CN115287512B - 一种用于炼钢过程脱硫的含镁低碳锰铁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开冶金领域，尤其涉及一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其步骤如下：S1:对浇注的模具进行清洗，在模具内壁涂刷耐热润滑涂层；S2:对润滑涂层进行烘干；S3:在模具的底部放置镁粒，在镁粒的上表面再放置铝粒4；S4:在模具的内部，铝粒4的上方放置钢丝网；S5:将模具的上模与底模对正、固定；S6:对模具的内部注入氩气；可减少浇注过程的合金烧损；S7:将低碳锰铁合金钢水以以高于液相线温度60‑100℃浇注到模具内，S8:浇注时间控制在2分钟内，注射到模具的注液口后停止；S9:模具内的注射钢水自然凝固后拆开模具，取出铸锭，可直接使用或者破碎后使用该含镁低碳锰铁合金的制造工艺简单，与现有铁合金冶炼工艺衔接，节能、高效、制造成本低。

Description

一种用于炼钢过程脱硫的含镁低碳锰铁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁合金精炼技术领域，具体涉一种用于炼钢冶炼可脱硫的低碳锰铁及其制备方法。

背景技术

低碳锰铁是指含碳量低于0.7％的锰铁合金，低碳锰铁广泛应用于炼钢生产过程中各种优质结构钢、工具钢、高强钢、耐磨钢等洁净钢的合金添加剂。低碳锰铁在钢铁工业使用量极大，每年需求量在100万吨以上。金属镁是一种公认炼钢工业的最为理想的脱氧、脱硫剂，但镁的密度小(1.73g/cm3)、沸点低(1090℃)、溶解度低，蒸汽压高，且极易燃烧，很难加入钢液中。采用镁元素在炼钢过程进行脱硫的关键在于镁元素的加入方式。

在炼钢过程，如果直接加入金属镁，镁的密度远远小于熔化的钢水密度(6.9-7.1g/cm3)，镁会漂浮在钢水表面燃烧失效。虽然钢包底吹喷镁粉的方法也可以实现脱硫，但是镁粉是易燃易爆产品，保存难度大，生产成本昂贵，需要专用的加入设备，因此工业生产的应用并不多，由此可见，现有技术存在缺陷，有待改进。

发明内容

发明人通过研究发现：目前，在钢铁工业生产中，钢包脱硫方法之一是在LF精炼石灰造泡沫渣实现扩散脱硫，这种脱硫方式对钢包钢水的中上层的脱硫效果较好，对于钢包下层钢水的脱硫，由于扩散缓慢性，需要足够的LF精炼时间，势必增加冶炼时间及成本。如果可以将镁加入钢包底部，在镁上浮过程实现脱硫，不仅脱硫效率高，而且节省时间及电耗，具有广阔的市场应用空间及市场价值。

钢包脱硫方法之二，专利号为CN 101906563的专利中公布一种“用于炼钢脱氧、脱硫的镁铝锰铁合金及其制备方法”，采用电磁感应电炉分部依次加入铝、镁、锰铁的方法，制备出一种含Mg 2～10％，Al 40～55％，其余为锰铁的镁铝锰铁合金，用于炼钢工业生产，取得较好的脱氧、脱硫效果；但是用的方法需采用感应电炉装熔化的锰铁，增加能源消耗，与目前的锰铁合金生产工艺难以匹配，增加制造成本；采用该方法生产的镁铝锰铁合金中，Al元素的含量高达40-50％。在一些严格控制Al含量的特种钢(如帘线钢等钢种)，镁铝锰铁合金的合金加入量受限或者无法使用。该专利制备的镁铝锰铁合金中Al含量高，制备的合金密度低于钢水密度，加入钢包后会漂浮在钢包表面，实际上脱氧、脱硫效果可能有限。该专利的这些不足及缺点，可能限制在钢铁工业的大规模使用。

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种用于炼钢过程脱硫的含镁低碳锰铁合金及其制备方法，制备过程与锰合金冶炼行业直接衔接，避免合金二次熔化，制造成本低，更加适合于钢铁工业的使用。

