CN115478130A - 一种镁处理用包芯线及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体地，本发明提供了一种镁处理用包芯线及其使用方法，通过将包芯线中的金属镁替换为高熔沸点的离子型化合物碳化镁，降低镁处理时的剧烈程度，以提高镁元素的回收率，减少钢液面扰动情况，降低镁处理时间、提升生产效率。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体地讲，本发明涉及一种镁处理用包芯线及其使用方法。
背景技术
金属镁的还原性非常强，其还原性强于Al、Si等炼钢常用脱氧剂，在炼钢流程中可变质Al2O3、SiO2等夹杂，生成MgO·Al2O3或MgO，镁脱氧产物的离散性好，MgO颗粒间吸引力约为Al2O3颗粒间吸引力的1/10，MgO·Al2O3或MgO夹杂在钢液中的不易聚合长大，尺寸一般小于6μm，因此镁处理具有细化炼钢流程中夹杂物的效果，在炼钢行业中具有良好的应用前景。
但由于金属镁的熔点为651℃，沸点为1107℃，在炼钢温度(1600℃)下的饱和蒸汽压为2.3Mpa(23个大气压)，也即需在23个大气压的压强之下，才能使镁在钢液中以液态形式存在，而这显然是炼钢工艺流程所不具备的，金属镁直接加入钢液中的气化过程非常剧烈，易产生大翻、爆炸等问题。
为提高镁元素的回收率、降低镁处理反应的剧烈程度，目前公布的现有技术中，如CN201610866175.X一种钢液镁处理用缓释镁合金的制备方法、CN202110219515.0一种低夹杂物的铝镇静钢的制备方法中主要采用将Mg合金与Al、Si、Ni、Fe等类合金预先熔炼成Mg-Al-Fe、Mg-Ni-Fe、Mg-Si-Fe等互溶类复合合金，然后将这些预先熔炼后的含镁复合合金以包芯线的形式喂入钢液中，这些熔炼后的复合合金中含镁一般为5～20％，通过对镁金属的稀释来降低金属镁的溶解、扩散和反应的剧烈程度，但这类稀释镁金属的方法只能使镁元素的回收率控制在5～20％；镁处理过程过于激烈造成渣面剧烈扰动以及钢液的二次氧化；且由于包芯线中复合合金的Mg含量低还会造成喂线量增多、喂线时间延长、钢水中增Al、Si、Ni元素严重等问题。
发明内容
为解决现有镁处理技术的不足，本发明提供一种镁处理用包芯线及其使用方法，通过改变镁元素在包芯线中的化学存在形式来提高镁元素的沸点，具体的为镁元素在于包芯线中以碳化镁的形式存在，碳化镁的熔点和沸点远高于金属镁，可以降低镁处理时反应的剧烈程度。
本发明提供了一种镁处理用包芯线，所述镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，所述芯粉包括碳化镁。
所述碳化镁包括Mg2C3、MgC2。
进一步的，以质量百分比计，所述碳化镁占芯粉总质量的80％以上，其余为不可避免的杂质。
优选的，所述芯粉为Mg2C3，所述Mg2C3占芯粉总质量的80％以上。
优选的，所述芯粉为MgC2，所述MgC2占芯粉总质量的80％以上。
优选的，所述芯粉为Mg2C3、MgC2混合物，所述Mg2C3、MgC2混合物占芯粉总质量的80％以上。
所述芯粉的粒度范围为1～5mm。
所述钢制外壳采用低碳钢带制作而成，所述低碳钢带的碳含量以质量百分比计为：不大于0.10％；所述低碳钢带厚度为0.5～1mm。
所述镁处理用包芯线的外径为12～15mm，每米包芯线的总重量为220～330g。
进一步的，每米所述钢制外壳的重量为170～240g，每米所述芯粉的重量为50～90g。
制作镁处理用包芯线的设备及工艺采用现有制作普通包芯线的设备及工艺，具体的为：低碳钢带开卷后进入包芯线生产机组，通过包芯线机组用钢带包裹上芯粉即可。
所述镁处理用包芯线制作完成后，立即对捆扎后的镁处理用包芯线进行紧密的外包装处理，以隔绝外界空气，防止所述镁处理用包芯线吸潮。
进一步的，所述外包装为塑料薄膜。
本发明还提供了上述镁处理用包芯线的使用方法。
所述镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为1.5～3m/s。
