CN114959176B - 一种用于净化钢水的复合球团及净化钢水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于净化钢水的复合球团及净化钢水的方法，属于钢铁冶炼技术领域。本发明公开了一种用于净化钢水的复合球团，所述复合球团包括如下重量份数的原料：碳酸锂18‑22份、石灰25‑32份、75％硅铁1‑3份。本发明还公开了一种净化钢水的方法，所述方法包括：将钢材原料在电弧炉中熔化，在出钢水过程中向钢包中加入复合球团，然后将处理过的钢水转移至精炼炉中进行精炼造渣。本发明也公开了一种钢材，所述钢材由净化后的钢水通过脱氧浇注成型和/或热处理过程制得钢材。

Description

一种用于净化钢水的复合球团及净化钢水的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼技术领域，涉及一种用于净化钢水的复合球团及净化钢水的方法。

背景技术

高端装备使用的合金钢铸件相比于普通合金钢铸件要求更高，因此需要在制备过程中对钢水进一步处理。目前钢水净化处理普遍采用铝粉和/或硅铝钡钙合金等，如中国专利申请文本(公开号：CN111876557A)公开了一种包括水泥70-80％，萤石粉30-20％的钢水清洗剂，用于去除熔融状态下钢水中悬浮的非金属夹杂物以及溶解于金属溶液中的气体，改善钢水品质，降低铸件产品的渣孔和气孔率；但是该方法中加入的元素与钢水中的杂质元素的亲和力不佳，不能起到很好的净化作用。

锂元素具有较活泼的性质，与多种元素和气体均能发生反应，现在已经有研究人员使用含锂材料来使钢水脱氧、脱硫，但是该含锂材料多用于精炼造渣过程。如中国专利申请文本(公开号：CN113862427A)公开了一种精炼渣，包括SiO₂：47-54％、CaO：38-43％、Li₂O：3-5％，该精炼渣的制备方法包括将石灰、石英砂、碳酸锂、硼砂煅烧、破碎后制得包含35-40％石灰、45-50％石英砂、5-12％碳酸锂、0-8％硼砂的精炼渣。该专利的目的在于在SiO₂-CaO体系中加入Li₂O，有效降低精炼渣的熔点和粘度、夹杂物的熔点，降低帘线钢中夹杂物数量、减小夹杂物尺寸至9-15μm。中国专利申请文本(公开号：CN101880753A)公开了一种深脱硫剂，其成分以质量％计，具体有：BaCO₃60-70％，Li₂CO₃15-25％，B₂O₃15-25％；将上述三原料配比、破碎后加入钢包中，利用钢包余热和钢水热量使得碳酸钡和碳酸锂分解成氧化钡和氧化锂，并通过氧化钡和氧化锂来脱硫。中国专利申请文本(公开号：CN113600768A)公开了包括20-80％硼砂、10-50％碳酸锂、0-30％萤石粉的助熔剂，促进保护渣熔化，提高铸胚合格率。上述三者虽然对钢水能有一定的造渣除杂作用，但没有对钢材成品的质量有大幅度提高作用；也就是说，目前的方法不能很好的实现净化钢水的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种通过加入含有碳酸锂的复合球团，采用该复合球团净化后的钢水纯度较高，且制得的钢材具有更好的机械性能。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种用于净化钢水的复合球团，其特征在于，所述复合球团包括如下重量份数的原料：碳酸锂18-22份、石灰25-32份、75％硅铁1-3份。

作为优选，所述碳酸锂占复合球团质量的35-40％。

本发明中碳酸锂加入量较大，能够与石灰、75％硅铁相互配合，完成高效净化钢化的目的；若是碳酸锂加入量较少，则会导致净化不充分，若是碳酸锂加入量较多，则会没有足够的硅来置换锂元素，锂元素的活性不能激活，造成成本浪费。

作为优选，所述石灰为纯度大于90％的CaO，活性度≥320，4mol/mL40±1℃，10min。

本发明选择的石灰为一级石灰和/或特级石灰，具有较高的活性度。

作为优选，所述75％硅铁中的含硅量＞72％，Al≤1.5％，P≤0.04％，S≤0.02％。

作为优选，所述碳酸锂中Li₂CO₃≥98％，H₂O≤0.5％，无肉眼可见的夹杂物。

本发明还公开了一种净化钢水的方法，所述方法包括：将钢材原料在电弧炉中熔化，在出钢水过程中向钢包中加入复合球团，然后将处理过的钢水转移至精炼炉中进行精炼造渣。

当复合球团加入到钢包中，该球团被钢水包裹使其表面形成真空，在温度超过1300℃的环境中，碳酸锂在石灰的作用下分解产生Li₂O，Li₂O能与75％硅铁中的硅发生还原反应生成Li，金属锂性质活泼，能够与钢水中的金属反应生成夹杂物，与钢水中的气体反应生成后化合物漂浮在钢水表面，或通过底吹氩上浮，净化钢水中的杂质和气体。

