CN106987681B - 一种提高钢液中镁元素收得率的方法 - Google Patents

一种提高钢液中镁元素收得率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高钢液中镁元素收得率的方法，该方法首先将适量铁粉与镍粉、镁粉按一定比例混合以节省成本，并压铸成型；其次，将冶炼原料装入加压感应炉中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；待对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内；待冶炼原料融化后通入氩气对系统进行加压，随后由料仓加料口分批次加入已处理好的Fe‑Ni‑Mg合金；最后保压30～40min后减压出炉。本发明显著提高了镁在钢液中的收得率，使镁在钢液中稳定和有效地回收，且节约成本，易于操作。在钢的组织性能上，进行镁处理后的合金结构钢具有明显的晶粒细化，网状碳化物减少等优化，在降低成本的情况下更好地提高了合金结构钢的耐磨性、强度韧性及疲劳寿命等性能。

Description

一种提高钢液中镁元素收得率的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高镁合金结构钢，特别涉及一种提高钢液中镁元素收得率的方法。
背景技术
镁元素对去除钢液中的夹杂物具有显著的作用，主要是由于镁与硫、氧都有很强的亲合力，易形成含镁的夹杂物，有助于加速夹杂物的上浮，改善钢的洁净度；其次镁可以对夹杂物变性，使夹杂物无害化；此外镁还可以净化晶界、改善钢的晶界强度从而提高钢的性能。
由于金属镁的蒸气压很高，且在炼钢温度下镁的反应十分剧烈，至今尚未开发出比较好的向钢中加镁的工艺手段。目前，向钢液中加入的镁量都比较少且收得率都比较低，已有的加镁工艺手段主要有以下几种。
(1)冲入法
冲入法的操作最为简单，通常是采用块状含镁铁合金(一般为FeSiMg合金，即FeSi合金中含有3～5wt％的Mg)。
在初炼炉出钢前加在钢包内，出钢过程中利用钢水冲击将含镁铁合金混冲入钢水。目前，人们所尝试的钢中加镁处理通常采用这一方法，但是这种方法并不成功，存在的主要问题是镁剧烈燃烧，造成出钢过程白光冲天，致使出钢过程无法操作，浪费严重，镁的吸收率极低且很不稳定，因此冲入法的实际效果不佳。
(2)喂线法
喂线法是将密度较小，容易氧化的精炼剂做成线材，用喂线机将其投入钢水深处，对钢水进行炉外精炼的一种方法，该方法在目前的球铁生产中已有应用。使用喂线法加镁，采用的合金线可以是镁及镁合金线也可以是各种含镁包芯线，芯剂可以是稀土镁合金、高镁合金、钝化镁粒等。方法存在的主要问题是在喂线过程中，镁提前熔化汽化，造成镁大量的以蒸气形式外溢，致使钢水剧烈翻滚，轻则与空气接触造成二次氧化，重则导致钢水大翻事故，同样无法在钢水镁处理中得到应用，较早出现的压入法也存在同样问题。
(3)镁合金加入法
目前市面上销售的镁合金一般镁含量较高(15％以上)。加入到钢液中以后会发生剧烈的反应，操作的安全性低，钢水的翻滚剧烈甚至发生喷溅、爆炸。因此，使用目前市面上销售的金属镁，势必要降低合金的原始投入量，同样无法有效提高钢液中的镁含量。
钢水镁处理工艺的核心问题是，如何保证钢水对加入的镁具有较高的吸收率，即提高镁在钢液中的收得率，降低镁在钢液中的烧损量。这样就不会造成镁以蒸气的形式大量溢出和烧损，钢水也就不会剧烈翻滚，既保障了操作安全又保证了处理效果，还不会造成浪费。为达到高的吸收率，就必须保证镁蒸气与钢水保持较长的接触时间，因此镁的气化过程应该被控制在钢水的深处，这样镁蒸气气泡在上升的过程中能够与钢水充分接触反应，最理想状况是在镁蒸气气泡溢出钢水之前，已经与钢中氧及夹杂物完全反应而形成新的夹杂物。因此，如何将镁元素成功加入到钢液中并提高其在钢液中的收得率是至关重要的关键技术，也是亟待解决的技术难题。
发明内容
根据目前镁元素在钢液中收得率低且加入技术所存在的缺点和不足，本发明通过使用加压感应炉装置，以Fe-Ni-Mg的合金形式将易挥发元素镁加入钢液中，从而增加镁与钢液的接触时间。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种提高钢液中镁元素收得率的方法，该方法包括以下步骤：
a.将适量铁粉与镍粉按质量比1:4～1:1混合，再与镁粉混合，并压铸成型，获得Fe-Ni-Mg合金，其中镁在合金中的质量百分比为4～6％；
b.依据目标钢种的元素成分，计算所需原料的重量，配制冶炼原料，将冶炼原料装入加压感应炉的坩埚中；其中冶炼原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；原料的具体成分如表1所示
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至0.5～2MPa，然后将步骤a制得的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g；每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为13～16kg；
e.保压30～40min后减压出炉。待钢样完全冷却后，对其成分进行检测。
表1实验原料成分/wt,％
本发明的提高钢液中镁元素收得率的方法，有益效果为：
(1)采用Fe-Ni-Mg合金的加入形式，有效地节约了成本，同时也能使合金较好地进入钢液深处，以便镁蒸气气泡在上升的过程中能够与钢水充分接触反应，可有效提高镁在钢液中的收得率。
(2)利用加压感应炉加压有效地控制了钢液中的镁含量，提高了镁在钢液中的收得率，使整个操作过程能够更加安全平缓的进行，所制备的高镁合金结构钢晶粒细化，网状碳化物减少，在降低成本的情况下提高了钢的耐磨性、强度韧性及疲劳寿命等性能。
附图说明
图1是氧含量随时间变化规律图。
图2是各炉钢硫、磷含量对比图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例1～3对本发明进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。本实验中所选钢种为合金结构钢(30CrNi2MoVA)，属于低合金中碳结构钢，是一种亚共析钢，具体成分如表2所示。
表2实验钢种成分/wt,％
实施例1
一种提高钢液中镁元素收得率的方法包括以下步骤：
a.首先将铁粉与镍粉按1:4与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的6％。
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内；
d.待冶炼原料全部融化后开始通入氩气，加压至0.5MPa，然后将a中事先处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为13kg；
e.保压30min后减压出炉，待钢样1#完全冷却后，对其成分进行检测，结果如表3所示；