所述镁处理用包芯线喂入量为0.8～1.5m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前。
所述镁处理用包芯线使用时，开启外包装后，需在72h内使用完毕，未在规定时间内使用完毕的包芯线以废弃物形式处理，以免吸潮后的包芯线达不到镁处理的正常使用效果。
所述芯粉中的Mg2C3为离子型化合物，离子键的键能比较大，离子键的键能大于金属键，离子化合物的熔点和沸点一般较高，Mg2C3的熔点为710℃、沸点为1418℃，其熔点和沸点都远高于金属Mg单质，因此镁处理用包芯线中的芯粉在钢液中熔化或气化的剧烈程度较低，能降低镁处理反应时的剧烈程度，提高镁元素回收率。
Mg2C3在钢液中会直接与溶解氧[O]、Al2O3、SiO2发生如下①②③式的化学反应，起到深脱氧和变质夹杂物的效果。
Mg2C3+[O]→MgO+C ①
Mg2C3+Al2O3→MgO·Al2O3+C ②
Mg2C3+SiO2→MgO+Si+C ③
Mg2C3也会以④式的形式先溶解为Mg单质和C单质，然后再与[O]、Al2O3、SiO2发生⑤⑥⑦反应，起到深脱氧和变质夹杂物的效果。
Mg2C3→[Mg]+[C] ④
[Mg]+[O]→MgO ⑤
[Mg]+Al2O3→MgO·Al2O3+Al ⑥
[Mg]+SiO2→MgO+Si ⑦
包芯线芯粉中的MgC2同样也为离子型化合物，同样具有降低镁处理反应时剧烈程度、深脱氧及变质夹杂物的效果。
本发明至少具有如下优点：
1、与现有技术相比，本发明所提供镁处理用包芯线的芯粉为碳化镁，改变了镁元素在芯粉中的化学存在形式，通过改变含镁芯粉的化合态存在形式来提升镁质芯粉的沸点，使之大幅高于金属镁的沸点，从而降低镁处理的剧烈反应程度，提高镁处理时镁元素的回收率。
2、本发明所提供镁处理用包芯线的芯粉为碳化镁，镁含量达到50％以上，比现有技术中的复合镁合金包芯线中的镁含量高150％以上，因此采用本申请所提供的包芯线进行镁处理可减小镁线喂入量、降低镁处理时间、提升生产效率。
3、本发明所提供镁处理用包芯线的芯粉中不含有Al、Si、Ni等元素，可适用于对Al、Si、Ni元素含量下限有要求的钢种；本发明所提供镁处理用包芯线的芯粉虽然含有部分碳元素，但由于镁处理一般为微镁处理，钢水中的增镁量一般控制在5～30ppm，相应的使用本申请所提供镁处理用包芯线的增C量会小于0.01％，且C属于炼钢流程最广泛使用的合金，增加如此微量的C对绝大部分钢种没有负面影响。
附图说明
图1实施例1中结晶器钢水夹杂物形貌图；
图2对比例1中结晶器钢水夹杂物形貌图。
具体实施方式
实施例1
某钢厂钢包内钢水重量为120吨，镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，所述芯粉包括Mg2C3，以质量百分比计，Mg2C3占总芯粉质量的91％，其余为不可避免的夹杂，芯粉的粒度范围为1～5mm，钢制外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.06％，钢带厚度为0.6mm，镁处理用包芯线的外径为13mm，每米包芯线的总重量为280g，每米包芯线的外壳重量为210g，每米包芯线的芯粉重量为70g。
所述镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为2.0m/s，喂入量为1.2m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中的镁含量，检测结果见下表1。
结晶器钢水样冷凝后加工成表明光洁的试样，试样表面光洁度大于13级(Ra0.025)，并在高温共聚焦显微镜下观察夹杂物形貌，观测温度为1600℃，夹杂物形貌见下图1。
制作镁处理用包芯线的设备及工艺采用现有制作普通包芯线的设备及工艺，具体的为：低碳钢带开卷后进入包芯线生产机组，通过包芯线机组用钢带包裹上芯粉。
所述镁处理用包芯线制作完成后，立刻用塑料薄膜对整捆线进行紧密的外包装，塑料薄膜外包装需达到完全隔绝外界空气的效果，以防止包芯线吸潮。
所述镁处理用包芯线使用时，包芯线开启塑料薄膜外包装后，在72h内使用完毕，未在规定时间内使用完毕的包芯线以废弃物形式处理，以免吸潮后的包芯线达不到镁处理的正常使用效果。