作为优选，所述复合球团、钢水的质量比为(0.01-0.2)：100。

进一步优选，所述复合球团、钢水的质量比为(0.16-0.2)：100。

作为优选，所述钢包中还可以加入硅钡合金和/或硅铝钡钙合金和/或铝丝切头。

进一步优选，在每1kg钢液中还可以加入0.02-0.05g硅钡合金、0.02-0.1g硅铝钡钙合金。

作为优选，所述出钢水时的温度为1620-1700℃。

作为优选，所述精炼造渣过程包括加入精炼渣，精炼渣包括氧化硅、氧化钙、氧化锂、氧化铝、硼砂中的一种或多种。

作为优选，所述净化后的钢水中晶间夹杂物最大尺寸为≤11μm，夹杂物个数≤0.21/mm²个。

本发明也公开了一种钢材，所述钢材由净化后的钢水通过脱氧浇注成型和/或热处理过程制得钢材。

作为优选，所述脱氧浇注成型具体过程包括抽真空，其中真空度小于67pa，时间为15-20min；然后直接浇注，浇注温度为1570±10℃，浇注速度为液面上升速度≥15mm/s。

本发明通过抽真空让钢液中的其他气体上浮。

作为优选，所述热处理过程包括三次加热，三次冷却；其中第一次加热速度大于第二次加热速度，第二次大于加热速度大于第三次加热速度。

进一步优选，所述第一次加热过程温度为920±10℃，加热速度为140-150℃/h，保温后进行冷却；第一次冷却过程为直接出炉空冷到室温；第二次加热过程温度为890±10℃，加热速度为120-130℃/h，保温后进行冷却；第二次冷却过程为将半成品在出炉后45±10秒内入水，水流速度控制在0.5-0.8m/s，水温为15-35℃，当半成品的温度为80-120℃时出水；第三次加热过程温度为590±10℃，加热速度为100-110℃/h，保温后进行冷却；第三次冷却过程为直接出炉空冷到室温。

更进一步优选，所述三次加热过程保温时间根据壁厚25mm/h保温。

钢水中的杂质元素在晶界偏聚造成沿晶脆断，杂质元素在晶界上偏聚造成晶界弱化，主要有元素周期表中的Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ族的主族元素，如Si、Ge、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金钢的第二类回火脆性是杂质元素偏聚导致晶界弱化的一个典型实例，合金钢在回火后慢冷或在375-560℃保温会产生晶界脆化和沿晶断裂，这是由于在回火过程中，杂质元素P、S向晶界处扩散而偏聚，导致晶界弱化；另外，某些金属元素在晶界偏聚也可引起沿晶脆断，如铜脆、镉脆等，本发明就是通过锂元素和这些杂质元素之间发生亲和反应形成锂化物，通过钢包底吹氩的把这些杂质元素脱出，净化钢水，提升材料物理性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明净化钢水的方法中使用的复合球团组成简单、易获取、低成本。

2、通过本发明净化钢水的方法能够大幅度减少杂质元素，使钢水中晶间夹杂物不超过2级。

3、通过本发明净化钢水的方法后制得的钢材具有更好的机械性能，特别是塑性性能。

说明书附图

图1为本发明应用实施例1中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图2为本发明应用实施例2中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图3为本发明应用实施例3中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图4为本发明应用实施例4中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图5为本发明应用实施例5中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图6为本发明应用实施例6中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

图7为本发明应用对比例1中制得的钢材表面放大100倍后的组织图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。本发明采用的原料如无特殊说明，均为市售的通用原料。

本发明采用的原料包括：

碳酸锂为市售的纯度大于98％的Li₂CO₃；

石灰为市售的一级石灰；

75％硅铁的牌号：FeSi₇₅Al_0.5-B。

实施例1

按照熔炼要求的钢材牌号35CrMo的原料进行配比称重，将原料加入电弧炉中熔化，在出钢水过程中按照每100kg钢水向钢包中加入0.1kg的复合球团：包括碳酸锂20份(37.7％)、石灰31份、75％硅铁2份，再在钢包中按每1kg钢液加入0.02g硅钡合金和0.05g硅铝钡钙合金进行变质处理。然后将处理过的钢水转移至精炼炉中进行精炼造渣，每1kg钢水加入0.05g精炼渣，精炼渣中包括氧化硅11份、氧化钙8份、氧化锂1份。将净化后的钢水普通浇注后进行夹杂物测试，结果如表1所示。