根据本公开的第一方面：提供一种含镁锰铁合金，含镁锰铁合金的化学成分(重量％)为：Mg为2-8％，Al为1-5％，其余为锰铁合金，Mn含量为70-90％，C含量≤0.4％；其中Al和Mg的总含量不超过10％。

根据本公开的第二方面：一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其步骤如下：

S1:对浇注的模具进行清洗，在模具内壁涂刷耐热润滑涂层；

S2:对润滑涂层进行烘干；

S3:在模具的底部放置镁粒3，在镁粒3的上表面再放置铝粒4；

S4:在模具的内部，铝粒4的上方放置钢丝网6；

S5:将模具的上模1与底膜2对正、固定；

S6:对模具的内部注入氩气；可减少浇注过程的合金烧损。

S7:将工业生产的液体低碳锰铁合金钢水以以高于液相线温度60-100℃浇注到模具内，

S8:浇注时间控制在2分钟内，注射到模具的注液口5后停止；

S9:模具内的注射钢水自然凝固后拆开模具，取出铸锭，可直接使用或者破碎后使用。

需要说明的是：本方案中含镁低碳锰铁合金的制备方法的主要特点是低碳锰铁采用常规工业方法(如电热硅还原法或者摇包法等)冶炼生产，工业生产出来的低碳锰铁钢水可直接用于制造含镁低碳锰铁合金的工业制造，无需二次熔化加热；低碳锰铁钢水浇注温度控制在高于液相线温度60-120℃，出钢的低碳锰铁钢水直接浇注到预先放置定量铝粒4和镁粒3的特制模具中。

该含镁低碳锰铁合金的制造工艺简单，与现有铁合金冶炼工艺衔接，节能、高效、制造成本低。

在本公开的一些实施例中，模具为中间大，两头小的圆锥形模具；上模1和底膜2可以分开拆卸。

需要说明的是：浇注时通过螺栓使上模1和底膜2固定在一起，浇注凝固后上模1和底膜2可以拆开，方便取出铸造的镁低碳锰铁合金的铸锭。模具为铸铁材质，可重复多次使用。

在本公开的一些实施例中，底膜2锥度小于上模1的锥度，上模1的颈口浇道直径是底膜2最小直径的1/2以下。

需要说明的是：底膜2锥度在5-15°,上模1的锥度在15-30°，底膜2锥度小于上模1的锥度，使底膜2能够呈留相对应的铝粒4和镁粒3，使浇注内的低碳锰铁合金钢水能与铝粒4和镁粒3充分的反应，得到相应的含镁低碳锰铁合金；通过模的颈口浇道直径是底膜2最小直径的1/2以下，使在浇注的过程中，控制低碳锰铁合金钢水的注射速度，使落入底膜2内的低碳锰铁合金钢水充分与铝粒4和镁粒3发生反应，防止堆积，热量过大，损坏模具。

在本公开的一些实施例中，模具的总高度在1M以上，上模1的顶端设置有直线的颈口浇道，上模1的注液口5为敞开的浇注杯口。

需要说明的是：低碳锰铁钢水浇注完毕后，通过直线的颈口浇道，上模1的直线束口浇道处的铸件直径较小，凝固速度快，将会先于模具底部完成凝固，将底部未凝固的金属液困在模具内，防止低密度的铝液和镁液上浮溢出；

浇注杯口状的注液口5，防止浇注过程不洒落溢出；

将模具的总高度设置在1m以上，模具浇注完毕后，可以在模具底部产生0.6以上的大气压力，保证模具底部的铝镁合金与铁水充分接触，减少合金的挥发溢出。

在本公开的一些实施例中，S1-S6步骤中，将多次使用的上模1和底膜2清扫干净后，在模具内壁涂刷耐热润滑涂层后并烘干后；然后，在底膜2中先放置一定量的镁粒3，再放置一定量的铝粒4，镁粒3和铝粒4放置完毕后，在上方放置一层圆形钢丝网6；最后。底膜2放置好以后，放置上模1，上模1与底膜2对正后，将上模1和底膜2固定起来，防止浇注过程的跑模现象。

