钢液添加高蒸气压镁的方法及其装置与流程

本发明涉及一种钢液添加高蒸气压镁的方法及其装置，将该装置放入管式炉内，当温度达到设定温度时，令镁金属形成镁蒸气后，再载入钢液中。

背景技术：

炼钢是一个氧化精炼过程，即向铁液中吹入氧气，将生铁中过量的元素(C、Si、Mn)及杂质(S、P)去除，达到满足钢种性能的限度。由于吹氧炼钢的作用，在炼钢末期，钢液中含氧量最大可达到0.1％，然而氧在固态钢中的溶解度极低(例如在δ-Fe中溶解度最大为0.0082％)，这些过量的氧将在凝固的过程中以FeO或其它氧化物的形态析出，因而降低钢的使用性能。所以，在脱碳结束之后必须将钢液中的氧脱除。钢中的氧包括溶解的自由氧[O]_D和夹杂物中的氧[O]_L，去氧即通过向钢液中添加脱氧剂(如锰，硅，钛，铝，镁等)，将钢中的自由氧转移到氧化物介在物(inclusion)中，上浮去除，达到降低钢中的氧含量的目的。而钢中氧含量的水准可间接反映钢中介在物数量水准，常用钢中的总氧T[O]表示钢液的洁净度。

钢中的总氧量T[O]与产品的品质有着密切的关系，典型钢种对氧含量的要求如图1所示，因此，如何降低钢中的氧含量，提高钢的洁净度，如何有效利用脱氧产物也越来越为冶金工作者所关注。

按照脱氧能力的不同，将脱氧合金分为弱脱氧剂(如Mn，Si，Ti等脱氧剂)和强脱氧剂(如Al，Mg等)。在早期钢铁生产中常使用硅、锰作为脱氧剂，由于与Si、Mn平衡的氧含量较高，为将钢中的氧含量脱除到极低水准，大部分钢铁企业均采用Al作为终脱氧剂。有研究显示，当钢中溶解铝含量为0.03％-0.05％时，钢中平均氧含量可降低到3ppm以下。然而，铝脱氧后残余在钢中的簇状(cluster)Al₂O₃夹杂会大大降低钢的塑性、韧性、疲劳强度、抗腐蚀能力，特别是破坏了钢基体的连续性，在静荷载和动荷载的作用下造成材料失效，降低钢材成品率和产品品质。另一方面，钢液浇注过程中Al₂O₃夹杂极易造成水口堵塞而造成浇注中断等生产事故。

而镁元素具有很强的化学活性，在钢液中Mg对非金属元素有很强的亲和力。早 在1970’s，Mori等就曾指出镁蒸气对钢液去氧的可能性，其利用镁作为脱氧剂，获得在1873K时的[％Mg][％O]<1.0×10^-6。Saxena等研究了用镁作炼钢精炼剂的可能性，研究发现，钢中形成极小的、弥散分布(uniform distribution)的尖晶石(spinel)型氧化物，这种尖晶石对钢的疲劳性能和其它性能无损害。

(Tateyama等采用镁包芯线(cored wire)(Mg、MgO、CaF₂)在低碳钢氩气保护的感应炉内进行镁去氧、脱硫实验。)镁的加入量小于15％，5分钟后可以将钢液中的T[O]降低至9ppm，[S]降低至3ppm；静止放置10分钟后钢液中的T[O]、[S]没有发现回升，分别保持在11ppm和3ppm的水准。因此，可以看出Mg与钢液中的S和O有强烈的亲和力，且不改变钢液成分，是理想的去氧和脱硫剂。此外，近年来氧化物冶金技术的发展，利用Mg处理钢液而获得高熔点、细小、弥散的含镁介在物细化晶粒，使得在钢液中添加Mg的相关问题成为热点问题。

事实上，在钢铁生产过程中，已经采用气体喷吹法将钝化镁(passivation magnesium)颗粒喷入铁水(hot metal)内，达到铁水脱硫的目的。也采用类似的方法将镁通入铁液中生产球墨铸铁(nodular cast iron)。请参阅图2所示，Mg与Al的蒸气压与温度的关系，从图2中可以看出在炼钢温度下(1600℃)Mg具有非常高的蒸气压(其蒸气压是铝的200倍)，很显然，由于在钢液温度(1600℃)远高于铁水温度(1300-1400℃)，这种喷吹钝化镁粒的方法无法直接应用于钢液的镁处理制程。因此在这里也很大程度上限制了镁在实际炼钢生产中的使用。因此如何以安全有效的方式将镁加入钢液，成为钢液镁处理冶金技术的核心问题之一。

