CN114058787B - 一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，包括：确定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下氧化铝夹杂物之间的接触角θLP的影响；根据θLP最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量。本发明是在现用生产钢精炼过程铝脱氧和合金元素含量的适用范围内，通过优化脱氧和合金元素含量，有效提高夹杂物之间的聚合效果，达到夹杂物有效控制，大幅度降低由于夹杂物造成的产品缺陷。

Description

一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法
技术领域
本专利涉及提高钢液中夹杂物去除的方法，尤其涉及铝镇静钢中夹杂物的去除强化方法。
技术背景
生产超低碳钢过程中，经过转炉吹氧获得超低碳钢，一般通过加入铝、硅、锰元素或者三种组合使用进行深度脱氧；脱氧元素与钢液中氧形成非金属氧化物，由于钢液之间的密度差快速上浮达到去除的效果，但是钢液中非金属夹杂物难以完全去除。夹杂物破坏了金属基体的连续性，使钢的品质变坏。一般说非金属夹杂物对钢的力学性能、物理性能和化学性能都有相当大的危害。
铝镇静钢是指采用铝作为脱氧元素而获得的一类钢种，脱氧过程产生的脱氧产物为氧化铝非金属夹杂物。为了减少了铝用量的波动，稳定了夹杂控制水平。公告号CN111455137A公布了一种低碳IF钢精确控制铝用量的方法。包括：转炉不经脱氧合金化出钢；RH精炼过程中，加入高碳锰铁脱氧，且以钢水自身碳含量为依据确定加入所述高碳锰铁的量，并以金属锰补足钢种锰含量要求；在脱碳结束后加入铝以脱氧。
为了提高经济效率，公告号CN109487034A公布了一种复合脱氧生产低碳IF钢的方法，包括：一，转炉炼钢时，控制终点碳含量：0.03wt％～0.04wt％，终点氧含量≤700ppm，出钢温度1695～1720℃；出钢时底吹搅拌；二，RH真空处理时，抽真空2～3分钟时加入中碳锰铁；第一次定氧时如果氧含量≥450ppm，则加入硅铁平氧；第二次定氧时将氧含量控制在250～400ppm，加入脱氧铝和成分铝；然后加入成分合金，包括钛铁，硅铁及铌铁；净循环8分钟以上，破空，测温，取样，搬出。
为了提高钢液的纯净度，专利号CN 201510765175公开了一种提高低碳IF钢洁净度的方法。本发明采用中间包浇铸钢水，浇次第一炉，中间包液位达到稳定水平后，在所述中间包内第一次加入高钙铝渣球；浇次第二炉，中间包液位达到稳定水平后，在所述中间包内第二次加入高钙铝渣球；浇次第三炉，将中间包液位上升至最高，通过中间包溢渣口排出中间包渣，然后将中间包液位降至稳定水平，第三次加入高钙铝渣球；从浇次第四炉开始，重复浇次第二炉和浇次第三炉的操作，直至浇铸结束。
除此以外，为了获得特性能的钢种，一般会添加一些合金元素，例如IF钢中加钛、铌等合金元素，将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子固定为碳氮化合物，从而得到超低碳的纯净铁素体钢。为了降低精炼钢合金化处理的经济成分。公告号CN1228457 C公布了一种适用于精炼钢合金化处理的钛铝铁合金，属于合金技术。本发明合金的主要成分为氧、钛、铝、硅、铁和碳，该合金重量百分组成是：Ti 15～45％，Al 15～45％，C和Si等不可避免的杂质<2％，Fe为余量。本发明具有制备方法简易，组分含量合理，合金化处理方便且易控制，收得率高和综合经济效益较高等特点。
但是，目前通过铝脱氧生产的超低碳钢仍然存在一定数量大颗粒铝脱氧内生夹杂物氧化铝，无法完全去除，降低了钢水纯净度，严重影响板坯质量，合金元素添加成本高等问题。因此，在实际生产精炼过程中提高钢液的纯净度和降低合金添加成本是一个重要目标。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述铝镇静钢中夹杂物去除技术存在的诸多问题，提出一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，本发明是基于研究过程中发现：夹杂物上浮的速度与夹杂物的尺寸、钢液与夹杂物之间的界面特性有很大关系，根据空腔理论(图2)夹杂物尺寸越大，夹杂物越容易上浮；而钢液表面张力，钢液与氧化铝夹杂物之间界面张力、接触角越大，夹杂物之间的聚合吸引力越大，促进夹杂物长大。本发明成本低、操作简便、易于在实验室实施，能够有效地通过优化钢液脱氧、合金元素成分强化钢中的氧化铝夹杂物去除效果。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下氧化铝夹杂物之间的接触角θLP的影响；根据θLP最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量；