在本公开的一些实施例中，铝粒4、镁粒3的直径10-50mm,加入铝粒4和镁粒3的总重量不超过浇注低碳锰铁合金总重量的10％。放置在底膜2中的数量依据制造含镁低碳锰铁的合金成分配比而定。

在本公开的一些实施例中，钢丝网6为圆形，直径略小于模具中间的最大直径。

需要说明的是：钢丝网6直径略小于模具中间的最大直径，可以有一定的浮动空间，但是浮动到模具最大直径处不会再上浮。钢丝网6网孔直径控制在2-10mm,小于放置铝粒4和镁粒3的尺寸。制备的钢丝直径在1-3mm，具体根据设计的模具大小而定，浇注模具越大，采用钢丝网6直径越大。

高温的低碳锰铁的钢水浇注到模具过程中，铝粒4和镁粒3在上方的钢丝网6的阻挡作用下不会上浮。这是因为钢丝的熔点高于铝与镁的熔点，会晚于铝粒4和镁粒3熔化。

在本公开的一些实施例中，上模1颈口区域的直径一般在30-100mm。

需要说明的是：浇注完毕后会在1-2分钟内完全凝固，将未凝固区域的铸件完全封闭在模具内。

本发明所达到的有益效果为：本专利所述的含镁低碳锰铁的凝固过程主要特点是钢水浇注过程及后续凝固过程，因钢水的凝固点远高于铝镁合金，因此钢水与模具内壁接触时，会快速形成一层凝固壳，将还未完全熔化的镁粒3、铝粒4逐步排斥到到铸锭的中间及心部。在浇注钢水的过热及凝固过程的巨大凝固潜热释放作用下，模具中的镁粒3、铝粒4、阻隔的钢丝网6，都会逐步熔化成液态熔体。熔化完成的顺序依次是镁、铝、钢丝网6。模具底部熔化后低密度的铝镁液态熔体与上部的高密度的钢水发生强烈的溶质对流并逐步混合均匀，混合后的液态熔体被困在铸件的中心区域，最终随着铸件温度的降低也逐步凝固。

本专利制备的含镁低碳锰铁合金的铸锭的主要特点是制备的合金铸件中间区域存在一定的疏松及成分偏析情况，但是不影响合金炼钢过程的使用。铸件外表面层及上部瓶口区域的低碳锰铁含量较高，中间的心部铝镁合金含量较高，铝镁合金成分分布存在一定的偏析。

本专利所述方法制备的含镁低碳锰铁的密度达到7.1-7.4g/cm3，合金的冷态密度大于炼钢钢水密度，合金加入液态钢水中，可以自然沉入钢包底部后逐步熔化，镁元素可以更好发挥高效脱硫作用。

本专利所述方法制备的含镁低碳锰铁合金过程中的铝镁元素收得率在98％以上，合金烧损现象极少，制造成本低。

本专利所述的含镁低碳锰铁合金在炼钢过程使用方便，用途广泛。制备的合金在转炉或者电炉出钢过程加入，也可以在LF精炼过程加入，优选在出钢过程加入。该含镁低碳锰铁合金可以用于炼钢过程的增Mn元素含量及深脱硫。

本专利所述的含镁低碳锰铁合金，在炼钢冶炼过程加入后，每加入1kg/t含镁低碳锰铁合金，可降低钢水中0.001-0.003％S，降低10-20ppm的氧或者提高0.001-0.003％Als含量，与此同时增加0.06-0.08％Mn含量。合金加入量可自主调节，加入量根据冶炼钢种确定。

