專利名稱：一種煉鋼用鋼水脫氧劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵合金生產(chǎn)領(lǐng)域，更具體地說是關(guān)于煉鋼脫氧劑生產(chǎn)的改進技術(shù)。
背景技術(shù)：
脫氧合金是煉鋼生產(chǎn)過程最重要的材料。原則上講，只要能和鋼中的氧發(fā)生反應(yīng)的金屬均可以選擇作為脫氧劑材料。通常情況下，對脫氧劑有幾種基本要求一是能夠脫除鋼水中的溶解氧；二是反應(yīng)生成的物質(zhì)比較容易從鋼水中上浮排出鋼水外；三是脫氧徹底，脫氧成本合理。
理論研究與實踐證明，金屬鋁是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、脫氧最為徹底、脫氧效果最好的材料。鋁除了脫氧外，鋼中的金屬鋁還是一種有益的合金成分。目前，市場上金屬鋁或者含鋁的復(fù)合脫氧劑種類特別多，主要是純金屬鋁形式，鋁錠、鋁線、鋁粒、鋁塊、鋁餅等，以金屬鋁做成不同形狀的脫氧劑。鋁和鐵簡單混合形式，鋼芯鋁、鐵包鋁等，系采用溶解鋁中插入金屬鐵等制成，由于有了鐵的存在，密度由2.7g/cm3提高鋁4.5g/cm3以上。硅系列、鋁鈣系列、鋁錳系列，硅鋁鈣鋇、鋁錳鈦等等，除了密度高以外，由于有了硅、錳等的協(xié)同作用，脫氧能力同時得到提高。
隨著中國鋼鐵業(yè)的發(fā)展，至2006年底高品質(zhì)鋼、板管比例等接近鋼總量的50％以上，對鋁系合金用量呈現(xiàn)大幅增長的趨勢。一般情況下，含鋁鋼種根據(jù)鋼中鋁含量要求，生產(chǎn)時鋁的加入量折合純鋁為1～1.5kg/t鋼；對鋁含量沒有要求的鋼種，生產(chǎn)時鋁的加入量折合純鋁為0.3kg/t鋼左右。
鋁及鋁系合金使用過程中主要問題鋁的比重2.7g/cm3，小于渣3.0～3.5g/cm3和鋼水7.0g/cm3，加入過程難以穿過渣層，部分留在渣中；進入鋼水的鋁合金，由于穿透深度淺，融化過程中容易上浮到渣中，兩種原因?qū)е陆饘黉X的收得率低，根據(jù)生產(chǎn)實踐，金屬鋁脫氧收得率不足10％。
鋁鐵簡易混合合金，雖然能穿過渣層進入鋼水，但是進入鋼水后，由于鋁的熔點低，立即和鐵分離，鋁在熔化過程中迅速上浮，收得率也較低，一般情況下，不超過12％。此外，由于采用鋁包鐵的方式，產(chǎn)品生產(chǎn)過程易于造假，而且進入鋼廠后檢驗驗收也比較困難。
鋁及鋁系合金普遍存在的問題，鋁脫氧后生成細小的三氧化二鋁氧化物夾雜，在鋼中呈彌散分布，由于三氧化二鋁的熔點高于鋼的熔點，因此，在鋼中難以聚合長大排出鋼液，留在鋼中的三氧化二鋁有兩種危害一是在鋼水澆注過程中，隨著溫度的降低，細小的三氧化二鋁夾雜物會重新析出，并黏附在耐火材料水口壁上，不斷增多，杜塞水口，影響連鑄澆鑄順利進行。二是三氧化二鋁夾雜物影響鋼材的純凈度，最終影響鋼材使用性能。為解決此問題，生產(chǎn)中一般采用鈣處理等方式，利用金屬鈣反應(yīng)生成的氧化鈣，和鋼水中夾雜的三氧化二鋁發(fā)生反應(yīng)，生成12CaO·7Al2O3低熔點物質(zhì)，可以順利地從鋼水中上浮排出。