f.将剩余的坯料重新加热到900℃，保温1h，随炉冷却到600℃，再将坯料加热到1050℃，保温3h，取出用油冷却至室温后重新加热到350℃，保温3h，后随炉冷却至室温。
实施例2
一种提高钢液中镁元素收得率的方法包括以下步骤：
a.首先将铁粉与镍粉按1:1与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的4％。
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内，然后通入氩气加压至1.0MPa；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至1.0MPa，然后将a中事先处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为16kg；
e.保压40min后减压出炉，待钢样2#完全冷却后，对其成分进行检测，结果如表3所示；
f.将剩余的坯料重新加热到800℃，保温2h，随炉冷却到500℃，再将坯料加热到950℃，保温2h，取出用油冷却至室温后重新加热到450℃，保温1h，后随炉冷却至室温。
实施例3
一种提高钢液中镁元素收得率的方法包括以下步骤：
a.将铁粉与镍粉按1:1与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的4％。
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内，然后通入氩气加压至2.0MPa；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至2.0MPa，然后将a中事先处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为16kg；
e.保压40min后减压出炉，待钢样3#完全冷却后，对其成分进行检测，结果如表3所示；
f.将剩余的坯料重新加热到700℃，保温4h，随炉冷却到400℃，再将坯料加热到800℃，保温1h，取出用油冷却至室温后重新加热到200℃，保温2h，后随炉冷却至室温。
表3实验钢成分分析/wt,％
由表3可以看出，三个炉次的钢样在2.0MPa以内随着压力的增大镁元素在钢液中的收得率会显著提高，通过加压冶炼和凝固，有效地控制了钢中的镁含量，提高其利用率，进一步发挥了镁元素净化钢液、夹杂物变性和微合金化作用。
表4实施例性能测试结果
对各组实验的过程样进行氧含量分析，得到氧含量随取样时间变化规律如图1，发现3组钢起始氧含量相近，约为0.0070％，随着取样时间的延长，3组中氧含量均呈现下降趋势。2#、3#的氧含量要明显低于3#组，且氧含量趋于稳定的时间要早于1#组。这是由于2#、3#组采用镁处理，镁的脱氧能力要远远优于铝，可以使2#、3#组的氧含量在短时间内降到很低值，且镁含量越高，脱氧效果越好。
分析1#、2#、3#实验组中硫、磷的含量，如图2所示。发现向钢中加入镁具有一定的脱硫、脱磷效果，且镁含量越高，脱磷、脱硫的效果越好。
对实施例制备的30CrNi2MoVA钢试样进行性能测试，测试结果如表4所示，由于钢中加入了镁，钢的硬度、耐磨性、冲击韧性、以及抗拉强度等性能得到了明显的改善。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高钢液中镁元素收得率的方法，钢种成分wt％为C：0.26-0.33，Si：0.17-0.37，Mn：0.3-0.6，Cr：0.6-0.9，Ni：2.0-2.5，Mo：0.2-0.3，V：0.15-0.3，S≤0.025，P≤0.025，Cu≤0.25，余量为Fe，其特征在于，包括如下步骤：
a.将铁粉与镍粉按质量比1:4～1混合，再与镁粉混合，并压铸成型，获得Fe-Ni-Mg合金，其中镁在合金中的质量百分比为4～6％；
b.依据目标钢种的元素成分，计算所需原料的重量，配制冶炼原料，将冶炼原料装入加压感应炉的坩埚中；其中冶炼原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至0.5～2MPa，然后将步骤a制得的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g；每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为13～16kg；
e.保压30～40min后减压出炉。
2.根据权利要求1所述的一种提高钢液中镁元素收得率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.首先将铁粉与镍粉按1:4与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的6％；
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内；
d.待冶炼原料全部融化后开始通入氩气，加压至0.5MPa，然后将a中处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为13kg；
e.保压30min后减压出炉。
3.根据权利要求1所述的一种提高钢液中镁元素收得率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.首先将铁粉与镍粉按1:1与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的4％；
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内，然后通入氩气加压至1.0MPa；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至1.0MPa，然后将a中处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为16kg；
e.保压40min后减压出炉。
4.根据权利要求1所述的一种提高钢液中镁元素收得率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将铁粉与镍粉按1:1与镁粉混合，并压铸成小块状，其中镁占合金的4％；
b.将冶炼原料装入加压感应炉的MgO坩埚中，原料包括工业纯铁、工业硅、金属锰、金属铬、金属钼和钒铁；
c.启动外部抽气系统，对系统进行抽真空，真空度控制在10Pa以内，然后通入氩气加压至2.0MPa；
d.待冶炼原料融化后通入氩气，加压至2.0MPa，然后将a中处理好的Fe-Ni-Mg合金由料仓加料口分批次加入，每次加入不超过25g，每吨钢液Fe-Ni-Mg合金的加入量为16kg；
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