CN102676740B - 一种纳米复合钢水净化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米复合钢水净化剂，其原料按质量百分比构成为：纳米SiC3-10%，硅钙合金粉10-20%，K2O粉4-15%，Na2O粉5-16%，Mg粉2-6%，Ti粉2-8%，粘结剂3-5%，余量为铁粉；其制备方法是首先将纳米SiC和硅钙合金粉混合均匀得到混合料a，然后将所述混合料a、K2O粉和Na2O粉混合均匀得到混合料b，再将所述混合料b、Mg粉、Ti粉和铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀，最后压块成型即可。本发明纳米复合钢水净化剂可以大幅度提高钢水的净化程度，钢材性能与LF炉净化效果相同，可以替代用于精炼的LF炉，大大降低炼钢成本。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种钢水净化剂及其制备方法，具体地说是一种纳米复合钢水净化剂及其制备方法，属于冶金技术领域。
二、背景技术
为提高金属材料的各项性能，目前在炼钢行业主要是采用AOD、VOD、LF几种精炼工艺来达到净化钢水的目的，在铸造行业主要采用在钢液中加入各种净化剂以及稀土变质剂来实现钢液最终脱氧和净化。
传统的钢水净化剂通常采用稀土合金、硅钙合金、硅铝钡合金等，但由于这类合金生产都需要采用高温冶炼，使得工艺过程能耗高、污染严重。特别是国家为了宝贵的资源能持续应用到国防和高科技技术上而对稀土资源统一管理后，近年来稀土合金价格是成倍的上涨，造成一些微利产品无法再采用稀土合金来提高产品的性能。因此为了节约稀土合金等宝贵资源必须研究新的净化剂产品进行替代。
炼钢的主要反应是氧化反应，吹氧使钢铁中的Si，Mn，P，C氧化，获得不同碳含量的钢液同时，也使钢液中溶解了过多的氧．钢中的氧包括溶解的自由氧和夹杂物中的氧。脱氧是通过降低溶解于钢中的氧含量，使氧转移到氧化物夹杂中，上浮去除，达到降低钢中的氧含量的目的，净化钢铁，使钢的性能得到提高。
钾、钠等元素位于元素周期表中第一列，是最活跃的元素，应用于钢铁熔液中进行净化和变质技术是山东工业大学杨相寿教授于是1992年发明的，山东工业大学首先研究了钾、钠在铸铁材料中的作用，发现钾、钠在改善铸铁性能方面效果明显，对钾、钠加入铸铁中的形式、作用机理及其应用效果进行了初步的研究，之后国内其它单位也开展了这方面的研究，显示出钾、钠在铸造生产中有良好的应用前景。
近年来，纳米材料在许多科学领域中逐渐得到了重视和应用，纳米材料是由纳米量级的纳米粒子组成的固体材料，其颗粒大小一般不超过50nm（1nm=10-9m），具有许多特殊的性能，如韧性高、耐磨性高等，具有广泛的应用前景。纳米材料（TiN、SiC、TiC等）分散尺寸极细、有较高硬度并有巨大表面能。纳米变质技术打破了钢铁耐磨材料生产中的一些常规规律。通常，在钢铁耐磨材料强化过程中提高硬度必然伴随韧性下降，但由于纳米合金变质剂的高表面活性以及它在细化晶粒过程中同时起到弥散硬化作用，所以经常能够达到同时提高合金硬度及韧性的综合效果。
由于纳米材料具有高硬度、耐高温、粒度小（小于50nm）、表面能大、分散性好和表面ZETA电位低（-18.0mv）等特点，与金属具有更好的结合力，具有比一般变质剂更强的细化晶粒和弥散强化作用，可明显改变金属基体和碳化物等组织结构。因此，这种变质剂和这项技术可以大幅度的提高钢铁和有色合金材料的硬度、强度和延性及韧度，从而大大改善原有钢铁材料的品质并降低稀有和贵重元素的含量，或减少、从简原有热处理工艺，大大降低生产成本。
由于纳米材料特有的性质，如何将纳米粒子加入到钢铁材料液体中的始终是一个非常困难的课题，对纳米材料的应用一直受到一定的制约。
三、发明内容
本发明旨在提供一种纳米复合钢水净化剂及其制备方法，所要解决的技术问题是遴选一种钢水净化剂使其可以达到LF炉的净化效果，从而达到降低炼钢成本、减少生产工序的目的。
本发明纳米复合钢水净化剂以钾、钠元素为主，同时添加纳米粉体等其他原料，纳米粉体由于比重轻，颗粒细小，同时极容易聚合，如何使纳米粉体在净化剂中分散均匀并在净化剂加入钢水后也能分散均匀是本发明首要解决的技术问题。
本发明纳米复合钢水净化剂的原料按质量百分比构成为：
纳米SiC 3-10%，硅钙合金粉10-20%，K2O粉4-15%，Na2O粉5-16%，Mg粉2-6%，Ti粉2-8%，粘结剂3-5%，余量为铁粉。硅钙合金粉中硅的质量分数55-60wt%，钙的质量分数25-35wt%。
所述粘结剂为玻璃水和膨润土，其中膨润土的质量为粘结剂质量的1%，余量为玻璃水。
所述纳米SiC的粒径小于50nm。
本发明纳米复合钢水净化剂的制备方法按以下步骤操作：
a、将纳米SiC和硅钙合金粉混合均匀得到混合料a；
b、将所述混合料a、K2O粉和Na2O粉混合均匀得到混合料b，所述混合料b呈颗粒状；
c、将所述混合料b、Mg粉、Ti粉和铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀，最后压块成型即可。