和/或
选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP的影响；根据σLP最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量；
和/或
选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下夹杂物之间的吸引力FC的影响；根据FC最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，所述钢种含有铝元素。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，所述A的取值范围为1820K-1920K。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，所述钢种含有合金化元素；所述合金化元素选自钛、矾、稀土元素、锑、锡、铋、硒和铅中的至少一种。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，熔滴法和/或卧滴法测定选定钢种在A温度下钢液与氧化铝夹杂物之间接触角θLP。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，根据熔滴形状参数和Laplace模型方程公式(1)-(2)计算钢样温度为A时的表面张力σL，根据杨氏方程(3)和(4)式计算氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP；
Figure BDA0003353040480000031
β＝46.327(2x`/z`)(-3.735)…(2)
其中β为熔滴形状因子，g为重力加速度9.8，单位为m/s2，Δρ为钢液与空气密度差7.85×103kg/m3，R0为熔滴顶定的圆弧半径(如图1b的O点)，单位为m；σL为钢液表面张力，单位为N/m；x、和z、分别为熔滴长轴半长和短轴半长，单位为m；
σLP＝σP-σLcosθLP…(3)
σP＝(2077-0.7083T)×10-3…(4)
其中σLP钢液与氧化铝夹杂物之间接触角，cosθLP为接触角余弦函数，σP为氧化铝夹杂物表面张力单位为N/m，T为钢液中氧化铝夹杂物温度A，单位为K。
本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，根据公式(5)、(6)计算夹杂物之间的吸引力FC；
FC＝π·D2·ΔPFe+2π·D·σL…(5)
Figure BDA0003353040480000041
其中FC为夹杂物之间的吸引力，单位为N，D为夹杂物之间的空腔半径，单位为m，ΔPFe压力差3.8×103Pa；cosθLP为接触角余弦函数，R为氧化铝夹杂物的半径，单位m。通常为了方便计算R的取值为1.0×10-5m。
本发明计算钢液中夹杂物之间聚合吸引力大小，包括钢液中氧化铝夹杂物之间聚合吸引力采用经典氧化铝夹杂物空腔理论计算。
在工程上应用时；本发明一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，
(1)确定所要强化的钢种；并针对对所选定钢种中的脱氧元素M设定至少2个试样；试样中脱氧元素M的含量不相等；
(2)测定在温度A下每一个试样液化后所得钢液与氧化铝夹杂物之间的接触角θLP，
(3)得到每个试样在温度A下，氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP；
(4)通过空腔理论计算得到温度A下，每一个样品中，夹杂物之间的吸引力FC；并根据样品中脱氧元素M的量和其对应FC的关系，建立脱氧元素M的量-对应FC的关系图；
(5)根据FC最大化原则，在钢种允许的M含量范围内选取脱氧元素M的含量。
当M元素为Al，且测试温度恒定时，研究发现其含量和FC值呈正相关关系。
按照上述方案；研究其他元素对Fc值的影响并制定单一元素含量为变量时，该元素的量和其对应FC的关系。经研究发现，定单一元素含量为变量时，该元素的量和其对应FC的关系一般为正相关关系。
