成的氧化铝调节成球形，主要通过表面形成的硅酸盐液化，并在熔炼过程的调控来实现。
8.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述硅粉的加入量和辅助剂的加入量应该控制R (R=Si:Al)摩尔比在0.01-100之间。
9.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述块状钢样的致密度，以可以获得较大涡旋电流为准，一般加压成型时的压力在0.1 Mpa-10 Gpa 量级区间。
10.按照权利要求1所述的利用硅处理的钢中氧化铝夹杂改性方法，其特征在于，所述熔炼时间，以充分去除微米级夹杂物为目的，一般控制在30秒以上。
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