CN112760455B - 一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂及其制备与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂及其制备与使用方法，所述改质剂成分为纳米级ZrO₂及微米级铁粉，其微观结构为微米级铁粉包裹纳米级ZrO₂，其中，所述纳米级ZrO₂粒径为150～250nm，微米级铁粉粒径为5.0～20.0μm；所述制备方法将纳米级ZrO₂、微米级铁粉进行高能球磨预分散、干燥结晶、造形处理制成改质剂；使用方法为在钢包精炼后加入改质剂；本发明所述的硫化锰形貌改质剂在冷却凝固过程中，硫化锰会以纳米级ZrO₂为异质形核核心析出，形成的复合夹杂物为球形或者纺锤形，达到了改善硫化锰形貌的目的，同时复合夹杂物尺寸较小，分布较为均匀，还可以诱导晶内针状铁素体的生成，细化晶粒。

Description

一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂及其制备与使用方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂及其制备与使用方法。

背景技术

硫化锰夹杂物是钢中常见的非金属夹杂物之一，对于大多数钢而言，其尺寸、和形貌对于钢的性能有很大的影响。按照硫化锰夹杂物的形貌可以将其分成三类，第I类为球形、第II类为扇形或链状、第Ⅲ类为多面体或不规则形状。由于硫化锰具有良好的变形能力，在轧制过程会沿着轧制方向延展成长条状夹杂物，这种长条状硫化锰夹杂物不仅会使钢的力学性能呈现各向异性，恶化钢材的横向性能，而且还会造成钢材裂纹的产生，降低钢材的使用寿命。对此，为了保证钢材质量，钢铁冶炼生产过程中多希望将硫化锰夹杂物控制呈球形或纺锤形。

为此，本领域技术人员设计了多种工艺手段来改善钢中硫化锰夹杂物形貌，以下为举例说明：

公开号为CN 107475498 B的中国专利公开了一种利用在线均质化处理改善含硫钢中硫化物形态的工艺方法，该方法不另添加任何化学试剂，只通过优化加热和轧制工艺技术来改善含硫钢中硫化物形态。但是，该方法处理时间较长，能源消耗较高，不符合当今节能降耗的主流思想。

公开号为CN 110129516 A的中国专利公开了一种控制低碳高硫切削钢中硫化物形态的方法，其通过在电炉冶炼、精炼过程中控制钢中硅、锰、硫、氧等元素含量来控制钢中硫化物形态。但是，该方法终点氧含量较高，容易产生大尺寸氧化物夹杂物，影响钢材使用寿命。

公开号为CN 107760824 A的中国专利公开了一种非调质钢或齿轮钢中硫化物夹杂改质的冶炼方法，其主要是向精炼后的钢液中喂入硅镁钙复合包芯线，或者分别喂入硅镁、硅钙包芯线，优化精炼过程钢中氧、硫、锰、钙、镁、铝的含量，来实现钢中硫化物夹杂改质。公开号为CN 107312907 A的中国专利公开了一种控制中低硫低氧钢中硫化锰形态的方法，其经过铝脱氧后，对钢液进行钙镁复合处理来控制钢中硫化锰的形态。

上述两种工艺通过对钢液进行钙-镁等处理来实现对钢中硫化锰形貌的控制。虽然具有一定的效果，但是作为一种内部生成夹杂物的方法，夹杂物的尺寸和数量难以控制。对此，也有技术人员设计了通过外加氧化物来控制钢中硫化物形态的方法，以下举例说明：

公开号为CN 110055374 A的中国专利公开了一种外加氧化物控制易切削钢硫化物形态的方法，该方法通过向钢液中同时加入硫源和低熔点区氧化物，控制硫化物析出，改善硫化物形态。但是该方法加入的是微米级低熔点氧化物，其容易上浮被精炼渣吸附，降低控制钢中硫化物的作用。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂及其制备与使用方法，可以有效的将钢中硫化锰夹杂物改善为硫化锰包裹氧化物的复合夹杂物，复合夹杂物其形貌主要为球形或纺锤形。

本发明一方面提供一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，所述改质剂成分为纳米级ZrO₂及微米级铁粉，其微观结构为微米级铁粉包裹纳米级ZrO₂，所述改质剂置于精炼后的钢水中，用以改善凝固后的钢中硫化锰的形貌。

优选，所述改质剂原料为粒径为150～250nm的纳米级ZrO₂，粒径为5.0～20.0μm的微米级铁粉。

优选，所述改质剂呈球形或块形或线形。

优选，所述纳米级ZrO₂与微米级铁粉的质量比为1：(5～10)。

本发明另一方面提供上述改质剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将纳米级ZrO₂、微米级铁粉和脱羟溶剂加入球磨机进行高能球磨预分散，所述ZrO₂、铁粉和脱羟溶剂加入比例为，ZrO₂：铁粉：脱羟溶剂＝1g：(5～10)g：(12～20)ml；