在工程上应用时，采用成本最低、力学性能最佳的原则对优化后的成分进行进一步的优选。
本发明的有益效果
本发明首次提出基于所要强化的钢种；利用钢种在A温度下氧化铝夹杂物之间的接触角θLP的影响和/或氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP的影响和/或氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP的影响；根据θLP最大化原则和/或σLP最大化原则和/或FC最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内优化其用量，甚至可以根据本发明的工艺开发出新的钢种。
通过本发明，能够有效提高钢液中氧化铝夹杂物的聚合，从而提高夹杂物的去除效果，改善钢液的纯净度；同时，可以优化合金元素含量，从而降低冶炼、精炼、连铸过程的成本，尤其是降低精炼时合金化的成本。
附图说明
图1钢液与夹杂物接触角和钢液表面张力计算模型示意图；
图2为氧化铝夹杂物吸引空腔模型。
具体实施方式
本实例公开了一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法。根据夹杂物在钢液中的界面特性，通过将调整钢液铝脱氧元素和合金元素含量，改变夹杂物在钢液中的聚合吸引力吸，调整钢液氧化铝夹杂物间的聚合吸引力大小，促使夹杂物聚合-长大，并最终提高夹杂物上浮速度，进而达到去除钢中氧化铝夹杂物的目的。
本发明实施例中所用铝镇静IF钢的成分以质量百分比计有下述组分组成：C0.0017％、Ca 0.0006％、Ti0.03-0.09％、Al0.02-0.07％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S≤0.001％、P≤0.02％、OT≤0.0035％，余量为Fe。
实施例1：一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，包括如下步骤：
(1)铝镇静IF钢铝脱氧元素浓度范围[C11＝200，C12＝700]ppm，在实验室分别准备浓度范围内如表1所示的铝浓度梯度为(C12-C11)/3＝167ppm的A1、A2、A3，A4的钢样；
A1、A2、A3，A4的钢样中，除Al外，其他组分的质量百分含量；
C0.0017％、Ca 0.0006％、Ti0.045％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S0.0033％、P.0149％、OT0.0034％，余量为Fe。
(2)将上述A1-A4钢样表面打磨、切割成8*12mm圆柱，根据如图1(a)所示通过熔滴法或卧滴法测定上述钢样温度为1820K时的钢液与氧化铝夹杂物之间接触角θLP，如表1所示；
(3)根据如图1(b)所示的熔滴形状参数和Laplace模型方程公式(1)-(2)计算钢样温度为1820K时的表面张力σL，根据杨氏方程(3)和(4)式计算氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP，如表1所示；
(4)基于图2所示的空腔模型，通过空腔理论(5)和(6)式分别计算上述(1)A1-A4中夹杂物之间的吸引力FC，如表1所示，钢样A4中氧化铝夹杂物之间吸引力最大，所对应的铝浓度700ppm有利于夹杂物去除。
表1IF钢不同铝浓度钢样1820K钢液表面张力，钢液于氧化铝夹杂物间、接触角、界面张力和夹杂物之间聚合吸引力
Figure BDA0003353040480000061
完成上述Al的优化含量为0.07％。
采用下述组分进行实验：设定
B1、B2、B3，B4的钢样中，除Ti外，其他组分的质量百分含量；
C0.0017％、Ca 0.0006％、Al0.017％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S0.0033％、P0.0149％、OT0.0034％，余量为Fe。
后续操作包括如下步骤：
(1)铝镇静IF钢合金化元素钛浓度范围[C21＝300，C22＝900]ppm，在实验室分别准备浓度范围内表2所示钛浓度梯度为(C22-C21)/3＝200ppm的B1、B2、B3和B4的钢样；
(2)将上述B1-B4钢样表面打磨、切割成8*12mm圆柱，根据如图1(a)所示通过熔滴法或卧滴法测定上述钢样温度为1820K时的钢液与氧化铝夹杂物之间接触角θLP，如表2所示；