实施例2
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，芯粉为Mg2C3与MgC2的混合物，以质量百分比计，Mg2C3占总芯粉质量的84％；MgC2占总芯粉质量的15％。芯粉的粒度范围为1～5mm。所述钢制外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.10％，钢带厚度为0.5mm，包芯线的外径为12mm，每米包芯线的总重量为220g，每米包芯线的外壳重量为170g，每米包芯线的芯粉重量为50g。镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为3m/s，喂入量为1.5m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
实施例3
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，芯粉为Mg2C3与MgC2的混合物，以质量百分比计，Mg2C3占总芯粉质量的85.75％；MgC2占总芯粉质量的12％。芯粉的粒度范围为1～5mm。所述钢制外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.030％，钢带厚度为1mm，包芯线的外径为15mm，每米包芯线的总重量为330g，每米包芯线的外壳重量为240g，每米包芯线的芯粉重量为90g。镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为1.5m/s，喂入量为0.8m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
实施例4
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，芯粉为MgC2，以质量百分比计，MgC2占总芯粉质量的91％。芯粉的粒度范围为1～5mm。镁处理用包芯线的外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.10％，钢带厚度为0.5mm，包芯线的外径为12mm，每米包芯线的总重量为230g，每米包芯线的外壳重量为170g，每米包芯线的芯粉重量为60g。镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为3m/s，喂入量为1.5m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
实施例5
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，所述芯粉包括Mg2C3，以质量百分比计，Mg2C3占总芯粉质量的81％，芯粉的粒度范围为1～5mm，钢制外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.06％，钢带厚度为0.6mm，镁处理用包芯线的外径为13mm，每米包芯线的总重量为280g，每米包芯线的外壳重量为210g，每米包芯线的芯粉重量为70g。
所述镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为2.0m/s，喂入量为1.2m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
对比例1
镁处理用包芯线由钢质外壳和Mg-Al-Fe芯粉组成，包芯线的外径为13mm，每米包芯线的总重量为360g，每米包芯线的外壳重量为210g，每米包芯线的芯粉重量为150g，以质量百分比计，Mg占总芯粉质量为8％，喂入量为4m/吨钢，喂线速度为2.5m/s。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
结晶器钢水样冷凝后加工表明光洁的试样，试样表面光洁度大于13级(Ra0.025)，并在高温共聚焦显微镜下观察夹杂物形貌，观测温度为1600℃，夹杂物形貌见图2。