(2)将步骤(1)高能球磨预分散后得到的试剂进行真空干燥结晶处理，干燥温度为40～50℃，干燥时间为6～12小时，获得干燥结晶的粉末；

(3)将步骤(2)获得的粉末进行造形处理，即得改质剂。

优选，所述步骤(1)中高能球磨时间为8～15小时，所述高能球磨转速为400～800r/min。

优选，所述步骤(1)中脱羟溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或几种，用于脱去纳米ZrO₂上的羟基。

优选，所述步骤(2)中干燥设备为真空干燥箱，真空度<100Pa。

优选，所述步骤(3)造形处理的形状为球形或块形或线形，造形尺寸应满足改质剂参与反应过程中不会上浮到钢液表面。

本发明另一方面提供上述改质剂的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

1)经转炉、精炼得到成分、温度均合格的钢水；

2)钢包精炼后，加入改质剂，所述改质剂加入量为每吨钢0.5～5.0kg，同时底吹氩搅拌，吹氩模式为软吹，吹氩搅拌时间为15～25min；

3)经改质后的钢水进行保护浇注。

优选，以质量分数计，所述步骤1)中经转炉、精炼得到合格的钢水除满足基本成分要求外，还需满足：[S]0.003～0.02％(钢水中溶解的含量)；T.O<0.003％(全氧含量)。

优选，所述步骤2)中改质剂的加入方式为抛掷、喂线的一种。

优选，所述步骤2)中的氩气流量为20～80L/min。

优选，所述步骤3)中浇注方式为模铸、连铸的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明首先将纳米级ZrO₂、微米级铁粉进行高能球磨预分散、干燥结晶、造形处理制成改质剂，然后在钢包精炼后加入改质剂，铁粉熔化，ZrO₂熔点高留在钢液中，在冷却凝固过程中，硫化锰会以纳米级ZrO₂为异质形核核心析出，形成的复合夹杂物为球形或者纺锤形，达到了改善硫化锰形貌的目的，由于硫化锰心部为氧化物，轧制过程中其不易变形，可以有效改善由硫化锰形貌引起的各向异性，同时复合夹杂物尺寸较小，分布较为均匀，还可以诱导晶内针状铁素体的生成，细化晶粒。

附图说明

图1是未加入改质剂钢中硫化锰形貌及面扫分析；

图2是实施例1中干燥结晶的粉末形貌图；

图3是采用本发明实施例1的改质剂后钢中硫化锰形貌及面扫分析；

图4是采用本发明实施例2的改质剂后钢中硫化锰形貌及面扫分析；

图5是采用本发明实施例3的改质剂后钢中硫化锰形貌及面扫分析。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述改善钢中硫化锰形貌的改质剂，适用于所有含Mn、S的钢种，并不限于本发明实施例所列举的钢种，本发明下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法，实施例中纳米级ZrO₂、微米级铁粉纯度为99.99％(质量分数)以上，其余试剂为市售试剂。

实施例1

一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米级ZrO₂、微米级铁粉和脱羟溶剂加入球磨机进行高能球磨预分散，所述ZrO₂、铁粉和脱羟溶剂的加入比例为，ZrO₂：铁粉：脱羟溶剂＝1g：10g：20ml；高能球磨时间为8小时，所述高能球磨转速为800r/min；所述脱羟溶剂为体积比为1:1的乙醇、丙醇混合溶剂；原料ZrO₂粒径为150nm，铁粉粒径为5.0μm；

(2)将步骤(1)高能球磨预分散后得到的试剂在真空干燥箱中进行结晶处理，干燥箱的真空度<100Pa，干燥温度为40℃，干燥时间为12小时，获得干燥结晶的粉末，形貌如图2所示；

(3)将步骤(2)获得的粉末通过液压机进行造形处理，造形处理的形状为块形；

上述制备的改质剂在改善SCM420钢中硫化锰形貌的使用方法，包括如下步骤：

1)以质量分数计，经转炉、精炼得到成分、温度均合格的钢水，其中钢水中[S]0.003％；T.O<0.003％；

2)钢包精炼后，加入改质剂，加入量为每吨钢0.5kg，加入方式为抛掷，同时底吹氩搅拌，吹氩模式为软吹，氩气流量为80L/min，所述吹氩搅拌时间为15min。

3)经改质后的钢水进行保护浇注，浇注方式为连铸。

未加入改质剂钢中硫化锰形貌及面扫分析如图1所示，采用本发明实施例的改质剂后，钢中硫化锰形貌及面扫分析如图3所示。

实施例2

一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米级ZrO₂、微米级铁粉和脱羟溶剂乙醇加入球磨机进行高能球磨预分散，所述ZrO₂、铁粉和脱羟溶剂乙醇的加入比例为，ZrO₂：铁粉：乙醇＝1g：5g：12ml；高能球磨时间为15小时，所述高能球磨转速为400r/min；原料ZrO₂粒径为250nm，铁粉粒径为20.0μm；

