专利名称：一种含超细氧化物铁合金中间体及其制备方法
技术领域：
本发明属于属于冶金技术领域，涉及一种冶金材料，特别涉及一种含超细氧化物 铁合金中间体及其制备方法。
背景技术：
近年来，冶金工作者已经认识到某些细小夹杂物在钢的固态转变过程中可以显著 改善钢材的某些性能。典型的例子是氧化物冶金技术，这一技术为日本的研究人员首创并 应用到钢铁生产中。其基本的原理是在钢中形成细小弥散的氧化钛颗粒，由于氧化钛自由 能很低，在高温下也能稳定存在。在高功率、大线能量的焊接技术条件下，焊接温度较高，因 而氧化钛超细粒子可以钉扎焊接热影响区的奥氏体晶界，细化焊接后的组织，提高焊接热 影响区的钢材韧性。这一技术首先在日本的一些高强度的结构钢如管线钢、大线能量焊接 用钢等品种上得到应用。超细粒子在钢中的这种良好作用主要依赖于它的细小程度和弥散 分布程度，粒子越小、弥散程度越高，对钢组织的细化作用就越强。为了得到细小弥散的氧化物颗粒，目前主要采用两种方法，一种方法是在精 炼过程控制极低的铝含量，采用弱脱氧工艺，以保持精炼后的钢水仍含有一定的自 由氧含量(20 30ppm)，在凝固过程中这些自由氧将析出，并与钢中合金元素钛反 应生成稳定的氧化物，见《含钛低碳洁静钢凝固过程氧化物的析出和长大》(Second InternationalConference on Advanced Structural Steels，1160 1169)。由于钢水 凝固从液相线到固相线仅有几分钟的时间，因此所形成的氧化物粒子极小，这些细小的氧 化物粒子可有效的细化钢的凝固组织、抑制了晶粒的长大。但是该方法需要钢液中铝的含 量必须小于0.001%。由于在脱氧合金、耐火材料及造渣剂中均含有铝元素，炼钢过程中 这些铝在物理化学条件的作用下，必然要向钢液转移，因此在实际生产中，若将铝控制在 0.001%以下是相当困难的，因此也不易实现工业大生产。另一方面，精炼后钢水中的自由 氧难以控制，自由氧含量低无法形成大量的氧化物粒子，起不到细化凝固组织作用。反之， 自由氧含量高就会造成铸坯大量皮下气泡，严重影响铸坯质量。另一种方法是先将氧化钛 细粉和铁粉在一定温度下烧结成材，制成含氧化物夹杂的中间合金体，然后将该中间合金 加入到钢液中，铁基体融化后氧化钛可分布到钢液中。见《含纳米TiO2氧化物铁合金中间 体及其制备方法和用途》(申请号CN200610030722. 7，公开号CN101135023)。由于不再需 要进行复杂的夹杂物形态控制，冶炼工序较内生法相对简化。但是，粉末在混合过程中，超 细氧化钛颗粒很难均勻分布到铁基体中，颗粒团聚不可避免，另外，烧结过程中的氧化物颗 粒过度长大无法解决。如上所述，将细小氧化物弥散钢的生产方法应用于大量生产的钢铁工艺中，还有 许多未解决的问题。
发明内容
本发明的基本思想在于使超细氧化物尽可能均勻的分散在钢中，以避免夹杂物对钢材质量带来不利影响。因为钢中粒子越小弥散程度越高，其对钢组织的细化作用就越强； 否则，钢中粒子越大、弥散程度越差，就变成了有害的夹杂物。因此，希望氧化物夹杂尽可能 细小且弥散分布。本发明的目的在于提供一种含超细氧化物铁合金中间体及其制备方法，以保证超 细氧化物颗粒在钢中稳定收得，并保持弥散分布。对其后的金属加工过程中的相变、热处理 以及焊接等晶粒长大起到有效的抑制作用。针对上述目的，本发明的主要技术方案是原料包括工业纯铁或低碳钢、液面保护渣料、钛铁、镁铝合金和增氧剂(对于带油 或锈蚀的原料，先进行除油、除锈预处理，且烘干被用)。