其他技术要点同实施例1。
对比例2
镁处理用包芯线由钢质外壳和Mg-Ni-Fe芯粉组成，包芯线的外径为12.5mm，每米包芯线的总重量为330g，每米包芯线的外壳重量为210g，每米包芯线的芯粉重量为120g，以质量百分比计，Mg占总芯粉质量为15％，喂入量为3m/吨钢,喂线速度为2.5m/s。
喂线过程中钢液表面有外裸露现象；
在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例2。
对比例3
镁处理用包芯线由钢质外壳和Mg-Si-Fe芯粉组成，包芯线的外径为13.5mm，每米包芯线的总重量为380g，每米包芯线的外壳重量为210g，每米包芯线的芯粉重量为170g，以质量百分比计，Mg占总芯粉质量为20％，喂入量为2m/吨钢，喂线速度为2.5m/s。
喂线过程中钢液表面有大翻现象；
在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例3。
对比例4
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，芯粉为Mg2C3，以质量百分比计，Mg2C3占总芯粉质量的70％。芯粉的粒度范围为1～5mm。镁处理用包芯线的外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.10％，钢带厚度为0.5mm，包芯线的外径为12mm，每米包芯线的总重量为220g，每米包芯线的外壳重量为170g，每米包芯线的芯粉重量为50g。镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为3m/s，喂入量为1.5m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
对比例5
镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，芯粉为Mg3N2，以质量百分比计，Mg3N2占总芯粉质量的91％。芯粉的粒度范围为1～5mm。镁处理用包芯线的外壳采用低碳钢带制作而成，钢带的碳含量为0.10％，钢带厚度为0.5mm，包芯线的外径为12mm，每米包芯线的总重量为220g，每米包芯线的外壳重量为170g，每米包芯线的芯粉重量为50g。镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为3m/s，喂入量为1.5m/吨钢，喂入时机为钢水精炼末期、上连铸前，喂线后软吹搅拌12min。
喂线过程中钢液表面无外裸露现象；
检测包芯线芯粉中Mg元素的质量百分含量，并在连铸结晶器内取样检测钢水中镁含量，检测结果见下表1。
其他技术要点同实施例1。
表1、实施例、对比例的数据值
由表1可看出，实施例1～5中镁处理时的Mg元素回收率为47～57％，而对比例1～3中镁处理时的Mg元素回收率为10～17％，实施例中镁处理的Mg元素回收率大幅高于对比例，其原因是由于实施例中镁处理所用的包芯线芯粉为本申请所述的芯粉，芯粉中的Mg2C3、MgC2为离子型化合物，离子键的键能比较大，离子键的键能大于金属键，离子化合物的熔点和沸点一般较高，例如Mg2C3的熔点为710℃、沸点为1418℃，其熔点和沸点都远高于金属Mg单质，因此包芯线中的芯粉在钢液中熔化或气化的剧烈程度较低，能降低镁处理反应时的剧烈程度，提高镁元素回收率，并且镁处理过程中无钢液面扰动情况。对比例中的镁处理用包芯线芯粉为Mg-Al-Fe、Mg-Ni-Fe、Mg-Si-Fe等互溶类复合合金，这些熔炼后的复合合金中含镁一般为5～20％，通过对镁金属的稀释来降低金属镁的溶解、扩散和反应的剧烈程度，但这类稀释镁金属的方法并不能明显提高含镁原子的金属键能，镁原子仍易挥发，只能使镁元素的回收率控制在5～20％，回收率仍降低，且芯粉中Mg含量较高的对比例2、3中在镁处理时存在钢液面扰动和大翻现象。