金屬鎂和鈣屬于元素周期表中同一族元素，與金屬鈣一樣，鎂同樣具有較強的脫氧和脫硫能力。但是由于金屬鎂的熔點低(648℃)，在煉鋼溫度下蒸汽壓高達2.038×106Pa，在鋼水中加入金屬鎂的安全問題以及金屬鎂處理鋼液的利用率問題一直成為制約金屬鎂脫氧的主要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對鋼水同樣效果好、抗粉化、適于鋼材穩(wěn)定生產(chǎn)的鋼水脫氧劑及其生產(chǎn)技術(shù)。
本發(fā)明的解決方案是提供了一種復(fù)合鋼水脫氧劑，它也是一種含鋁的鐵基合金，同時還添加了金屬鎂和稀土元素，其組分含量以重量百分?jǐn)?shù)計，分別為8-12wt％鎂，0.03-1wt％稀土金屬，48-58wt％鋁和平衡量的鐵。這里所說的稀土金屬它選自鑭和鈰的混合物。
本發(fā)明的鋼水脫氧劑通過以下方法進行制備，其制備工藝包括以下主要步驟1、在感應(yīng)爐中將定量的廢鋼熔化后，加入比例量的鋁錠，令其完全熔化；2、測量熔化好的含鋁鋼水的溫度，當(dāng)鋼水溫度為900-1100℃時，加入含金屬鎂的材料；這里所說的含金屬鎂材料包括金屬鎂粒、金屬鎂錠或鋁鎂錠。這里優(yōu)選的是鋁鎂錠，即將金屬鎂和鋁先制成鋁鎂錠，這種鋁鎂錠其中金屬鎂含量可以選擇30-70wt％。待含金屬鎂材料熔化完畢，攪拌均勻；3、在鋼包底部預(yù)先加入配比量的稀土金屬合金，優(yōu)選是鑭鈰合金，其中鑭、鈰含量為30-50wt％。再注入上述熔化好的鋼水，利用鋼水的沖擊力攪拌均勻，澆鑄成型。這樣就得到本發(fā)明所說的鋼水脫氧劑。
如此獲得的本發(fā)明鋼水脫氧劑煉鋼時每噸按適當(dāng)比例添加，在出鋼過程中隨鋼水流加入，即可取得優(yōu)良的脫氧效果。
本發(fā)明的一個重要特點是在含鋁的鐵基合金脫氧劑中添加了金屬鎂。
眾所周知，金屬鋁是目前應(yīng)用最廣泛，脫氧效果最好的材料，在保證脫氧劑比重的情況下，其含量宜高。但是當(dāng)鋁的含量超過60％以后，比重顯著下降，并接近鋼渣比重，對使用效果不利，所以本發(fā)明脫氧劑中選定鋁的含量在48-58wt％。采用金屬鋁脫氧由于生成彌散的、細小的高熔點顆粒，鋼液中夾雜大量的Al2O3，引起鋼水口結(jié)瘤，造成鋼液連鑄過程中斷。同時過多的Al2O3夾雜使鋼的蠕變性能、高溫強度降低，以及軸承鋼等的疲勞壽命惡化。
本發(fā)明在含鋁的鐵基合金脫氧劑中添加鎂后發(fā)生以下反應(yīng)Al2O3+MgO→Al2O3·MgOMnS+MgO→MgS反應(yīng)產(chǎn)物顆粒尺寸不超過5微米，其熔點低，極易從鋼水中上浮，從而減少了鋼水口結(jié)瘤的幾率，并大大降低了鋼材軋制過程的廢品率。
研究表明要確保脫氧產(chǎn)物產(chǎn)生低熔點的Al2O3·MgO，脫氧劑中的鎂含量以8-12wt％為宜。鎂含量過高，造成材料成本、鋼材成本增加，且生成的夾雜物熔點高；鎂含量過低，生成夾雜物熔點高，難以聚合上浮。
但是，由于金屬鎂的熔點低(648℃)，在煉鋼溫度下蒸汽壓高達2.038×106Pa，在煉鋼中應(yīng)用很容易發(fā)生爆炸。因此多年來鎂金屬很少用在煉鋼脫氧方面。在鋼水中加入金屬鎂的安全問題，以及金屬鎂處理鋼水的利用率問題成為制約金屬鎂用于鋼水脫氧的主要難題。所以本發(fā)明的另一個重要特點是解決了金屬鎂用于鋼水脫氧的這一難題。我們解決方案是選擇鋼水溫度在900-1100℃時加入金屬鎂，這樣可以確保在制成的脫氧劑中金屬鎂的含量在8-12wt％范圍內(nèi)，確保脫氧合金材料中有穩(wěn)定的鎂含量。
