CN113046623B - 一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备和使用方法，制备方法为：(1)将镍、稀土和镁放入真空感应炉内的坩埚中；(2)启动真空感应炉进行升温，物料熔化前抽真空至3Pa以下；(3)物料熔化时停止抽真空，通入氩气；(4)物料完全熔化保温浇注。使用方法为：(1)中间合金破碎；(2)将块状合金置于压入装置，压入装置与重坨固定；(3)当钢液完成精炼和脱气工序后，将重坨吊起下降使块状合金压入钢液；(4)软吹、浇注。本发明的制备方法能够增大中间合金的平均密度，有利于延长中间合金在钢液中的停留时间，有助于稀土和镁更加充分的反应，使用方法避免了中间合金与熔渣和空气直接接触，提升了镍基稀土镁中间合金的收得率。

Description

一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备和使用方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备和使用方法。

背景技术

稀土和镁是钢中重要的微合金化元素，不仅能够净化钢液，变质夹杂物，还可以改善组织和性能；然而，单独进行稀土处理或镁处理分别存在以下问题：(1)当单独添加稀土时，虽然稀土与氧、硫均具有极强的热力学结合能力，但钢中生成的稀土夹杂物密度较大，接近钢液的密度，难以上浮排出，不利于钢中氧、硫等杂质元素的去除；(2)当单独添加镁时，虽然含镁夹杂物的密度较小，但由于镁在冶炼温度下的蒸气压很高，进入到钢液中的镁含量十分有限，而微量镁与硫的结合能力一般，远小于稀土，无法对钢液进行深脱硫。

稀土和镁均为活泼金属，在钢液冶炼温度范围内均面临着烧损问题。特别是具有高蒸气压属性的镁元素，在钢液熔炼温度下的收得率很低；在工业化应用过程中，若添加方式不恰当，收得率甚至低于1％，严重影响处理效果。因此，如何安全有效地进行镁处理是含镁合金工业化应用的关键问题。

发明内容

为了解决稀土夹杂物密度较大、不易上浮排出，以及镁在钢液中深脱硫效果较差、收得率较低的问题，本发明提供了一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备和使用方法，采用镍、稀土和镁制成合金的方法，通过特定装置进行合金化处理，充分发挥稀土和镁的各自优势、互补短板，进一步提高钢液的洁净度水平，提高工业化应用过程中镁元素的收得率。

本发明的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备方法按以下步骤进行：

1、将镍、稀土和镁放入真空感应炉内的坩埚中，用量按全部物料中按质量百分比镍占40～60％，稀土占15～45％，镁占5～25％；所述的稀土为镧和/或铈；

2、启动真空感应炉进行升温，并在坩埚内的物料开始熔化前，将真空感应炉内抽真空，保持真空度在3Pa以下；

3、当坩埚内的物料开始熔化时，停止抽真空，想真空感应炉内通入氩气，至压力为50000～80000Pa；

4、当坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金。

上述方法中，稀土收率≥95％，镁收率≥65％。

本发明的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法按以下步骤进行：

1、将钢液合金化用镍基稀土镁中间合金破碎成块状，获得块状合金；

2、将块状合金置于铁皮筒中，铁皮筒的底部连接底板，顶部连接顶板，顶板和底板之间用若干个铁棍焊接固定；其中顶板和底板为铁板，顶板上与铁棒底端焊接固定，铁棒顶端与重坨底部固定连接，重坨顶部安装有吊环；顶板上开设有至少一个通孔将铁皮筒内部与外界连通，用于防止镁在瞬间高温条件下生成蒸汽发生爆炸；

3、当钢液完成精炼和脱气工序后，通过吊环将重坨吊起至钢包上方，然后下降使铁皮筒及其内部的块状合金压入钢液中，保持3～5min，再移走重坨；

4、采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹，时间为15～20min，使稀土和镁在钢液中分布均匀，并使稀土和镁处理形成的夹杂物充分上浮；软吹结束后浇注获得合金钢铸坯。

上述使用方法的步骤1中，块状合金的粒径10～30mm。

上述使用方法的步骤3中，完成精炼和脱气工序后，先将钢包置于平坦空地上或地坑中，便于将铁皮筒压入钢液。

上述使用方法的步骤3中，块状合金压入钢液时，块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.05～0.2％。