本专利所述含镁低碳锰铁合金及其制备方法的优点有以下几点：

(1)合金制备过程与低碳锰铁生产工艺衔接，无需二次熔化锰铁合金，节省电耗，同时避免熔化过程的合金烧损，铝镁合金元素收得率在98％以上。

(2)该合金的制备方法无需专用的制造设备，只需要特制的模具及浇注方法，模具可重复使用，制备过程的铝镁元素烧损极少，制造成本低。

(3)制备含镁低碳锰铁合金密度大，能够自然沉降到钢包底部，脱硫效果好，在增加钢水Mn含量的同时，可以实现脱硫、脱氧功效。解决传统的低碳锰铁加入量较大，普遍存在的增硫的问题。在一些炼钢过程无法进行LF精炼脱硫的场合，可以实现快速脱硫、脱氧。

(4)该方法制备的含镁低碳锰铁用途广泛，可以大幅度降低炼钢过程的生产成本，缩短炼钢过程冶炼时间，受到各钢厂的青睐。

附图说明

图1是本申请含镁低碳锰铁合金的制备方法的流程图；

图2是本申请模具的结构示意图；

图3是本申请钢丝网的结构示意图；

图4是本申请含镁低碳锰铁的铸件凝固过程示意图。

附图标记说明：

图中，1-上膜；2-底膜；3-镁粒；4-铝粒；5-注液口；6-钢丝网。

具体实施方式

为使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

本申请为了解决镁铝锰铁合金中Al含量高，制备的合金密度低于钢水密度，加入钢包后会漂浮在钢包表面，实际上脱氧、脱硫效果可能有限问题，现提出一种用于炼钢冶炼可脱硫的低碳锰铁及其制备方法。

实施例1：一种含镁锰铁合金的化学成分(重量％)为：Mg为5％，Al为2％，其余为低碳锰铁合金，具体成分为FeMn84C0.15低碳素锰钢。其制备方法如下：

该合金制备方法采用的特制专用模具尺寸如下，底膜2底面内径为200mm,底膜2深度为300mm，底膜2与上模1交界面内径为300mm。上模1总高度为900mm,下口内径300mm，上口直径为50mm，铸造区域高度为600mm。上模1具的束口区域直线高度为200mm，浇注杯口高度为100mm，浇口杯开口度为120°，模具的总高度在1.2m左右，单次浇注的铸锭重量达到200kg。

模具浇注前，在底膜2中加入10.5kg镁粒3，4.5kg的铝粒4，铝粒4和镁粒3采用铝线镁线截断制备，直径为10mm，钢丝网6的直径为2mm。底膜2材料放置完毕后。将上模1具安装对齐后固定起来，然后移动至钢水浇注区域。

将工业生产的低碳锰铁钢水出钢温度控制在1300-1350℃，出钢后直接浇注到提前准备的模具中，浇注速度控制2kg/s，100秒内完成浇注。整个铸件及模具杯口区域都完全浇满后，转向下一模具。

本发明所述的含镁低碳锰铁铸件浇注完毕，自然空冷。凝固过程中，铸锭与模具接触的外壁及上部颈口区域首先凝固，将铝镁溶液控制在铸锭中间区域，凝固过程的示意图如图4所示。在随后的凝固过程中，铝镁熔体与低合金钢水在内部溶质对流作用下，逐步混合均匀，形成含AlMg元素的混合熔体，并在后续过程中自然凝固。最终凝固的铸锭中间存在一定疏松及缩孔，当不影响冶炼合金的使用。

本发明所述方法制备的铸锭自然冷却至室温后，将上下模拆开，可取出铸锭。浇口杯区域因为凝固收缩的巨大应力，冷却过程自然断开，浇口杯区域铸件从上面取出来。将制备的铸件在破碎机上破碎后装袋使用。

采用上述工艺制备的含镁低碳锰铁的化学成分Mg为4.0-5.0％，Al为2.2％，Mn含量为80％，C含量为0.16％，Si含量为0.80％，含有微量的P、S，其余为Fe。铸锭不同部位Mg含量略有不同，Mg元素存在一定的偏析，铸件心部及上部Mg含量偏高。这种微观偏析并不制备合金工业化的影响使用。