实施例2

与实施例1相比，区别在于复合球团中包括碳酸锂18份(35.3％)、石灰31份、75％硅铁2份。

实施例3

与实施例1相比，区别在于复合球团中包括碳酸锂22份(40％)、石灰31份、75％硅铁2份。

实施例4

与实施例1相比，区别在于复合球团中包括碳酸锂17份(33.3％)、石灰32份、75％硅铁2份。

实施例5

与实施例1相比，区别在于复合球团中包括碳酸锂23份(46％)、石灰25份、75％硅铁2份。

实施例6

与实施例1相比，区别在于不加入硅钡合金和硅铝钡钙合金。

实施例7

与实施例1相比，区别在于采用中频电炉代替电弧炉熔化。

对比例1

与实施例1相比，区别在于不加入复合球团。

对比例2

与实施例1相比，区别在于复合球团中不加入碳酸锂。

表1、夹杂物检测表

应用实施例1

将实施例1中的钢水进行脱氧浇注成型抽真空，其中真空度小于67pa，时间为17min，然后直接浇注，浇注温度为1570℃，浇注速度为液面上升速度为16mm/s；然后进行热处理，热处理过程包括以146℃/h的加热速度加热至920℃，根据壁厚25mm/h保温，然后直接出炉空冷到室温；再以125℃/h的加热速度加热至890℃，根据壁厚25mm/h保温，直接出炉水冷至90℃出水；然后以104℃/h的加热速度加热至590℃，根据壁厚25mm/h保温，然后直接出炉空冷到室温，得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图1所示；取样进行性能检测，性能数据见表2。

应用实施例2

将实施例2中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图2所示。

应用实施例3

将实施例3中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图3所示。

应用实施例4

将实施例4中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图4所示。

应用实施例5

将实施例5中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图5所示。

应用实施例6

将实施例6中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。

应用实施例7

将实施例7中的钢水按照应用实施例1的方法制得钢材成品。钢材表面放大100倍后的组织图如图6所示；取样进行性能检测，性能数据见表1。

应用实施例8

与应用实施例1相比，区别在于不进行热处理。

应用实施例9

与应用实施例1相比，区别在于热处理过程为常规方法，如专利CN112695245A所述。

应用对比例1

将对比例1材料按照应用实施例1的方法制成成品。

应用对比例2

将对比例2材料按照应用实施例1的方法制成成品。

表2、钢材成品的性能测试表

根据表1、2可知，通过本发明单一的复合球团处理就能使钢水很好地净化，辅以硅钡合金和/或硅铝钡钙合金和/或铝粉时，对净化程度有一定的提升；并且通过本发明的方法制得的钢水在简单浇注后就能获得较好的力学性能，增加后续热处理能进一步提升材料的性能。在本发明的复合球团中需要控制各组分，特别是碳酸锂的含量，只有在本发明所限制的范围内才能够达到本发明所述的钢水净化效果，钢材才能具有较好的力学性能。

对比图1-7可以发现，图1中夹杂物尺寸最小且数量最少，图2、3、6中夹杂物尺寸及数量略有增加，图4、5中有较多的夹杂物且最大尺寸较大，图7中夹杂物数量及最大尺寸最大。

综上所述，通过本发明的净化钢水的方法使钢水中的夹杂物含量大幅降低，并且结合其他方法制得的钢件具有较好的机械性能，特别是塑性性能大幅提升，提升率为10-20％。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于净化钢水的复合球团，其特征在于，所述复合球团包括如下重量份数的原料：碳酸锂18-22份、石灰25-32份、75％硅铁1-3份。

2.根据权利要求1所述的复合球团，其特征在于，所述碳酸锂占复合球团质量的35-40％。

3.根据权利要求1所述的复合球团，其特征在于，所述石灰为纯度大于90％的CaO；活性度≥320，4mol/mL40±1℃，10min。

4.根据权利要求1所述的复合球团，其特征在于，所述75％硅铁中的含硅量＞72％，Al≤1.5％，P≤0.04％，S≤0.02％。

5.根据权利要求1所述的复合球团，其特征在于，所述碳酸锂中Li₂CO₃≥98％，H₂O≤0.5％，无肉眼可见的夹杂物。

6.一种净化钢水的方法，其特征在于，所述方法包括：将钢材原料在电弧炉中熔化，在出钢水过程中向钢包中加入如权利要求1所述的复合球团，然后将处理过的钢水转移至精炼炉中进行精炼造渣。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述复合球团、钢水的质量比为(0.01-0.2)：100。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述钢包中还可以加入硅钡合金和/或硅铝钡钙合金和/或铝粉。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述精炼造渣过程包括加入精炼渣，精炼渣包括氧化硅、氧化钙、氧化锂、氧化铝、硼砂中的一种或多种。

10.一种钢材，其特征在于，所述钢材由权利要求6-9所述的方法制得的净化后的钢水通过脱氧浇注成型和/或热处理过程制得。

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