CN114836678B - 一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金炉料技术领域，提出了一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金，其原料组分按重量百分比包括：稀土镧15‑35％，稀土硅镁10‑25％，氮化硅30‑40％，氮化锆12‑28％，Ti₆Al₄V合金5‑15％，添加剂3‑10％，其余为铁和不可避免的其他杂质元素。将上述合金应用于炼钢合金化中，能够对钢液进行深脱氧和脱硫，并对钢液进行有效增氮和合金化，在保证钢材性能的前提下降低成本，解决了现有技术中钢材品质不稳定，生产成本高的问题。

Description

一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金及制备方法

技术领域

本发明涉及冶金炉料技术领域，具体的，涉及一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金及制备方法。

背景技术

炼钢过程中稀土对钢有良好的脱氧、脱硫及净化钢液纯净度、提高钢材性能的效果。因此，稀土在炼钢中已被广泛用于脱氧合金化或夹杂物控制。但是由于转炉下渣和合金中会带入一部分磷，脱氧合金化过程中会出现回磷问题，这给后续生产带来了一定影响。另外，随着国家螺纹钢新标准的颁发，很多企业生产HRB400E或更高强度级别螺纹钢时均大量添加氮化钒铁、钒氮合金、铌铁、氮化硅锰、氮化铬、氮化钛、氮化铝等产品进行增氮，来提高钢的强度，保障其力学性能。一般情况下，钢筋强度级别越高，合金添加量越大，造成生产成本越高。然而，目前生产中，由于螺纹钢生产时通常脱氧不充分，钢中硫含量也较高，这样造成传统的增氮合金增氮效果不稳定，导致钢中的含氮量波动较大，降低了钒、铌等合金元素的析出效果，造成钢材的机械性能出现较大波动。国内各企业都在积极寻求更好的合金化方法，在确保性能的同时，减少合金添加量，降低生产成本。

公开号为CN107557653A中国专利提供了一种微氮合金及其生产高强度钢筋的工艺，可以降低锰和钒氮合金用量，解决了现有的高强度钢筋的工艺成本高的问题，但其不能解决脱氧、脱硫和回磷问题。公开号为CN112359171A的中国专利，使用喂线机在氩站或在LF炉精炼过程中向钢包内喂入钛氮合金包芯线，可以合理控制钢中Ti、N浓度，同时使钢液在凝固过程中可以得到细小弥散的TiN夹杂来细化晶粒，提高强度。公开号为CN107674938A的中国专利公开了一种高氮合金包芯线，该产品具有原料制备简单，成本低廉，显著提高钢材的结构强度的优点。但上述专利都必须单独进行脱氧合金化，不对脱硫和抑制回磷起作用。

公开号为CN110724790A的中国专利提供了一种炼钢脱磷剂界面改性剂及改性脱磷剂制备和使用方法。使用时，转炉脱磷剂界面改性剂：脱磷剂=(10~30)：(70~90)，该转炉脱磷剂界面改性剂与脱磷剂反应使脱磷剂表面形成多孔蜂巢结构，从而使脱磷剂加入铁水后与铁水反应界面积增大，改善了脱磷界面条件，促进了脱磷，脱磷率高达93~97%，大幅降低脱磷剂消耗。该转炉脱磷剂界面改性剂具有较好的使用效果，但该专利要求转炉脱磷剂界面改性剂需要与脱磷剂配合使用。且未提及可将转炉脱磷剂界面改性剂作为其他配方的添加剂，开发出其他新型炼钢辅助材料，且未提及在炼钢过程中抑制回磷效果。

发明内容

本发明提出了一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金，能够对钢液进行深脱氧和脱硫，并对钢液进行有效增氮和合金化，在保证钢材性能的前提下降低成本，解决了现有技术中钢材品质不稳定，生产成本高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金，其原料组分按重量百分比包括：稀土镧15-35%，稀土硅镁10-25%，氮化硅30-40%，氮化锆12-28%，Ti6Al4V合金5-15%，添加剂3-10%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素。

进一步，稀土镧中各元素按重量百分比为：镧≥95%，其余为稀土铈和不可避免的其他杂质元素。

进一步，稀土硅镁中各元素按重量百分比为：RE 0.25%-7%，镁2-5%，钙1-5%，硅≥30%，其余为锰、钛和不可避免的其他杂质元素，RE中Ce/RE≥40%。

进一步，氮化硅中各元素按重量百分比为：硅40-55%，铝≤5%，氮≥20%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素。

进一步，氮化锆中各元素按重量百分比为：锆50-65%，氮≥5%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素。