含鋁合金由于碳的存在，表面生成的覆蓋膜極易受到破壞，在存放過程中產(chǎn)生粉化現(xiàn)象。普通的鋁鎂合金存放也易于粉化，這也制約了鎂合金的使用。所以本發(fā)明的另一個重要特點是在脫氧劑中加入了少量稀土金屬。加入稀土金屬可以增加脫氧劑的脫氧、脫硫能力，并改善鋼水中夾雜物的形態(tài)；稀土金屬的存在還可以增加脫氧劑的存放時間。實驗研究表明稀土金屬的適宜加入量為0.03-1wt％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的鋼水脫氧劑有以下特點，結(jié)果見表1。
表1本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)性能對比

*平衡時鋼中溶解氧含量從表1中可以看出，本發(fā)明具有以下特點(1)提高了脫氧、脫硫能力。
實驗研究表明，用本發(fā)明脫氧劑處理鋼水，可以同時脫除氧和硫，鋼中的硫含量最低可以降到30ppm以下。用于脫氧，脫氧深度更好。通常用鋁或鈣脫氧后鋼中平衡氧在7-10ppm。但用本發(fā)明脫氧劑脫氧后，鋼中的氧含量可以降到4ppm以下。
(2)密度大，收得率高。
本發(fā)明脫氧合金其密度約是鋁的2-2.5倍，進入鋼包后可以快速穿過渣層，在上浮過程中即熔解、熔化，從而大大提高脫氧合金的收得率。實際生產(chǎn)中，金屬鋁的收得率一般達到30-35％以上，金屬鎂的收得率可以達到30％以上，并有效地解決了金屬鎂熔點低、蒸汽壓高帶來的諸多不利因素。
(3)夾雜物變形良好。
本發(fā)明脫氧劑反應(yīng)產(chǎn)物為Al2O3·MgO\MgS，反應(yīng)產(chǎn)物顆粒尺寸不超過5微米，其熔點低，極易從鋼水中上浮，從而減少水口套眼幾率，并大大降低了軋制過程的廢品率。
(4)產(chǎn)品保存過程不粉化有較好的儲存穩(wěn)定性。
為表明本發(fā)明的進步性，我們進一步用本發(fā)明鋼水脫氧劑作了冶金效果試驗，試驗采用3噸試驗電爐生產(chǎn)08Al鋼種各三爐，并分別與金屬鋼芯鋁、鋁錳鈦脫氧材料作了比較，結(jié)果見表2、表3、表4、表5。
1、08Al鋼冶煉控制參數(shù)比較，見表2。
表2本發(fā)明與對照品冶煉控制參數(shù)比較

2、鋼中酸熔鋁含量比較。
鋼中鋁含量標(biāo)準(zhǔn)要求為0.02-0.07wt％，試驗結(jié)果見表3。表中1、2、3為本發(fā)明脫氧劑，4、5、6為鋁錳鈦脫氧劑，7、8、9為鋼芯鋁脫氧劑(以下表4、表5與此相同)。
表3本發(fā)明與對照品鋼中酸熔鋁含量比較

3、鋼中夾雜物含量分析。
取樣后用金相顯微鏡分析鋼中夾雜物，結(jié)果見表4。
表4本發(fā)明與對照品鋼中夾雜物含量分析結(jié)果

從以上分析看出，利用本發(fā)明脫氧，鋼中的鋁含量收率高且穩(wěn)定，鋼中溶解氧、全氧含量低、夾雜物數(shù)量少、尺寸小。是一種理想的脫氧材料。
4、鋼的延伸率試驗。