由图1、图2对比可看出，采用本申请所述技术的实施例1中的夹杂物尺寸细小，夹杂物无团簇聚集状态，夹杂物尺寸普遍小于6μm，其原因是由于实施例1所述技术中镁处理所用包芯线的沸点高，包芯线中的芯粉在钢液中熔化或气化的剧烈程度较低，能降低镁处理反应时的剧烈程度，提高镁元素回收率，钢水中镁含量高，镁处理变质夹杂物的效果彻底，夹杂物呈细小弥散状态；图2中的夹杂物呈团簇状态，某些团簇状夹杂物尺寸大于100μm，其原因是由于对比例1所述技术中镁处理所用包芯线的沸点低，包芯线中的芯粉在钢液中熔化或气化的剧烈程度较高，镁元素回收率低，钢水中镁元素含量低，镁处理变质夹杂物的效果不彻底，呈细小弥散状态的夹杂物少，大部分夹杂物仍呈团簇状。
由表1可看出，实施例1～5中镁处理时的喂线时间为60～72s，而对比例1～3中镁处理时的喂线时间为96～192s，实施例中的镁处理喂线时间明显短于对比例，其原因是由于实施例中镁处理所用的包芯线芯粉为本申请所述的芯粉，镁含量达到45％以上，比现有技术中的复合镁合金包芯线中的镁含量高150％以上，因此采用本申请所提供的包芯线进行镁处理可降镁线喂入量、降低镁处理时间、提升生产效率。
由表1可看出，对比例4中镁处理所用包芯线中Mg2C3的质量百分比为70％，低于本申请所述技术中的Mg2C3占芯粉总质量80％以上的含量要求，导致镁处理后结晶器钢水中Mg元素含量只有15.3ppm，比实施例1-5中的结晶器钢水中Mg元素含量低约4ppm，钢水中镁含量较低，镁处理变质夹杂物的效果较差。
由表1可看出，对比例5中镁处理所用包芯线中的芯粉为Mg2N3，但采用此种包芯线进行镁处理时的Mg元素回收率只有13％，大幅低于实施例1～5中镁处理时的Mg元素回收率，其原因是：由于N元素的非金属性远大于C元素，Mg原子的外层电子大部分已经被N原子所吸引，Mg2N3的还原性较弱，导致Mg2N3的还原性低于碳化镁，喂入钢液中的Mg2N3还原钢液中的金属氧化物的能力弱、反应速度慢，大部分Mg2N3来不及与钢液中的金属氧化物反应完全就上浮损失掉了，导致Mg元素回收率低，变质氧化夹杂物的效果也较差；而实施例1-5中镁处理所用包芯线中的芯粉为碳化镁，C元素为具有良好还原性的元素，其对Mg原子的外层电子的吸引力较弱，碳化镁的还原性较强，喂入钢液中的碳化镁还原钢液中的金属氧化物的能力强、反应速度快，Mg元素的回收率高，变质氧化夹杂物的效果好。
Claims (10)
1.一种镁处理用包芯线，其特征在于，所述镁处理用包芯线由钢质外壳和芯粉组成，所述芯粉包括碳化镁。
2.根据权利要求1所述的镁处理用包芯线，其特征在于，所述碳化镁为Mg2C3、MgC2或其混合物。
3.根据权利要求1所述的镁处理用包芯线，其特征在于，以质量百分比计，所述碳化镁占芯粉总质量的80％以上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的镁处理用包芯线，其特征在于，芯粉的粒度范围为1～5mm。
5.根据权利要求1所述的镁处理用包芯线，其特征在于，所述钢制外壳采用低碳钢带制作而成，所述低碳钢带的碳含量以质量百分比计为：不大于0.10％；所述低碳钢带厚度为0.5～1mm。
6.根据权利要求1所述的镁处理用包芯线，其特征在于，所述镁处理用包芯线的外径为12～15mm，每米包芯线的总重量为220～330g。
7.根据权利要求1所述的镁处理用包芯线，其特征在于，每米所述钢制外壳的重量为170～240g，每米所述芯粉的重量为50～90g。
8.一种如权利要求1所述镁处理用包芯线的使用方法，其特征在于，所述镁处理用包芯线喂入钢液中的速度为1.5～3m/s。
9.根据权利要求8所述镁处理用包芯线的使用方法，其特征在于，所述镁处理用包芯线喂入量为0.8～1.5m/吨钢。
10.根据权利要求8所述镁处理用包芯线的使用方法，其特征在于，开启外包装后，所述包芯线在72h内使用完毕。
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-
2022
- 2022-09-19 CN CN202211139349.4A patent/CN115478130A/zh active Pending
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