CN112410573A - 用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

用于冶炼含Ce的Fe‑Ni软磁合金的渣系及其使用方法，成分按质量百分比含CaO 15～27％，Al2O3 10～22％，NaF 4～6％，MoO2 0～2％，MgO 3～5％，CeO2 3～15％，SiO2 1～2％，余量为CaF2；方法为：(1)将用于冶炼含Ce的Fe‑Ni软磁合金的渣系在1450±5℃预熔，然后破碎；(2)预熔渣块料600±5℃烘烤制成预熔渣；(3)在引锭板上铺设合金屑，在合金屑与结晶器内壁之间的空间铺设萤石粉；(4)在氩气气氛条件下，下降自耗电极进行引弧，将预熔渣加入结晶器内进行化渣；(5)化渣完成后形成渣池并进行电渣重熔冶炼。本发明的渣系可以解决电渣重熔冶炼含稀土Ce的Fe‑Ni合金过程中发生的Ce、Mo等元素烧损问题，制备的含Ce的Fe‑Ni软磁合金成分质量良好，元素分布均匀。

Description

用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系及其使用方法
技术领域
本发明术语冶金技术领域，特别涉及一种用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系及其使用方法。
背景技术
软磁材料是一种导磁系数高，退磁因子小的磁性材料，在弱磁场中，可以迅速磁化，撤销外磁场后退磁速度快，因此矫顽力和剩磁远低于稀土永磁体和铁磁体。软磁合金种类繁多，应用范围十分广泛，尤其是在磁记录、磁屏蔽、变压器等领域的应用，是其他磁性材料无法替代的；Fe-Ni软磁合金是常用的软磁材料之一。
影响软磁合金磁性能的因素主要有：化学成分、熔炼工艺、合金洁净度、热处理工艺等。提高合金纯净度、改质合金中有害夹杂、改善合金组织，是提高合金软磁性能的有效手段。
稀土Ce是冶金工业中常用到的合金添加剂，在冶炼过程中，稀土Ce易与合金液中有害杂质元素发生反应，生成小密度、高熔点的夹杂物从金属液中排出，同时还可以深度降低钢中氧、硫的质量分数以及降低有害元素在晶界的偏聚。除此之外，Ce元素的添加也能够改变合金组织，调整合金晶粒大小。
现阶段生产Fe-Ni合金的冶炼工艺为真空感应熔炼，但是真空感应熔炼对杂质元素几乎没有脱除能力，在冶炼中容易带入坩埚材料，造成新的污染；此外真空感应熔炼冶炼的合金表面质量较差，需要进行更多的加工处理，对材料产生更多的浪费。
电渣重熔铸锭具有成分均匀、纯净度高、组织致密等特点，因此电渣重熔是高温合金的重要冶炼手段；对比真空感应熔炼工艺，电渣重熔设备简单，生产费用低廉，操作方便，铸锭表面光洁，热塑性好，成材率高。在冶炼镍基合金领域，电渣重熔已经逐渐成为更受关注的冶炼工艺。但是含稀土Ce的Fe-Ni软磁合金在冶炼上有着一定的问题，即在经过电渣重熔二次精炼后合金中Ce元素以及其他易氧化元素的烧损，因此需要开发新的电渣重熔工艺来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系及其使用方法，在渣系中加入MgO以降低冶炼过程中渣池的吸气能力，并且针对合金中稀土元素Ce以及合金的基础元素Mo加入抗氧化组分CeO2、MoO2解决Ce、Mo烧损问题，并加入NaF来调节渣系物性参数，抵消抗氧化组分的负面影响。
本发明的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的成分按质量百分比含CaO 15～27％，Al2O3 10～22％，NaF 4～6％，MoO2 0～2％，MgO 3～5％，CeO2 3～15％，SiO2 1～2％，余量为CaF2。
上述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的熔化温度为1200～1300℃。
上述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1550±5℃时的电阻率为0.382～0.578Ω·cm。
上述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1550±5℃时的黏度为0.015～0.027Pa·s。
本发明的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的使用方法包括以下步骤：
1、将用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1450±5℃进行预熔，预熔时间至少15min，然后空冷至室温破碎制成预熔渣块料；