进一步，添加剂为炼钢脱磷剂界面改性剂。

进一步，炼钢合金化用稀土硅镁氮合金粒度为3-30mm。

一种炼钢用稀土硅镁氮合金制备方法，包括以下步骤：

一、将稀土镧、稀土硅镁、氮化硅、氮化锆、Ti6Al4V合金、添加剂按比例称重后配料；然后将配好的混合料磨细制粉，在颗粒粒度直径≤10mm；

二、将磨好的混合粉料加到烧结机上，开启真空泵抽真空处理，然后向炉内充入氮气，在加压到压力大于1.01×10⁵Pa时，进行加压氮化烧结，烧结温度为200-900℃；

三、将烧结好的合金投入环形冷却机，喷吹氮气进行冷却，温度降到低于100℃后对合金进行破碎、筛分，取其中粒度在3-30mm范围的颗粒进行包装，粒度大于30mm的颗粒返回重新破碎、筛分，粒度小于3mm的细粉返回重新混料。

本发明的工作原理及有益效果为：

1、本发明提供了一种炼钢用稀土硅镁氮合金，利用合金中的镧、镁等元素能够对钢液进行深脱氧和深脱硫，合金在生产过程中在氮气环境下进行烧结，稀土镧、稀土硅镁反应生成稀土氮化镧和稀土氮化硅镁，并且烧结合金粉料颗粒空隙中也加压充满氮气，提高合金含氮量，利用合金中的稀土镧硅镁氮、氮化硅和氮化锆对钢水成分进行有效增氮和合金化，从而实现有效提高螺纹钢脱氧、脱硫效果的同时，进行深度氮化，提高氮合金元素的收得率，在确保螺纹钢各项性能达标的前提下，降低吨钢成本。同时，将炼钢脱磷剂界面改性剂作为添加剂加入其中，起到脱氧合金化过程抑制回磷作用。

2、本发明提供的一种炼钢用稀土硅镁氮合金，该合金采用烧结法生产，成分均匀稳定，广泛适用于高强螺纹钢生产，有效提高螺纹钢炼钢过程的脱氧、脱硫、抑制回磷效果。采用该合金进行螺纹钢出钢脱氧合金化，工艺过程稳定，可控性好，提高氮元素的收得率，稳定钢材性能，降低吨钢生产成本。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

实施例1

某钢厂原100吨转炉，出钢量为95-102吨，采用本发明的稀土硅镁氮合金，目标钢种HRB400，原料配比和使用工艺流程如下：

稀土硅镁氮合金的原料组分按重量百分比包括如下：稀土镧22%，稀土硅镁10%，氮化硅33.8%，氮化锆15.2%，Ti6Al4V合金15%，添加剂3%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

稀土镧中各元素按重量百分比为：镧为99.2%，其余为稀土铈和不可避免的其他杂质元素；

稀土硅镁中各元素按重量百分比为：RE为4.5%（其中Ce/RE为43.5%），镁为4.2%，钙为2.2%，硅为56.2%，氮为7.5%，其余为锰、钛和不可避免的其他杂质元素；

氮化硅中各元素按重量百分比为：Si为45.8%，Al为4.5%，氮为29.5%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

氮化锆中各元素按重量百分比为：锆为64.5%，氮为15.7%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

添加剂为炼钢脱磷剂界面改性剂，且Ti6Al4V合金和炼钢脱磷剂界面改性剂均为市购原料。

制备方法步骤如下：

一、配料-磨料-制粉。将稀土镧、稀土硅镁、氮化硅、氮化锆、Ti6Al4V合金按上述比例称重5 t后配料；然后分批将配好的混合料加入磨料机中磨细制粉，颗粒粒度直径达到≤10 mm后停止磨料；

二、布料-真空-加压氮化烧结。在真空加压氮化烧结炉内，将磨好的混合粉料加到烧结机上，开启真空泵抽真空处理，在真空度小于1000Pa条件下保持50 min以上，然后向炉内充入氮气，在加压到压力大于11×10⁵Pa时，进行加压氮化烧结，使稀土镧、稀土硅镁反应生成稀土氮化镧和稀土氮化硅镁，同时使烧结合金粉料颗粒空隙中也加压充满氮气，提高合金含氮量。合金烧结温度为750℃。

三、冷却-破碎-筛分-包装。将烧结好的合金投入环形冷却机，喷吹氮气进行冷却，然后将温度降到低于72℃的烧结合金进行破碎、筛分，将粒度为3~30mm范围的颗粒进行包装，制成螺纹钢合金化用稀土硅镁氮合金。其中，大于30mm的颗粒返回重新破碎、筛分，小于3mm的细粉返回重新混料。

应用：

待转炉炉后出钢合金化后，将稀土硅镁氮合金投入钢包钢水中，成品钢主要成分的质量含量为C：0.23-0.24%、Si：0.47-0.64%、Mn：1.34-1.45%、P：0.03-0.04%、S：0.008-0.026%、N：0.006-0.0120%。平均屈服强度479MPa，平均拉伸强度631MPa，平均拉伸率23.5%。与原工艺相比吨钢成本可降5.2元。

