一種外加納米粒子使鋼組織細(xì)化并提高其力學(xué)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，提供了一種在煉鋼生產(chǎn)過程中，通過向鋼液中添加納米粒子，細(xì)化鋼組織，并提高其力學(xué)性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對鋼材質(zhì)量的要求越來越高，要求進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度、韌性、延展性以及抗腐蝕性能等的綜合力學(xué)特性，而這些性能特征與鋼的內(nèi)部組織緊密相連。研宄表明，相對于傳統(tǒng)的鐵素體-珠光體組織，形成以針狀鐵素體為主的混合組織的鋼材具有高的強(qiáng)度、良好的韌性和抗H2S應(yīng)力腐蝕的能力。近年來，國內(nèi)外對于如何使鋼中產(chǎn)生大量針狀鐵素體，采取的主要措施包括添加合金元素、依靠熱軋變形量、控制熱處理制度等，但這些措施目前只對某些特殊鋼種有效，且某些控制方法實(shí)施起來比較困難，得到的組織類型也不穩(wěn)定。研宄發(fā)現(xiàn)，鋼中細(xì)小的第二相粒子在凝固結(jié)晶及熱加工過程中，可以作為奧氏體晶內(nèi)鐵素體的形核核心，誘導(dǎo)產(chǎn)生針狀鐵素體，細(xì)化鋼體組織，能夠提高鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能。
[0003]目前工業(yè)上獲得細(xì)小第二相粒子主要是通過高純凈化、微合金化以及控軋控冷相結(jié)合的方式，在鋼材內(nèi)部形成合適的粒子，但是準(zhǔn)確控制內(nèi)部生成粒子的種類、尺寸非常困難。外部添加法獲得第二相粒子對鋼液純凈度的要求并不高，且其過程較易控制，并對細(xì)化原本的奧氏體晶粒以及后期的延軋、熱處理等加工過程都有作用，因此向鋼中添加第二相粒子的新思路具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。外加粒子的尺寸一般為納米級，納米粒子比表面積大、反應(yīng)活性高，加入到高溫的鋼液中很容易發(fā)生團(tuán)聚并長大，甚至?xí)蔀殇撝械挠泻A雜物，失去細(xì)化晶粒的功能，因此如何將納米粒子在煉鋼過程中加到鋼水中并使之發(fā)生彌散，是目前外加法獲得第二相粒子面臨的技術(shù)難題。
[0004]通過專利檢索，關(guān)于在煉鋼過程中欲通過外加納米粒子改善鋼組織的技術(shù)方案已有類似公開，如:中國專利申請?zhí)?200810011839.X，申請日:2008年6月12日，專利名稱為:用于制備細(xì)小氧化物彌散鋼的添加劑及其制法和應(yīng)用。該專利提出的添加劑是一種由球芯和外殼組成的復(fù)合球體，提到芯部原料破碎后粒徑在Inm?3.5mm，顯然毫米尺寸的粒子進(jìn)入鋼液后對鋼材內(nèi)部質(zhì)量是有害的，且該方法中提到的細(xì)小氧化物加入方式(喂絲、噴粉、射丸以及球體直接投入)，均為理論狀態(tài)下的手段，考慮到煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，真正實(shí)施仍較困難。
[0005]中國專利申請?zhí)?200910135830.4，申請日:2009年4月29日，專利名稱為:微米納米冶金添加劑。該專利提出的將預(yù)先壓塊的微米納米添加劑放置鋼包底部，通過澆入鋼液的沖擊力和攪拌作用使之均勻分散。分析可知，澆鋼過程中鋼包內(nèi)鋼液注流四周以及鋼液內(nèi)部存在流場死區(qū)，鋼包內(nèi)各局部的流場并不均勻，這樣就無法使微米納米粒子隨著鋼液的流動在鋼包內(nèi)均勻分布。中國專利申請?zhí)?201010280136.4，申請日:2010年9月12日，專利名稱為:一種外加納米顆粒強(qiáng)韌化鋼鐵材料的方法。此專利提出的在出鋼過程中隨鋼流加入納米添加劑的方法也存在相同的不足。
[0006]中國專利申請?zhí)?200910063159.7，申請日:2009年7月14日，專利名稱為:一種大線能量焊接管線用鋼的冶煉方法。該專利提出的在精煉或連鑄階段，直接向鋼液內(nèi)噴吹納米級MgO和CaO粉中的一種或兩種，依靠該納米粒子的扎釘效應(yīng)，阻止奧氏體長大，細(xì)化焊接區(qū)組織，從而提高焊接區(qū)強(qiáng)度和韌性。分析可知，由于納米粒子比表面積大，粒子之間極易團(tuán)聚，加入鋼液前不進(jìn)行預(yù)分散，團(tuán)聚后的粒子由于尺寸較大，無法起到扎釘效應(yīng)，因此也無法達(dá)到細(xì)化組織的目的。