2、将预熔渣块料加热至600±5℃烘烤3～6h，随炉冷至室温，制成预熔渣；
3、在引锭板上铺设合金屑，合金屑位于自耗电极在引锭板上的投影处，合金屑的铺设厚度30～50mm；同时在合金屑与结晶器内壁之间的空间铺设萤石粉，萤石粉的铺设厚度为5～10mm；所述的合金屑的成分与自耗电极相同；
4、在氩气气氛条件下，下降自耗电极进行引弧，引弧完成后将预熔渣加入结晶器内进行化渣；所述的自耗电极为含Ce的Fe-Ni软磁合金，成分按质量百分比含Fe 13～50％，Mo 0～7％，Si 0.1～1％，Mn 0.1～1％，Ce 0.001～0.06％，余量为Ni和不可避免杂质；
5、化渣完成后形成渣池并进行电渣重熔冶炼，在电渣重熔冶炼过程中向渣池内加入铝粒，直至完成电渣重熔。
上述的步骤4中，预熔渣加入结晶器的用量的计算式为(650～1250)×D 3kg，其中D为结晶器的内径，单位m。
上述的步骤5中，加入铝粒时每隔3～5min加入一次；铝粒的加入量按3～5min内熔化的自耗电极质量的0.1～0.2％加入。
上述的步骤4中，所述的不可避免杂质按重量百分比含N＜0.001％，Al＜0.03％，S＜0.004％，O＜0.002％。
对于电渣重熔含冶炼含稀土Ce的Fe-Ni合金，在冶炼过程中可能发生Mo、Ce的氧化反应，通过热力学计算发现，当渣中存在MgO、MoO2、CeO2时可以抑制此反应，并且在冶炼过程中加入适量的Al同样能抑制氧化的发生；为此渣系中加入CeO2至3～15％，减少Ce元素的烧损；在电渣重熔过程中，渣中加入适量的MgO可以在渣池表面形成一层保护膜，降低在冶炼过程中渣池的吸气能力，从而减少渣池吸氧，减少渣池对金属熔池传氧，同时还能降低铸锭中氢的含量；因此加入4～6％的MgO；由于在渣系中加入了高熔点的MgO、MoO2、CeO2，渣系的熔点升高，黏度升高，然而电渣重熔冶炼要求渣系的熔点以及黏度在合适的范围之内，因此加入低熔点、低黏度的NaF取代部分CaF2来调整渣系的物性参数，加入5～7％的NaF。
本发明的渣系用于解决电渣重熔过程中易氧化元素的氧化问题；电渣重熔要求其使用的渣系有合适的物性参数，其中，渣系熔化温度、黏度是判断渣系是否适合合金冶炼的最主要因素，在渣系中加入抗氧化组元后，渣系熔化温度、黏度升高，为此加入NaF来调节渣系物性参数；在电渣重熔冶炼过程中，渣池吸氧是导致冶炼后铸锭中氧含量增高、易氧化元素烧损的原因之一，因此在冶炼过程中向渣池中加入铝粒是一种极好的抑制合金中易氧化元素烧损的方法；本发明的方法可以解决电渣重熔冶炼含稀土Ce的Fe-Ni合金过程中发生的Ce、Mo等元素烧损问题，制备的含Ce的Fe-Ni软磁合金成分质量良好，元素分布均匀。
具体实施方式
本发明实施例中的合金屑在使用前用质量浓度5％的盐酸酒精溶液清洗后风干。
本发明实施例中当完成电渣重熔后，进行分阶段降功率补缩操作。
本发明实施例中，电渣重熔完成后获得的铸锭采用ICP以及氮氧分析仪进行成分检测。
本发明实施例中的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的熔化温度为1200～1300℃。
本发明实施例中的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1550±5℃时的电阻率为0.382～0.578Ω·cm。
本发明实施例中的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1550±5℃时的黏度为0.015～0.027Pa·s。
本发明实施例中的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的制备方法是将CaO、Al2O3、NaF、MoO2、MgO、CeO2、SiO2和CaF2混合均匀。
本发明实施例中的破碎是破碎成10mm以下小块即可。
本发明实施例中的萤石粉为市购工业级产品。
本发明实施例中的合金屑是将自耗电极同材质合金破碎粉状即可。
本发明实施例中当合金屑和萤石粉铺设完成后，将萤石粉填充到合金屑的缝隙中。
本发明实施例中用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的质量为自耗电极质量的10％。
以下为本发明优选实施例。
实施例1
用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的成分按质量百分比含CaO 22％，Al2O320％，NaF 6％，MoO2 2％，MgO 4％，CeO2 5％，SiO2 1％，CaF2 40％；