制备的中间体含粒径为0. 2μπι 2 μ m含钛氧化物数量为3. OX IO6 8. OX IO6个/mm3，其余为Fe和一些不可避免的杂质。液面保护渣料以妝&50% 60%，8忒1 25% 35%的重量百分含量配比，其余为 CaF2,经机械混合均勻，备用。具体制备过程包括以下步骤(1)将工业纯铁或优质低碳钢入炉，通电加热熔化，然后继续过热，钢水温度高于 液相线温度150°c以上。(2)按一定比例将增氧剂加入到钢中，加入量根据增氧剂类型的不同而不同，最终 将钢液氧含量调整至1000 1500ppm。(3)加入液面保护渣至熔化，使液面有一层熔渣封闭，加入量为钢水质量的3% 5%。(4)按一定比例向钢液中加入钛铁，人工搅拌均勻成份，加入量为钢水重量的 0. 5% 0. 9%。(5)加入适量镁铝合金，脱去钢液中残余氧，加入量为钢水重量的0. 3% 0. 5%0(6)在熔炼完毕出炉后，将中间体浇铸成块状或球状。该技术方案中所涉及的钢水温度高于液相线温度150°C以上，是为了提高钢液中 氧及氧化物的溶解度，但考滤炉体耐火材料承受能力，一般不超过1720°C ；该技术方案中涉及的增氧剂可以使用(a)称作FeO、Fe2O3> MnO和MnO2的氧化物； (b)也可以为氧化钢水的气体(如O2)及将上述气体用Ar等惰性气体稀释的气体。并且将 钢液中的氧活度增至1000 1500ppm，保证钢液中还有足够的氧与钛反应生成钛氧化物。为了降低成本，该技术方案中涉及的钛铁中钛含量为30%的重量百分含量，若不 考虑成本问题也可以采用其它钛含量的钛铁作为脱氧剂。该技术方案中所涉及的钢液氧活度调整过程中，如果氧活度低于IOOOppm会影响 生成氧化物的数量；若氧活度高于1500ppm，则易降低钢铁料的收得率。该技术方案中所涉及的镁铝合金中镁含量按重量百分含量为10%，镁含量过高易 引起喷爆，镁含量过低一方面减弱了合金的脱氧效果，另一方面不利于生成超细镁钛复合 夹杂物。若能有效控制喷爆，也可以采用镁含量大于10%的镁铝合金。(1)工艺简单、成本低；(2)采用本发明避免了直接向钢液加入氧化物粉末，其收得率非常低和容易发生“团聚”的问题，改善了金属与非金属之间的润湿性而且保证了氧化物颗粒在钢中的稳定收得率。
(3)本发明的铁合金密度大，接近钢的密度，因此氧化物易于加入，收得率高。钢液 中添加不大于钢液重量的0. 1 %的中间体后，凝固组织中0. 2 μ m 2 μ m的含钛氧化物可达 60 80 个 /W。
具体实施例方式下面以钢液添Fe2O3增氧剂为例，采用高温电阻炉熔炼，说明中间体制作工艺过程 及产品特征。实施例1 采用高温电阻炉熔炼，将500g工业纯铁加入炉内，通电加热熔化，然后继续过热， 将钢水温度升至1680°C。将Fe2O3粉末IOg加入到钢液中，稍搅拌，30秒后，采用定氧仪 定氧，实测氧活度为1200ppm;然后加入成份为NaF260%，CaF2IO %, BaCl 30%的重量百 分含量配比的液面保护渣料15g，使液面有一层熔渣封闭；然后加入钛含量为30%的钛铁 3. 75g，搅拌均勻后，加入含镁10% (重量百分含量)的镁铝合金2g，脱去残余氧；在熔炼完 毕出炉后，将合金浇铸成块状或球状。在中间体上取样后观察夹杂物的形态、分布。中间体中0. 