目前通常采用的将镁加入钢水的方法有冲入法、喂线法(cored wire method)、压入法(plunging method)等，加入的合金种类有稀土镁合金、高镁合金、钝化镁粒等。中国公开的专利介绍了一种在锭模(ingot mold)底部均匀铺垫NiMg合金添加镁的方法。所添加的NiMg合金中Mg含量范围为5-50％。很显然，该种方法向钢液中引入了金属Ni，既破坏了原始钢液的化学成分，也增加了生产的成本。同时，在应用该种方法时，需将钢中的氧位调整到一个较高的水准，也使的钢液的全氧含量上升。

另有一种特殊结构的镁包芯线，将该镁芯线通过喂线设备(cored wire injection system)喂入钢液深处。很显然，镁芯线在到达钢液底部时，镁将发生Mg(s)→Mg(l)→Mg(g)的演变过程，由于钢液与镁芯线之间巨大的温度变化，使得Mg(s)→Mg(g)的过程在非常短暂的时间内即完成，由于镁在气化过程中，将产生非常大的压力，极易造成钢液剧烈翻腾而产生生产事故。还有一种利用铝热还原法(Aluminothermic reduction)制备的Mg蒸气，并利用氩气作为载体将镁蒸气导入钢液。

虽然传统已有多种将镁加入钢液中的方式，但显然都仍有瑕疵，而非理想的方式，发明人针对此缺失，特别加以研究改良，并凭借本身的专业及多年来实验经验，终于在历经多次的试验、修正与改进后，而有本发明的诞生。

技术实现要素：

本发明有关于一种于钢液添加高蒸气压镁的方法及其装置，该装置即是镁的添加装置，包含有密闭的储料桶，控制阀及输送管组。藉由将镁添加装置放入管式炉内，再将粒径为0.5～2mm的纯镁粒装入储料桶内。因为当纯镁粒粒径小于0.5mm时，会使得镁粒穿过输送管组内的内嵌管而与钢液接触，而当粒径大于2mm时，则会使得镁粒无法穿过控制阀门进入输送管。待输送管中下部温度升至1120℃-1200℃时，将控制阀打开，以适当的加料速度将纯镁粒加入输送管，并在此时打开氩气调节阀。因为当氩气流量低于0.2L/min，会使得在钢液底部形成的含镁氩气泡过大，不利于氩气泡中的镁质传到钢液，而当氩气流量大于0.5L/min，或使得钢液表面的镁的蒸气压过低，造成镁收得率降低。所以以0.2-0.5L/min的流量通入氩气，即能快速又安全的将输送管中的镁蒸气载入钢液内。

而金属镁与钢中的氧、硫具有极强的亲和力，及具有非常高的的脱氧及脱硫效果，且其生成的MgO、MgS介在物具有细小，粒径分布均匀等特点。利用镁作为炼钢过程的初脱氧元素，或作为二次脱氧脱硫元素，不仅可以实现钢中的总氧、硫含量达到极低的水准，也可作为以铝、钛等作为初脱氧后的改质剂(inclusion modifier)，将钢中大型的氧化铝及钛的氧化物介在物改质为细小的镁铝、镁钛复合介在物。为氧化物冶金技术的应用奠定基础。

然而金属镁的熔点及沸点分别为670℃和1100℃，在炼钢温度(1600℃)条件下，其蒸气压将达到20-25个大气压，如将固态金属镁直接加入钢液，一方面将不可避免的造成钢液剧烈翻腾，甚至爆炸事故，另一方面也使得镁的收得率严重下降。所以运用本发明之装置及方法，可以安全及高效的方式将镁加入钢液中，成为钢液镁处理的关键所在。

附图说明

图1为现有典型钢种对氧含量的要求图；

图2为现有Mg与Al的蒸气压与温度的关系图；

图3为本发明镁添加装置的剖面示意图；

图4为本发明镁添加装置放入管式炉的示意图。

附图标记说明：1镁添加装置；11储料桶；12控制阀；13本体；131输送管；132内嵌管；1321气孔；133三通管；14温度感应器；15耐渣侵蚀涂层；16坩锅；2管式炉；20炉膛；21管路；211阀门；212阀门；213阀门；22气体净化器；23流量计；230流量计；24输气导管；3钢液；4温度感测器。