使用方法为：
将用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1450±5℃进行预熔，预熔时间15min，然后空冷至室温破碎制成预熔渣块料；
将预熔渣块料加热至600±5℃烘烤3h，随炉冷至室温，制成预熔渣；
在引锭板上铺设合金屑，合金屑位于自耗电极在引锭板上的投影处，合金屑的铺设厚度40mm；同时在合金屑与结晶器内壁之间的空间铺设萤石粉，萤石粉的铺设厚度为7mm；所述的合金屑的成分与自耗电极相同；
在氩气气氛条件下，下降自耗电极进行引弧，引弧完成后将预熔渣加入结晶器内进行化渣；预熔渣加入结晶器的用量的计算式为(650～1250)×D3kg，其中D为结晶器的内径；所述的自耗电极为含Ce的Fe-Ni软磁合金，成分按质量百分比含Fe 14.6％，Mo 5.2％，Si 0.4％，Mn 0.3％，Ce 0.041％，余量为Ni和不可避免杂质；不可避免杂质中N＜0.001％，Al＜0.03％，S＜0.004％，O＜0.002％；
采用的结晶器内径0.09m，预熔渣的加入量＝650×D3＝0.47kg；
化渣完成后形成渣池并进行电渣重熔冶炼，在电渣重熔冶炼过程中向渣池内加入铝粒，加入铝粒时每隔4min加入一次；铝粒的加入量按4min内熔化的自耗电极质量的0.1％加入，直至完成电渣重熔；
自耗电极中按质量百分比含Mo 5.2％，S 0.0033％，O 0.0015％，Ce 0.041％；电渣重熔后的铸锭按质量百分比含Mo 5.09％，S 0.0013％，O 0.0011％，Ce 0.0375％；
采用相同的自耗电极以及三七渣系进行对比试验，电渣重熔时不加入铝粒，获得的铸锭按质量百分比含Mo 4.85％，S 0.0018％，O 0.0018％，Ce 0.0129％；所述的三七渣系按质量百分比含CaF2 70％，Al2O3 30％；
比较可见，采用用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系进行电渣重熔，Ce元素以及Mo元素烧损显著减少，并铸锭中氧含量更低。
实施例2
用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的成分按质量百分比含CaO 27％，Al2O310％，NaF 4％，MgO 3％，CeO2 3％，SiO2 2％，CaF2 51％；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)预熔渣块料烘烤6h；
(2)合金屑铺设厚度30mm，萤石粉的铺设厚度为5mm；
(3)采用的结晶器内径0.15m，预熔渣的加入量＝1250×D3＝4.22kg；
(4)加入铝粒时每隔3min加入一次；铝粒的加入量按3min内熔化的自耗电极质量的0.2％加入；
(5)所述的自耗电极分为三种；第一种的成分按质量百分比含Fe 13％，Mo 6.2％，Si 0.3％，Mn 1％，Ce 0.0205％，余量为Ni和不可避免杂质，不可避免杂质中S 0.0033％，O0.0014％；第二种的成分按质量百分比含Fe 50％，Mo 1.8％，Si 0.15％，Mn 0.6％，Ce0.0159％，余量为Ni和不可避免杂质，不可避免杂质中S 0.0035％，O 0.0015％；第三种的成分按质量百分比含Fe 31％，Mo 2.2％，Si 0.5％，Mn 0.3％，Ce 0.0103％，余量为Ni和不可避免杂质，不可避免杂质中S 0.0036％，O 0.0014％；
(6)电渣重熔后分别获得三种铸锭；第一种铸锭按质量百分比含S 0.0014％，O0.0010％，Ce 0.0181％；第二种铸锭按质量百分比含S 0.0012％，O 0.0012％，Ce0.0136％；第三种铸锭按质量百分比含S 0.0016％，O 0.0009％，Ce 0.0089％；
Ce元素的收得率均保持在较高的水平。
实施例3
用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系分为三种；第一种渣系的成分按质量百分比含CaO 25％，Al2O3 20％，NaF 4％，MgO 5％，CeO2 3％，SiO2 1％，CaF2 42％；第二种渣系的成分按质量百分比含CaO 22％，Al2O3 10％，NaF 5％，MoO2 1％，MgO 4％，CeO2 10％，SiO21％，CaF2 47％；第三种渣系的成分按质量百分比含CaO 19％，Al2O3 22％，NaF 6％，MoO22％，MgO 3％，CeO2 15％，SiO2 2％，CaF2 31％；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)预熔渣块料烘烤5h；