[0007]中國專利申請?zhí)?201310211127.3，申請日:2013年5月31日，專利名稱為:一種向鋼液中加入納米粒子以優(yōu)化鋼組織的方法。該專利提出的將納米粉體與鐵粉混合分散后，燒結(jié)成芯材為鋼棒的納米粉體棒，再通過機(jī)械液壓裝置帶動納米粉體棒在鋼包或中間包內(nèi)上下振動，以使納米粒子彌散。該方法中涉及的熱壓燒結(jié)技術(shù)一定程度上加大了其工作量和復(fù)雜度，且設(shè)計的機(jī)械液壓裝置也需要充分考慮鋼包和中間包周圍的環(huán)境因素。另夕卜，納米粒子在鋼液均勻彌散的動力僅僅依靠機(jī)械液壓裝置的振動來提供，該裝置產(chǎn)生的攪拌力必然無法使鋼包或中間包內(nèi)的各處鋼液產(chǎn)生均勻的交換，因此實(shí)現(xiàn)納米粒子的均勻分布比較困難。
[0008]綜上所述，欲使所加入的納米粒子在鋼液中真正達(dá)到均勻彌散狀態(tài)，不僅需要利用合適的介質(zhì)對納米粒子進(jìn)行預(yù)分散，還需要在煉鋼過程合適的工序、合適的位置以及合適的方式加入，設(shè)計過于復(fù)雜的預(yù)處理工作以及復(fù)雜的加入裝置，理論上可能行得通，但如果考慮到現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際環(huán)境，中間很多操作是很難開展的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服上述前人在研宄過程中遇到難題，本發(fā)明設(shè)計了一種操作簡便、方案合理、效果明顯且穩(wěn)定的方法可將納米粒子成功彌散于鋼液中，并使連鑄坯的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。
[0010]本發(fā)明提供的一種外加納米粒子使鋼組織細(xì)化并提高其力學(xué)性能的方法包括以下內(nèi)容:
[0011](I)按一定的質(zhì)量百分比分別稱取高熔點(diǎn)氧化物或氮化物納米粒子和合金納米粉，將兩者混合后通過真空條件下的高剪切混勻分散機(jī)進(jìn)行分散，轉(zhuǎn)數(shù)控制在HOOrpm/min，混勾時間持續(xù)24小時，得到混合納米粉劑；
[0012](2)取若干根長I?1.5m的細(xì)鋼管，每根鋼管填充等量的混合納米粉并壓實(shí)，鋼管兩端最后用木塞密封；
[0013](3)在某一常用連鑄拉速下，已知單根鑄坯的質(zhì)量，根據(jù)納米粒子在鋼中某一質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算出對應(yīng)的鋼管加入速度，將鋼管以該速度緩緩伸入結(jié)晶器中鋼流的正下方，依靠中間包流下的鋼液連續(xù)不斷的沖擊力以及結(jié)晶器內(nèi)部擾動劇烈的流場，使納米粒子進(jìn)入鋼液內(nèi)部后迅速發(fā)生彌散，恒定鋼管的加入速度，可使納米粒子在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均勻的分布在單根鑄坯中。
[0014]在中間包澆鋼過程中，將裝有混合粉劑鋼管的一段伸入結(jié)晶器中鋼流的正下方，待鋼液中的鋼管熔化之后，將緊鄰結(jié)晶器鋼液面上方的一段鋼管喂入鋼液內(nèi)，此過程連續(xù)進(jìn)行。鋼中納米粒子的添加量，是在一定的連鑄拉速下，通過改變鋼管加入速度來控制的，且當(dāng)要求某一批連鑄坯中的納米粒子含量相同時，鋼管的喂入速度需要一致。
[0015]所述高恪點(diǎn)氧化物或氮化物納米粒子和合金納米粉的質(zhì)量百分比為1:8?1:10。
[0016]所述高恪點(diǎn)氧化物或氮化物納米粒子為MgO納米粉，Al2O3納米粉，Ce 203納米粉和TiN納米粉，且粒子平均粒度均在f 25nm。
[0017]所述合金納米粉為對鋼液成分無污染的低恪點(diǎn)AlSi合金納米粉、SiMn合金納米粉、NiFe合金納米粉中的一種，本研宄中選擇AlSi合金納米粉，Al和Si質(zhì)量比為7:3，粒度為含25nm。由于Al、Si均為鋼中常見的脫氧元素，因此選擇該種合金對鋼液污染性小。
[0018]所述鋼管成分中主要含鐵元素，碳元素含量5 0.04 %，其他元素總含量〈0.2 %，防止對鋼液造成污染。每根鋼管內(nèi)徑7?10mm，壁厚0.5?1mm，每根最多可填裝150?200g混合納米粉劑，10mm長的鐵管加入鋼液后平均熔化時間為5s左右。
[0019]與現(xiàn)有的同類技術(shù)相對比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:
[0020](I)前人研宄中大多用微米級甚至目級的粉劑作為納米粒子的分散劑，微米級的粒子之間的縫隙一般都在微米或微米以上，這樣使納米級的粒子在其中相遇并團(tuán)聚成微米級粒子。本發(fā)明中使用與納米粒子尺寸相當(dāng)?shù)暮辖鸺{米粉作為分散介質(zhì)，經(jīng)混勻分散機(jī)處理后，可使兩者達(dá)到真正意義上的混勻，即每一顆納米粒子，或者團(tuán)聚后仍處于納米尺寸的粒子，均被周圍與其單顆粒尺寸相當(dāng)?shù)暮辖鸺{米顆粒包圍，在鋼管中被壓實(shí)之后，納米粒子彼此間距仍然較大，達(dá)到真正預(yù)分散效果。
[0021