将熔炼的钢水按照常规工艺在钢水包中进行脱氧、净化处理，然后加入本发明制备的纳米复合钢水净化剂，从钢水包底部向钢水包中吹氩气4-10分钟（流量0.5-1Pa），然后浇铸成型。纳米复合钢水净化剂的加入量是钢水质量的0.2-0.5%。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明纳米复合钢水净化剂可以大幅度提高钢水的净化程度，经本发明纳米复合钢水净化剂净化处理后的钢材性能与LF炉净化效果相同，可以替代用于精炼的LF炉，从而大大降低炼钢成本、节约设备投资、减少生产工序、降低单位钢水能源消耗。
2、以往钢水净化剂多采用钾盐和钠盐，但因盐类极易吸收空气中的水份返潮，产品不易保存。本发明纳米复合钢水净化剂以钾、钠元素为主，再添加其它还原材料，较好的解决了产品吸水返潮的问题。
3、本发明制备方法中将粒径较小的原料首先混合，再逐步与大粒径的原料进行混合，使纳米粉体能够分散均匀，避免团聚现象的发生。
四、附图说明
图1和图2是本发明纳米复合钢水净化剂的照片。
五、具体实施方式
实施例1：
本实施例中纳米复合钢水净化剂的原料及构成如下：
纳米SiC 10份，硅钙合金粉（硅57.02%钙30.03%）15份，K2O粉10份，Na2O粉10份，Mg粉5份，Ti粉5份，粘结剂（玻璃水99%，膨润土1wt%）5份，铁粉40份；其中纳米SiC的粒径小于50nm。
制备方法：
a、将纳米SiC和硅钙合金粉混合均匀得到混合料a；
b、将所述混合料a、K2O粉和Na2O粉混合均匀得到混合料b，所述混合料b呈颗粒状；
c、将所述混合料b、Mg粉、Ti粉和铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀，最后压块成型即可。
将本实施例制备的纳米复合钢水净化剂加入钢水中，纳米复合钢水净化剂和钢水的质量比1：5000，从钢水包底部向钢水包中吹氩气4-10分钟（流量0.5-1Pa），然后浇铸成型。
实施例2：
本实施例中纳米复合钢水净化剂的原料及构成如下：
纳米SiC 10份，硅钙合金粉（硅57.02%钙30.03%）20份，K2O粉10份，Na2O粉10份，Mg粉5份，Ti粉5份，粘结剂（玻璃水99%，膨润土1wt%）5份，铁粉35份；其中纳米SiC的粒径小于50nm。
本实施例的制备方法同实施例1。
将本实施例制备的纳米复合钢水净化剂加入钢水中，纳米复合钢水净化剂和钢水的质量比1：2500，从钢水包底部向钢水包中吹氩气4-10分钟（流量0.5-1Pa），然后浇铸成型。
实施例3：
本实施例中纳米复合钢水净化剂的原料及构成如下：
纳米SiC 10份，硅钙合金粉（硅57.02%钙30.03%）15份，K2O粉15份，Na2O粉15份，Mg粉5份，Ti粉5份，粘结剂（玻璃水99%，膨润土1wt%）5份，铁粉30份；其中纳米SiC的粒径小于50nm。
本实施例的制备方法同实施例1。
将本实施例制备的纳米复合钢水净化剂加入钢水中，纳米复合钢水净化剂和钢水的质量比1：2000，从钢水包底部向钢水包中吹氩气4-10分钟（流量0.5-1Pa），然后浇铸成型。
将本发明制备的纳米复合钢水净化剂用于天津联合特钢Q420B钢，进行钢水净化的试验，试验过程如下：
钢水量100吨，纳米复合钢水净化剂添加量200kg，纳米复合钢水净化剂的加入时间是在加入钒氮合金后添加，纳米复合钢水净化剂加入钢水包后从钢水包底部吹氩气10分钟，钢水吊运现场进行浇铸，经轧制后检测结果如下：
1、化学成分
| 序号 | 炉号 | C | Si | Mn | P | S | V |
| 1 | 1A 04253 | 0.18 | 0.30 | 1.52 | 0.025 | 0.009 | 0.051 |
| 2 | 1A 04253 | 0.18 | 0.30 | 1.54 | 0.024 | 0.009 | 0.054 |
| 3 | 1A 04253 | 0.18 | 0.29 | 1.52 | 0.024 | 0.008 | 0.053 |
| 4 | 104253 | 0.18 | 0.31 | 1.51 | 0.024 | 0.010 | 0.053 |
2、力学性能
从上述指标分析可以看出，加入本发明净化剂后各项指标比国标提高较多，特别是冲击功比国标提高287.39%。各项指标与天津联合钢厂Q420B经LF炉精炼后数据基本相近，略有提高。说明本发明钢水净化剂可以替代LF炉精炼工艺，钢材质量可以达到LF炉精炼工艺的标准要求。
Claims (3)
1.一种纳米复合钢水净化剂，其特征在于其原料按质量百分比构成为：
纳米SiC 3-10%，硅钙合金粉10-20%，K2O粉4-15%，Na2O粉5-16%，Mg粉2-6%，Ti粉2-8%，粘结剂3-5%，余量为铁粉；
所述粘结剂为玻璃水和膨润土，其中膨润土的质量为粘结剂质量的1%，余量为玻璃水。
2.根据权利要求1所述的纳米复合钢水净化剂，其特征在于：所述纳米SiC的粒径小于50nm。
3.一种权利要求1所述的纳米复合钢水净化剂的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：
a、将纳米SiC和硅钙合金粉混合均匀得到混合料a；
b、将所述混合料a、K2O粉和Na2O粉混合均匀得到混合料b，所述混合料b呈颗粒状；
c、将所述混合料b、Mg粉、Ti粉和铁粉混合均匀得到混合料c，向所述混合料c中加入粘结剂搅拌均匀，最后压块成型即可。
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