(2)合金屑铺设厚度50mm，萤石粉的铺设厚度为10mm；
(3)采用的结晶器内径0.15m，预熔渣的加入量＝1000×D3＝3.38kg；
(4)加入铝粒时每隔5min加入一次；铝粒的加入量按5min内熔化的自耗电极质量的0.2％加入；
(5)所述的自耗电极成分按质量百分比含Fe 41％，Mo 5.132％，Si 0.6％，Mn0.9％，Ce0.0217％，余量为Ni和不可避免杂质；不可避免杂质中N＜0.001％，Al＜0.03％，S0.003％，O 0.0015％；
(6)电渣重熔后分别获得三种铸锭；第一种铸锭按质量百分比含Mo 4.873％，S0.0017％，O 0.0012％，Ce 0.0135％；第二种铸锭按质量百分比含Mo 5.021％，S0.0012％，O 0.0011％，Ce 0.0184％；第三种铸锭按质量百分比含Mo 5.093％，S 0.001％，O 0.0012％，Ce 0.0196％；
比较可见，渣系中加入CeO2来减少Ce元素的烧损是有效的，加入CeO2的渣系冶炼后合金中的Ce、Mo收得率有大幅的提高；对于不同Ce添加的Fe-Ni合金，渣系和冶炼方法能有效地减少合金中易氧化元素的烧损，且渣系中MgO、MoO2、CeO2的加入能够保证Ce、Mo元素的较高收得率。

Claims (8)

1.用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系，其特征在于成分按质量百分比含CaO 15～27％，Al2O3 10～22％，NaF 4～6％，MoO2 0～2％，MgO 3～5％，CeO2 3～15％，SiO2 1～2％，余量为CaF2。
2.根据权利要求1所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系，其特征在于其熔化温度为1200～1300℃。
3.根据权利要求1所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系，其特征在于其在1550±5℃时的电阻率为0.382～0.578Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系，其特征在于其在1550±5℃时的黏度为0.015～0.027Pa·s。
5.一种权利要求1所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系在1450±5℃进行预熔，预熔时间至少15min，然后空冷至室温破碎制成预熔渣块料；
(2)将预熔渣块料加热至600±5℃烘烤3～6h，随炉冷至室温，制成预熔渣；
(3)在引锭板上铺设合金屑，合金屑位于自耗电极在引锭板上的投影处，合金屑的铺设厚度30～50mm；同时在合金屑与结晶器内壁之间的空间铺设萤石粉，萤石粉的铺设厚度为5～10mm；所述的合金屑的成分与自耗电极相同；
(4)在氩气气氛条件下，下降自耗电极进行引弧，引弧完成后将预熔渣加入结晶器内进行化渣；所述的自耗电极为含Ce的Fe-Ni软磁合金，成分按质量百分比含Fe 13～50％，Mo 0～7％，Si 0.1～1％，Mn 0.1～1％，Ce 0.001～0.06％，余量为Ni和不可避免杂质；
(5)化渣完成后形成渣池并进行电渣重熔冶炼，在电渣重熔冶炼过程中向渣池内加入铝粒，直至完成电渣重熔。
6.根据权利要求5所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的使用方法，其特征在于步骤(4)中，预熔渣加入结晶器的用量的计算式为(650～1250)×D3kg，其中D为结晶器的内径，单位m。
7.根据权利要求5所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的使用方法，其特征在于步骤(5)中，加入铝粒时每隔3～5min加入一次；铝粒的加入量按3～5min内熔化的自耗电极质量的0.1～0.2％加入。
8.根据权利要求5所述的用于冶炼含Ce的Fe-Ni软磁合金的渣系的使用方法，其特征在于步骤(4)中，所述的不可避免杂质按重量百分比含N＜0.001％，Al＜0.03％，S＜0.004％，O＜0.002％。
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