具体实施方式

以下是实施例，但本发明的内容并不局限于这些实施例的范围。

首先，请参阅图3所示，为本发明镁添加装置的剖面示意图，该镁添加装置1主要是由储料桶11、控制阀12及本体13所组成。该本体13具有一输送管131，中空内部设有内嵌管132，该本体13为一输送管131，侧壁设有一三通管133，可供氩气注入，而输送管131内设有一内嵌管132，位于内嵌管132底部为封闭并开设有数气孔1321，而在内嵌管132底部设置有一温度感应器14，位于本体13内壁则形成有一耐渣侵蚀涂层(corrosion resistant coating)15，上述各元件均是紧密连接，防止空气进入。

其次，将本发明的镁添加装置1安装于管式炉2的炉膛20内，配合参阅图4所示，将镁添加装置1放入管式炉2内，该管式炉2内的镁添加装置1的上下端分别藉由管路21延伸连通，且分别于不同位置设有阀门211、212及213，位于阀门211及213之间设有一气体净化器22，并设有流量计23及230，最上端则由一输气导管24连接至阀门213，位于镁添加装置1内壁置入有坩锅供置入钢液3，至于在管式炉2外壁则设有一温度感测器4。

而在炼钢温度1600℃的条件下，如何能安全地且能高收得率的将镁加入钢液，正是本发明的重要核心。请仍然参阅图3及4所示，当本发明实际使用时，先将阀门211、212及213打开，然后调节阀门212使流量计230流量范围为1-2L/min的流量，并通入氩气10分钟，使得管式炉2内的氧分压降至最低。接着将粒径为0.5～2min的纯镁粒装入储料桶11内，并调节阀门213使流量计23流量范围为0.5～1L/min的流量通入氩气5分钟后，关闭阀门213。然后通电将管式炉2坩锅16内的钢升温至1600℃后，持温使坩锅16内的钢完全溶化，更使得钢液3的温度均 匀化。

此时，将镁添加装置1置管式炉2坩锅16上方，待温度感应器14侦测到温度范围为1120℃-1200℃的范围内时，且恒定在该范围内。此时打开控制阀12，以一定的加镁粒速度，将储料桶11中的纯镁粒加入到内嵌管132内，而能藉由温度将纯镁粒气化形成镁蒸气。此时打开阀门213，以0.2～0.5L/min流量，通入氩气，完成在钢液中添加镁的过程。

因此，使用本发明在钢液3中添加高蒸气压镁的技术，显然具有如下的优点：

(1)本发明主要是向钢液3中添加纯镁，所以不会引入其它元素将钢液3成分复杂化。

(2)本发明的特征是将镁金属蒸气化之后再利用氩气为载体将其添加进钢液3中，避免因固态镁颗粒与液体钢液直接接触而发生爆炸的危险。

(3)本发明是在实施过程中，全程采用氩气作为保护气体，避免镁与空气接触而氧化。

(4)本发明的重点是利用管式炉2的炉膛20内1120℃-1200℃的温度范围达到镁的气化过程，不需要额外加装升温气化镁的加热装置。

(5)本发明是在1120℃-1200℃的温度范围内将固态镁气化，在该温度范围内其镁的蒸气压仅为4个大气压。

(6)本发明在内嵌管132的部分，该内嵌管132为耐高温不锈钢材质；因此在镁气化过程中不会造成输送管131爆裂。

(7)本发明在向钢液3添加镁时，是以氩气作为载体，可很好并均匀钢液3的成分，避免在管式炉2添加的过程中镁成分在钢液3总分布不均匀的状况。

(8)本发明在向钢液3添加镁时，镁的回收率较高。

(9)本发明可通过控制储料桶11加入内嵌管14的镁的量，及配合加镁时间达到准确控制钢中镁含量。

综上所述，本发明能够安全地、稳定地将镁加入钢液中，且不引入其他的合金元素，不仅生产成本低且镁的收得率高，尤其钢液中的镁的分布非常均匀，又申请前并未发现有相同或类似的装置或方法申请专利在先或公开的资料，理已符合发明专利的要件，爰依法提出专利申请。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。