实施例2：

某钢厂原210吨转炉，出钢量为205-220吨，采用本发明的稀土硅镁氮合金，目标钢种HRB500E。

原料配比及制备工艺流程如下：

稀土镧硅锆镁氮合金的原料组分按重量百分比包括如下：稀土镧26%，稀土硅镁12%，氮化硅30%，氮化锆12.2%，Ti6Al4V合金15%，添加剂4%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

稀土镧中各元素按重量百分比为：镧为98.8%，其余为稀土铈和不可避免的其他杂质元素；

稀土硅镁中各元素按重量百分比为：RE为4.8%（其中Ce/RE为47.7%），镁为4.6%，钙为1.2%，硅为53.4%，氮为7.4%，其余为锰、钛和不可避免的其他杂质元素；

氮化硅中各元素按重量百分比为：Si为47.8%，Al为4.7%，氮为23.7%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

氮化锆中各元素按重量百分比为：锆为63.5%，氮为12.6%，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

添加剂为炼钢脱磷剂界面改性剂，且Ti6Al4V合金和炼钢脱磷剂界面改性剂均为市购原料。

制备方法步骤如下：

一、配料-磨料-制粉。将稀土镧、稀土硅镁、氮化硅、氮化锆、Ti6Al4V合金按上述比例称重8 t后配料；然后分批将配好的混合料加入磨料机中磨细制粉，颗粒粒度直径达到≤10mm后停止磨料；

二、布料-真空-加压氮化烧结。在真空加压氮化烧结炉内，将磨好的混合粉料加到烧结机上，开启真空泵抽真空处理，在真空度小于200Pa条件下保持30min以上，然后向炉内充入氮气，在加压到压力大于5×10⁵Pa时，进行加压氮化烧结，使稀土镧、稀土硅镁反应生成稀土氮化镧和稀土氮化硅镁，同时使烧结合金粉料颗粒空隙中也加压充满氮气，提高合金含氮量。合金烧结温度为890℃。

三、冷却-破碎-筛分-包装。

将烧结好的合金投入环形冷却机，喷吹氮气进行冷却，然后将温度降到低于47℃的烧结合金进行破碎、筛分，将粒度为3~30mm范围的颗粒进行包装，制成螺纹钢合金化用稀土镧硅锆镁氮合金。其中，大于30mm的颗粒返回重新破碎、筛分，小于3mm的细粉返回重新混料。

应用：

待转炉炉后出钢合金化后，将稀土硅镁氮合金投入钢包钢水中，成品钢主要成分的质量含量为C：0.22-0.25%、Si：0.55-0.7%、Mn：1.43-1.52%、P：0.03-0.038%、S：0.006-0.025%、V：0.038-0.043%、Nb：0.004-0.009%、N：0.01-0.015%。平均屈服强度552MPa，平均拉伸强度673MPa。吨钢降低生产成本27.7元。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金，其特征在于，其原料组分按重量百分比包括：稀土镧15-35%，稀土硅镁10-25%，氮化硅30-40%，氮化锆12-28%，Ti6Al4V合金5-15%，添加剂3-10%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素；

稀土镧中各元素按重量百分比为：镧≥95%，其余为稀土铈和不可避免的其他杂质元素；

稀土硅镁中各元素按重量百分比为：RE 0.25%-7%，镁2-5%，钙1-5%，硅≥30%，其余为锰、钛和不可避免的其他杂质元素，RE中Ce/RE≥40%；

氮化硅中各元素按重量百分比为：硅40-55%，铝≤5%，氮≥20%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素；

氮化锆中各元素按重量百分比为：锆50-65%，氮≥5%，其余为铁和不可避免的其他杂质元素；

添加剂为炼钢脱磷剂界面改性剂；

使用一种炼钢用稀土硅镁氮合金制备方法，包括以下步骤：

一、将稀土镧、稀土硅镁、氮化硅、氮化锆、Ti6Al4V合金、添加剂按比例称重后配料；然后将配好的混合料磨细制粉，在颗粒粒度直径≤10mm；

二、将磨好的混合粉料加到烧结机上，开启真空泵抽真空处理，然后向炉内充入氮气，在加压到压力大于1.01×10⁵Pa时，进行加压氮化烧结，烧结温度为750-900℃；

三、将烧结好的合金投入环形冷却机，喷吹氮气进行冷却，温度降到低于100℃后对合金进行破碎、筛分，取其中粒度在3-30mm范围的颗粒进行包装，粒度大于30mm的颗粒返回重新破碎、筛分，粒度小于3mm的细粉返回重新混料。

2.根据权利要求1所述的一种炼钢合金化用稀土硅镁氮合金，其特征在于，炼钢合金化用稀土硅镁氮合金粒度为3-30mm。