將澆鑄成型的鋼錠用鍛打方式軋成Φ26mm圓棒，用拉力機做延伸試驗，結(jié)果見表5。
表5本發(fā)明與對照品生產(chǎn)鋼的延伸率比較

從表中可以看出，本發(fā)明脫氧劑改善了鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鋼的延伸率明顯提高。
上述試驗表明本發(fā)明提供了一種高效優(yōu)質(zhì)脫氧劑，使用該脫氧劑可以有效的提高鋼水的脫氧能力，減少鋼中夾雜物含量，對于穩(wěn)定生產(chǎn)、提高鋼材質(zhì)量具有重要的意義。
本發(fā)明的優(yōu)點是很明顯的，本發(fā)明將鋁、稀土、鎂三種脫氧元素組合在同一合金中，使合金的脫氧能力明顯提高。用本發(fā)明脫氧劑脫氧后，鋼中硫含量最低可少于30ppm，氧含量最低可少于4ppm。尤其是本發(fā)明添加了鎂和稀土元素之后，脫氧產(chǎn)物更易上浮，能起到減少鋼中非金屬夾雜物，潔凈鋼水的作用。鋼水的流動性相對得到顯著改善，因此，連鑄過程中不易出現(xiàn)結(jié)瘤現(xiàn)象，為煉鋼生產(chǎn)的順利進行提供了有利保障。
本發(fā)明脫氧劑生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。本產(chǎn)品不吸潮、抗粉化，可以長期保存，長途運輸。本發(fā)明脫氧劑主要適用于低硅、低碳鋼的脫氧與合金化，對提高鋼的物理機械性能、工藝性能和使用性能頗有益處，在一般鋼種特別是低硅低碳鋼生產(chǎn)中均可使用，可以替代目前大量使用的鋼芯鋁、鋁、鋁錳鈦等脫氧材料，可以獲得較大的經(jīng)濟效益。
具體實施例方式
下面再用幾個實際例子對本發(fā)明作進一步說明。
實驗例1預(yù)先稱取金屬鋁54Kg，鎂錠12Kg，廢鋼42.5Kg，稀土0.6Kg。在中頻爐中預(yù)先加入37.8公斤金屬鋁，加熱融化，加入全部廢鋼，全部融化后，加入剩余的金屬鋁，完全融化后側(cè)溫，加入金屬鎂錠，熔化完畢攪拌均勻，出鋼水。出鋼水前在包底預(yù)先加入0.4公斤稀土合金，利用鋼水沖擊攪拌均勻，澆鑄成型。得到含鋁48-50wt％，鎂8-9wt％，稀土0.03-0.05wt％的鐵基脫氧合金。
實驗例2第一步生產(chǎn)鋁鎂錠。按7∶3比例稱量金屬鋁和鎂粒，在爐中融化后澆鑄成型待用。
第二步，稱取27.2公斤金屬鋁，31.5公斤廢鋼，45.2公斤鋁鎂錠，1.2公斤稀土合金。在爐中加入27.2公斤金屬鋁，熔化后加入全部廢鋼，完全熔化后測溫，加入45.2公斤鋁鎂錠，準(zhǔn)備出鋼水。出鋼水前在包底預(yù)先加入1.2公斤稀土合金，出鋼水?dāng)嚢杈鶆?，澆鑄成型。得到含鋁51-54wt％、鎂9-10wt％、稀土合金0.05-0.07wt％的鐵基脫氧合金。
實驗例3生產(chǎn)100公斤脫氧劑合金，其中含鋁55-58wt％，鎂11-12wt％，稀土0.07-0.09wt％。生產(chǎn)工藝同實驗例1。
實驗例4用實驗例2第一步將70％鋁與30％的鎂用感應(yīng)爐熔化后澆鑄成鋁鎂錠待用；第二步，按配比在感應(yīng)爐中將200公斤的廢鋼熔化，然后加入150公斤鋁錠，完全熔化后測溫，加入16.5公斤鋁鎂錠，熔化后準(zhǔn)備出爐。鋼包中預(yù)先加入3公斤鑭鈰合金，出爐過程中利用液態(tài)鋼水沖擊攪拌均勻，澆鑄成型，即得本發(fā)明脫氧劑。其中含Al 50.6％，Mg 8.5％，Ru 痕量，C 0.27％，Si 0.4％，P 0.018％，S 0.018％，F(xiàn)e 41.9％。