(3)根据如图1(b)所示的熔滴形状参数和Laplace模型方程公式(1)-(2)计算钢样温度为1820K时的表面张力σL，根据杨氏方程(3)和(4)式计算氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP，如表2所示；
(4)基于图2所示的空腔模型，通过空腔理论(5)和(6)式分别计算上述(1)B1-B4钢样中夹杂物之间的吸引力FC，如表2所示，钢样B1中氧化铝夹杂物之间吸引力最大，所对应的钛浓度300ppm有利于夹杂物去除。
表2IF钢不同钛浓度钢样1820K钢液表面张力，钢液于氧化铝夹杂物间、接触角、界面张力和夹杂物之间聚合吸引力
Figure BDA0003353040480000071
优化后，Ti的成分为0.03％；综合考虑后，铝镇静IF钢的成分为：C0.0017％、Ca0.0006％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S0.0033％、P0.0149％、Al0.07％、Ti0.03％，余量为Fe。
请验证铝镇静IF钢的成分为：C0.0017％、Ca 0.0006％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S0.0033％、P0.0149％、Al0.07％、Ti0.03％、铁为余量，这一钢种钢液的纯净度，钢样中全氧含量为0.0024％。
现用钢厂铝镇静IF钢的成分为：C0.0017％、Ca 0.0006％、Si0.0017％、Mn0.0821％、S0.0033％、P0.0149％、Al0.0603％、Ti0.0593％，余量为Fe。钢样全氧含量0.0034％。
优化后钢样全氧经含量降低，纯净度提高。
仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，其特征在于：选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下氧化铝夹杂物之间的接触角θLP的影响；根据θLP最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量；
和
选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP的影响；根据σLP最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量；熔滴法和/或卧滴法测定选定钢种在A温度下钢液与氧化铝夹杂物之间接触角θLP；
根据熔滴形状参数和Laplace模型方程公式(1)-(2)计算钢样温度为A时的表面张力σL，根据杨氏方程(3)和(4)式计算氧化铝夹杂物与钢液之间接触角界面张力σLP；
Figure FDA0003930068880000011
β＝46.327(2x`/z`)(-3.735)…(2)
其中β为熔滴形状因子，g为重力加速度9.8，单位为m/s2，Δρ为钢液与氩气密度差7.85×103kg/m3，R0为熔滴顶定的圆弧半径，单位为m；σL为钢液表面张力，单位为N/m；x、和z、分别为熔滴长轴半长和短轴半长，单位为m；
σLP＝σP-σL cosθLP…(3)
σP＝(2077-0.7083T)×10-3…(4)
其中σLP钢液与氧化铝夹杂物之间接触角，cosθLP为接触角余弦函数，σP为氧化铝夹杂物表面张力，单位为N/m，T为钢液中氧化铝夹杂物温度A，
和
选定所要强化的钢种；在钢种所限定元素以及各元素范围内；研究除铁外至少一种元素对所选定钢种在A温度下夹杂物之间的吸引力FC的影响；根据FC最大化原则，在钢种所限定元素以及各元素范围内选择各元素的用量；
根据公式(5)、(6)计算夹杂物之间的吸引力FC；
FC＝π·D2·ΔPFe+2π·D·σL…(5)
Figure FDA0003930068880000021
其中FC为夹杂物之间的吸引力，单位为N，D为夹杂物之间的空腔半径，单位为m，ΔPFe压力差3.8×103Pa，cosθLP为接触角余弦函数，R为氧化铝夹杂物的半径，单位为m；
所述A的取值范围为1820K-1920K。
2.根据权利要求1所述的一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，其特征在于：所述钢种含有铝元素。
3.根据权利要求1所述的一种铝镇静钢液氧化铝夹杂物去除强化方法，其特征在于：所述钢种含有合金化元素；所述合金化元素选自钛、钒、稀土元素、锑、锡、铋、硒和铅中的至少一种。
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