上述使用方法中，稀土收率≥15％，镁收率≥15％。

本发明原理及优点是：

(1)采用镍作为稀土镁中间合金的基体，一方面，由于稀土和镁在镍中都具有较好的固溶度，因此镍作为基体易于冶炼得到稀土和镁成分配比更加宽泛的中间合金；另一方面，由于稀土和镁的密度均小于钢，而镍的密度大于钢，因此镍的加入能够增大中间合金的平均密度，有利于延长中间合金在钢液中的停留时间，从而有助于稀土和镁在钢中进行更加充分的反应；

(2)采用真空感应炉制备镍基稀土镁中间合金，在抽真空后关闭真空泵，并通入氩气，能够较好地抑制活泼金属，特别是镁元素的烧损；

(3)添加镍基稀土镁中间合金后，钢中会形成由MgO附着或包裹在稀土夹杂物表面的复合夹杂物；其中，稀土夹杂物以氧硫化物为主；由于MgO的密度明显小于稀土夹杂物，因此促进了复合夹杂物的上浮排出，从而大幅降低了钢中的氧、硫含量；

(4)采用天车将装有镍基稀土镁中间合金的铁桶压入到钢液中，而非直接将中间合金投放在熔渣表面，最大程度地避免了中间合金在高温下与熔渣和空气直接接触，从而大幅提升了镍基稀土镁中间合金中在钢液处理过程中镁的收得率。

附图说明

图1是本发明实施例中的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的外观照片图；

图2是本发明实施例中的压入装置结构示意图；

图3是本发明实施例中的重坨与压入装置结构示意图；

图中，1、铁皮筒，2、顶板，3、底板，4、铁棍，5、铁棒，6、重坨，7、吊环；

图4是本发明实施例中的合金钢铸坯中夹杂物的SEM图；

图5是本发明实施例中的合金钢铸坯中夹杂物的元素分布图。

具体实施方式

本发明实施例中钢液合金化用镍基稀土镁中间合金破碎采用破碎机。

本发明实施例中，将若干个铁棍的底端焊接固定的底板上，铁棍内部放置铁皮筒，块状合金置于铁皮筒内，然后将带有通孔的顶板焊接固定在若干个铁棍的顶端；或者将若干个铁棍的底端焊接固定的底板上，铁棍内部放置铁皮筒，将带有通孔的顶板焊接固定在若干个铁棍的顶端，通过通孔将块状合金放入铁皮筒内。

本发明实施例中铁皮筒为圆筒状，顶板和底板为圆盘状。

本发明实施例中，铁棒位于顶板中部。

本发明实施例中，铁皮筒压入钢液后随同块状合金熔于钢液。

本发明实施例中，铁皮筒1、顶板2、底板3、铁棍4和铁棒5构成压入装置，结构如图2所示，重坨6与压入装置的结构如图3所示，重坨6顶部安装有吊环7，重坨与压入装置的质量比为30～50。

本发明实施例中采用天车升降重坨。

本发明实施例中制备的合金钢为H13钢、4Cr13钢或D2钢。

本发明实施例中电镜扫描采用的设备为ZEISS Ultra 55。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备方法为：

将镍、稀土和镁放入真空感应炉内的坩埚中，用量按全部物料中按质量百分比镍占60％，稀土占30％，镁占10％；稀土为镧；

启动真空感应炉进行升温，并在坩埚内的物料开始熔化前，将真空感应炉内抽真空，保持真空度在3Pa以下；

当坩埚内的物料开始熔化时，停止抽真空，想真空感应炉内通入氩气，至压力为50000Pa；

当坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金，稀土收率97％，镁收率69％；

钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法为：

将钢液合金化用镍基稀土镁中间合金破碎成块状，获得粒径10～30mm的块状合金，外观如图1所示；

将块状合金置于铁皮筒中，铁皮筒的底部连接底板，顶部连接顶板，顶板和底板之间用若干个铁棍焊接固定；其中顶板和底板为铁板，顶板上与铁棒底端焊接固定，铁棒顶端与重坨底部固定连接，重坨顶部安装有吊环；顶板上开设有若干通孔将铁皮筒内部与外界连通；

当钢液完成精炼和脱气工序后，先将钢包置于地坑中；通过吊环将重坨吊起至钢包上方，然后下降使铁皮筒及其内部的块状合金压入钢液中，块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.05％，保持3min，再移走重坨；

采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹，时间为15min；软吹结束后浇注获得合金钢铸坯，稀土收率28.7％，镁收率20.9％；合金钢铸坯中夹杂物的SEM图如图4所示，夹杂物的元素分布如图5所示；块状合金添加前钢液中的O的质量分数0.0019％，S的质量分数0.0020％，合金钢铸锭中O的质量分数0.0012％，S的质量分数0.0015％。