(2)将步骤(1)高能球磨预分散后得到的试剂在真空干燥箱中进行结晶处理，干燥箱的真空度<100Pa，干燥温度为50℃，干燥时间为10小时，获得干燥结晶的粉末；

(3)将步骤(2)获得的粉末进行造形处理，造形处理的形状为球形。

上述制备的改质剂在改善EH36钢中硫化锰形貌的使用方法，包括如下步骤：

1)以质量分数计，经转炉、精炼得到成分、温度均合格的钢水，其中钢水中[S]0.015％；T.O<0.003％；

2)钢包精炼后，加入改质剂，每吨钢加入量为2.0kg，加入方式为喂线，同时底吹氩搅拌，吹氩模式为软吹，氩气流量为45L/min，所述吹氩搅拌时间为20min。

3)经改质后的钢水进行保护浇注，浇注方式为模铸。

采用本发明实施例的改质剂后，钢中硫化锰形貌及面扫分析如图4所示。

实施例3

一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米级ZrO₂、微米级铁粉和脱羟溶剂甲醇加入球磨机进行高能球磨预分散，所述ZrO₂、铁粉和脱羟溶剂甲醇的加入比例为，ZrO₂：铁粉：甲醇＝1g：8g：15ml；高能球磨时间为12小时，所述高能球磨转速为600r/min；原料ZrO₂粒径为200nm，微米级铁粉粒径为10.0μm；

(2)将步骤(1)高能球磨预分散后得到的试剂在真空干燥箱中进行结晶处理，干燥箱的真空度<100Pa，干燥温度为45℃，干燥时间为10小时，获得干燥结晶的粉末；

(3)将步骤(2)获得的粉末进行造形处理，造形处理的形状为线形。

上述制备的改质剂在改善Q345钢中硫化锰形貌的使用方法，包括如下步骤：

1)以质量分数计，经转炉、精炼得到成分、温度均合格的钢水，其中钢水中[S]0.02％；T.O<0.003％；

2)钢包精炼后，加入改质剂，每吨钢加入量为5.0kg，加入方式为抛掷，同时底吹氩搅拌，吹氩模式为软吹，氩气流量为20L/min，所述吹氩搅拌时间为25min。

3)经改质后的钢水进行保护浇注，浇注方式连铸。

采用本发明实施例的改质剂后，钢中硫化锰形貌及面扫分析如图5所示。

以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，其特征在于，所述改质剂成分为纳米级ZrO₂及微米级铁粉，其微观结构为微米级铁粉包裹纳米级ZrO₂，改善后的硫化锰形貌为：呈球形或纺锤形的，硫化锰包裹ZrO₂的复合夹杂物；所述改质剂使用方法包括如下步骤：

1）经转炉、精炼得到成分、温度均合格的钢水；

2）钢包精炼后，加入改质剂，所述改质剂加入量为每吨钢0.5~5.0 kg，同时底吹氩搅拌，吹氩模式为软吹，吹氩搅拌时间为15~25 min；

3）经改质后的钢水进行保护浇注。

2.根据权利要求1所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，其特征在于，所述改质剂原料为粒径为150~250 nm的纳米级ZrO₂，粒径为5.0~20.0 μm的微米级铁粉。

3.根据权利要求1所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，其特征在于，所述纳米级ZrO₂与微米级铁粉的质量比为1：(5~10)。

4.根据权利要求1所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，其特征在于，以质量分数计，所述步骤1）中经转炉、精炼得到合格的钢水中[S]：0.003 ~0.02%；T.O <0.003%。

5.根据权利要求1所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂，其特征在于，所述步骤2）中改质剂的加入方式为抛掷、喂线中的一种，氩气流量为20~80L/min，所述步骤3）中浇注方式为模铸、连铸的一种。

6.一种基于权利要求1所述的改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

（1）将纳米级ZrO₂、微米级铁粉和脱羟溶剂加入球磨机进行高能球磨预分散，所述ZrO₂、铁粉和脱羟溶剂加入比例为，ZrO₂：铁粉：脱羟溶剂=1g：(5~10)g：(12~20)ml；

（2）将步骤（1）高能球磨预分散后得到的试剂进行真空干燥结晶处理，干燥温度为40~50℃，干燥时间为6~12小时，获得干燥结晶的粉末；

（3）将步骤（2）获得的粉末进行造形处理，即得改质剂。

7.根据权利要求6所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中高能球磨时间为8~15小时，所述高能球磨转速为400~800 r/min。

8.根据权利要求6所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中脱羟溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或几种。

9.根据权利要求6所述的一种改善钢中硫化锰形貌的改质剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）造形处理的形状为球形或块形或线形。

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