将通过上述方法制备的含镁低碳锰铁合金，用于某钢厂的工业化生产。在转炉出钢过程中加入，出钢前对转炉钢水进行取样。出钢过程按照5kg/吨加入制备的含镁低碳锰铁合金，出钢过程不再加入石灰脱硫，出钢完毕在氩站软吹氩15分钟后，再次取样化验成分。转炉出钢前及氩站软吹氩15分钟后的合金成分如表1所示。加入含镁低碳锰铁的炉次，在未加入石灰脱硫的情况下，每炉实现降低S含量达0.012％，脱硫效果明显。

表1含镁低碳锰铁转炉出钢过程加入前后效果对比

成分

C

Si

Mn

P

S

O

出钢加入前

0.06％

0.06％

0.22％

0.015％

0.020％

100ppm

出钢加入后

0.08％

0.15％

0.67％

0.018％

0.008％

30ppm

对本专利制备的含镁低碳锰铁合金进行多次现场试验，试验结果表明：平均每加入1kg/t的该合金可实现脱硫0.002-0.003％，增锰0.08-0.10％，Mn收得率在98％以上。

本发明制备的含镁低碳锰铁合金，解决目前钢铁冶炼中，加入锰铁合金过程中必然出现增S的问题，而实现加入合金实现脱硫的过程。某钢厂在转炉出钢过程加入本专利的含镁低碳锰铁合金，S含量直接0.025％降至0.01％以下，满足国家标准及品种钢冶炼要求，生产过程可取消LF精炼造渣脱硫工艺，吨钢生产成本降低50-80元/吨，节省了大量石灰等冶炼辅料的使用。

采用本专利所述工艺制备的含镁低碳锰铁合金，解决传统炼钢过程的锰铁合金加入必然引起钢水增S的问题，加入合金后必须在LF精炼造渣脱硫，否则无法满足国家及企业冶炼标准需要。通过该新型合金加入，实现合金配比及脱硫过程二合一，缩短冶炼过程，降低冶炼成本，在炼钢过程有广泛的应用空间。

本发明所述的含镁低碳锰铁还可以用于高锰钢、各种特种钢的生产，在增加Mn含量的同时，实现脱氧、脱硫的功效，市场应用广泛。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种含镁锰铁合金，其特征在于：含镁锰铁合金的化学成分重量％为 ：Mg为2-8%，Al为1-5%，其余为锰铁,锰铁的具体成分为FeMn 84C 0.15的锰铁合金；其中Al和Mg的总含量不超过10%；

一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其步骤如下：

S1:对浇注的模具进行清洗，在模具内壁涂刷耐热润滑涂层；

S2:对润滑涂层进行烘干；

S3:在模具的底部放置镁粒，在镁粒的上表面再放置铝粒；

S4:在模具的内部，铝粒的上方放置钢丝网；

S5:将模具的上模与底模对正后固定；

S6:对模具的内部注入氩气；减少浇注过程的合金烧损；

S7:将工业生产的液体低碳锰铁合金钢水以高于液相线温度60-100℃浇注到模具内，

S8:浇注时间控制在2分钟内，注射到模具的注液口后停止；

S9:模具内的注射钢水自然凝固后拆开模具，取出铸锭，能够使用；

模具为中间大，两头小的圆锥形模具；上模和底模分开拆卸;

模具的总高度在1m以上，上模的顶端设置有直线的颈口浇道；

钢丝网为圆形，钢丝网直径小于模具中间的最大直径, 钢丝网网孔直径小于放置铝粒和镁粒的尺寸。

2.根据权利要求1所述一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其特征在于，底模锥度小于上模的锥度，上模的颈口浇道直径是底模最小直径的1/2以下。

3.根据权利要求1所述一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其特征在于，铝粒、镁粒的直径10-50mm, 加入铝粒和镁粒的总重量不超过浇注低碳锰铁合金总重量的10%。

4.根据权利要求1所述一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其特征在于，底模锥度在5-15°,上模的锥度在15-30°。

5.根据权利要求1所述一种含镁低碳锰铁合金的制备方法，其特征在于，上模颈口区域的直径为30-100mm。