实施例2

制备方法同实施例1，不同点在于：

(1)全部物料中按质量百分比镍占50％，稀土占35％，镁占15％；稀土为铈；

(2)通入氩气至压力为60000Pa；

(3)坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金，稀土收率95％，镁收率70％；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.1％，保持4min；

(2)软吹时间为20min；稀土收率26.5％，镁收率18.8％；

(3)块状合金添加前钢液中的O的质量分数0.0018％，S的质量分数0.0024％，合金钢铸锭中O的质量分数0.0010％，S的质量分数0.0018％。

实施例3

制备方法同实施例1，不同点在于：

(1)全部物料中按质量百分比镍占40％，稀土占40％，镁占20％；稀土为等质量的镧和铈；

(2)通入氩气至压力为70000Pa；

(3)坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金，稀土收率96％，镁收率68％；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.15％，保持5min；

(2)软吹时间为18min；稀土收率29.3％，镁收率16.1％；

(3)块状合金添加前钢液中的O的质量分数0.0015％，S的质量分数0.0023％，合金钢铸锭中O的质量分数0.0009％，S的质量分数0.0019％。

实施例4

制备方法同实施例1，不同点在于：

(1)全部物料中按质量百分比镍占60％，稀土占15％，镁占25％；稀土为等质量的镧和铈；

(2)通入氩气至压力为80000Pa；

(3)坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金，稀土收率97％，镁收率66％；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.2％，保持5min；

(2)软吹时间为18min；稀土收率28.4％，镁收率17.2％。

实施例5

制备方法同实施例1，不同点在于：

(1)全部物料中按质量百分比镍占50％，稀土占45％，镁占5％；稀土为等质量的镧和铈；

(2)通入氩气至压力为60000Pa；

(3)坩埚内的物料完全熔化时，保温3～5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金，稀土收率96％，镁收率67％；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.15％，保持5min；

(2)软吹时间为20min；稀土收率24.3％，镁收率18.7％。

Claims (5)

1.一种钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法，其特征在于钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的制备方法按以下步骤进行：

（1）将镍、稀土和镁放入真空感应炉内的坩埚中，用量按全部物料中按质量百分比镍占40~60%，稀土占15~45%，镁占5~25%；所述的稀土为镧和/或铈；

（2）启动真空感应炉进行升温，并在坩埚内的物料开始熔化前，将真空感应炉内抽真空，保持真空度在3 Pa以下；

（3）当坩埚内的物料开始熔化时，停止抽真空，想真空感应炉内通入氩气，至压力为50000~ 80000 Pa；

（4）当坩埚内的物料完全熔化时，保温3~5min，然后浇注，冷却后获得钢液合金化用镍基稀土镁中间合金

使用方法按以下步骤进行：

（1）将钢液合金化用镍基稀土镁中间合金破碎成块状，获得块状合金；

（2）将块状合金置于铁皮筒中，铁皮筒的底部连接底板，顶部连接顶板，顶板和底板之间用若干个铁棍焊接固定；其中顶板和底板为铁板，顶板上与铁棒底端焊接固定，铁棒顶端与重坨底部固定连接，重坨顶部安装有吊环；顶板上开设有至少一个通孔将铁皮筒内部与外界连通，用于防止镁在瞬间高温条件下生成蒸汽发生爆炸；

（3）当钢液完成精炼和脱气工序后，通过吊环将重坨吊起至钢包上方，然后下降使铁皮筒及其内部的块状合金压入钢液中，保持3~5min，再移走重坨；

（4）采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹，时间为15~20 min，使稀土和镁在钢液中分布均匀，并使稀土和镁处理形成的夹杂物充分上浮；软吹结束后浇注获得合金钢铸坯。

2.根据权利要求1所述的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法，其特征在于步骤（1）中，块状合金的粒径10~30mm。

3.根据权利要求1所述的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法，其特征在于步骤（3）中，完成精炼和脱气工序后，先将钢包置于平坦空地上或地坑中，便于将铁皮筒压入钢液。

4.根据权利要求1所述的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法，其特征在于步骤（3）中，块状合金压入钢液时，块状合金中镁和稀土的加入量为钢液总质量的0.05~0.2%。

5.根据权利要求1所述的钢液合金化用镍基稀土镁中间合金的使用方法，其特征在于稀土收率≥15%，镁收率≥15%。

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