2 μ m 2 μ m的氧化物 含量为4X IO6个/mm3，夹杂物成球形，经能谱分析，这些夹杂物主要含有Ti和0元素，同时 还含有少量的Mg和Al元素。实施例2 采用高温电阻炉熔炼，将IOOOg工业纯铁加入炉内，通电加热熔化，然后继续过 热，将钢水温度升至1700°C。将Fe2O3粉末22g加入到钢液中，稍搅拌，30秒后，采用定氧仪 定氧，实测氧活度为1500ppm;然后加入成份为NaF260%，CaF210%, BaCl 30%的重量百分 含量配比的液面保护渣料，使液面有一层熔渣封闭；然后加入钛含量为30%的钛铁8g，搅 拌均勻后，加入含镁10% (重量百分含量)的镁铝合金4g，脱去残余氧；在熔炼完毕出炉 后，将合金浇铸成块状或球状。在中间体上取样后观察夹杂物的形态、分布。中间体中0. 2 μ m 2 μ m的氧化物 含量为6 X IO6个/mm3，夹杂物成球形，经能谱分析，这些夹杂物主要含有Ti和0元素，同时 还含有少量的Mg和Al元素。其它实施例见下表，工艺过程与实施例1，2相同，所不同的是钢液温度和增氧剂 类型及各种原料的添加量。
权利要求
一种含超细氧化物铁合金中间体，其特征在于，所述超细氧化物铁合金中间体为含粒径为0.2μm～2μm的钛氧化物、数量为3.0×106～8.0×106个/mm3，余量为Fe及不可避免杂质的铁合金。
2.根据权利要求1所述的一种含超细氧化物铁合金中间体，其特征在于，上述中间体 的原料来源于工业纯铁或低碳钢、钛铁、镁铝合金和增氧剂。
3.根据权利要求2所述的一种含超细氧化物铁合金中间体，其特征在于，所述的增氧 剂为Fe0、Fe203、Mn0和Mn02氧化物或02增氧气体中的一种或两种以上。
4.一种生产如权利要求1所述的一种含超细氧化物铁合金中间体的其制备方法，其特 征在于，具体制备过程包括以下步骤(1)将工业纯铁或低碳钢入炉，通电加热熔化，然后继续过热，钢水温度高于液相线温 度150°C以上；(2)将增氧剂加入到钢中，最终将钢液氧含量调整至1000 1500ppm；(3)加入液面保护渣至熔化，使液面有一层熔渣封闭，加入量为钢水质量的3 5%，其 液面保护渣料为，按重量百分比，NaF250% 60%，BaCl 25 35%，其余为CaF2 ；(4)按向钢液中加入钛铁，人工搅拌均勻成份，加入量为钢水重量的0.5% 0.9%；(5)加入镁铝合金，脱去钢液中残余氧，加入量为钢水重量的0.3% 0.5%；(6)在熔炼完毕出炉后，将中间体浇铸成块状或球状。
全文摘要
本发明公开一种含超细氧化物铁合金中间体，其特征在于，所述超细氧化物铁合金中间体为含粒径为0.2μm～2μm的钛氧化物、数量为3.0×106～8.0×106个/mm3，余量为Fe及不可避免杂质的铁合金。制备过程包括以下步骤钢水温度高于液相线温度150℃以上；钢液氧含量调整至1000～1500ppm；按向钢液中加入钛铁，加入量为钢水重量的0.5％～0.9％；加入镁铝合金，加入量为钢水重量的0.3％～0.5％；在熔炼完毕出炉后，将中间体浇铸成块状或球状。工艺简单、成本低；避免了“团聚”的问题，改善了金属与非金属之间的润湿性而且保证了氧化物颗粒在钢中的稳定收得率。
文档编号C22C35/00GK101994054SQ20091001312
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者于广文, 吕春风, 尚德礼, 康磊, 廖相威, 李德刚 申请人:鞍钢股份有限公司