權(quán)利要求
1.一種煉鋼用鋼水脫氧劑，是一種含鋁的鐵基合金，其特征在于含有鎂和稀土元素，其含量以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計為8-12wt％鎂，0.03-1wt％稀土金屬，48-58wt％鋁和平衡量的鐵。
2.依照權(quán)利要求1所述鋼水脫氧劑，其特征在于所說的稀土金屬選自鑭和鈰混合物。
3.依照權(quán)利要求1所述鋼水脫氧劑的制備方法，其特征在于包括以下主要步驟(1)在感應(yīng)爐中將定量的廢鋼熔化后，加入比例量的鋁錠，令其完全熔化；(2)鋼水經(jīng)測溫后，加入比例量的含金屬鎂材料，熔化完畢，攪拌均勻；(3)在鋼包底部預(yù)先加入稀土金屬，注入上述鋼水，利用鋼水的沖擊力攪拌均勻，澆鑄成型。
4.依照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于在操作步驟(2)中，加入含金屬鎂材料時的鋼水溫度為900-1100℃。
5.依照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于操作步驟(2)中所說的含金屬鎂材料包括金屬鎂粒、金屬鎂錠或鋁鎂錠。
6.依照權(quán)利要求3或5所述的制備方法，其特征在于所說的金屬鎂材料是將金屬鎂和鋁先制成鋁鎂錠，其中的鎂含量，以重量百分?jǐn)?shù)計為30-70wt％。
7.依照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于在操作步驟(3)中所說的稀土金屬是含鑭鈰的合金，其中鑭鈰含量為30-50wt％。
全文摘要
一種煉鋼用鋼水脫氧劑，是在含鋁的鐵基合金中添加了金屬鎂和鑭、鈰稀土合金，其組分含量為8－12wt％鎂，0.03－1wt％稀土合金，48－58wt％鋁和平衡量的鐵。金屬鎂是在含鋁鋼水的溫度為900－1100℃時加入。如此制成的脫氧劑合金密度大，鋁鎂收得率高，脫硫、脫氧能力強，鋁和鎂的脫氧收得率均達到30％以上；鋼中硫含量小于30ppm，氧含量小于4ppm；鋼中夾雜物數(shù)量少，尺寸小，鋼水連鑄過程中不易出現(xiàn)結(jié)瘤現(xiàn)象，提高了煉鋼生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，可明顯的提高鋼材質(zhì)量。本發(fā)明脫氧劑生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，抗粉化，適于長期保存。本產(chǎn)品適用于低硅、低碳鋼的脫氧，可替代現(xiàn)有的鋼芯鋁、鋁、鋁錳鈦等脫氧材料，獲得較大的經(jīng)濟效益。
文檔編號C22C1/02GK101020942SQ200710013788
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者宋守浩, 鄒杰, 于曉溪 申請人:鄒杰