具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢铁冶金中合金原料的生产领域，涉及特殊钢生产的合金成分调整过程，具体地指含有一定Ca、A1比例含量的具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]特殊钢是钢铁工业的重要领域，其品种繁多，性能各异，质量要求高，应用范围广，其品种、质量和产量是衡量国家钢铁工业科学技术和工业化水平的重要尺度。因此，低成本生产高洁净度与高性能的特殊钢至关重要。
[0003]特殊钢经过特殊的化学成分设计，在经过特定的冶炼工艺后，会有不同的使用性能。钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，因而在冶炼结构钢、工具钢、弹簧钢等钢种时，必须添加一定数量的硅铁作合金剂使用。作为主要的特殊钢脱氧剂与合金添加剂，硅铁合金的质量等级要求日益提高，对硅铁合金中杂质含量要求越来越严格，这同时也直接影响了生产者的经济效益。对于某些帘线钢，弹簧钢，轴承钢和轮毂钢等钢种，通常要求脱氧产物是具有良好的变形能力的塑性夹杂物，不允许析出A1203或其它脆性的含铝氧化物夹杂，特别是对于不采用钙处理工艺的非铝脱氧方式生产的钢种，这时硅铁中铝的含量对钢中夹杂物组成和形态的控制产生决定性影响，为此目前多使用高质量的低铝硅铁合金，减少钢中的富A1203夹杂物。
[0004]硅铁多采用硅石，炭质还原剂和钢肩作为生产原料，在还原电炉内进行冶炼。冶炼过程中，除Si02被还原外，炉料中的Al 203、CaO、P205、FeO也被还原，使硅铁中含有较多杂质。目前在生产高质量的低铝硅铁一般需要从提高入炉原料质量和硅铁炉外精炼两方面考虑。需要严格控制入炉原料带入杂质，特别是A1203和P 205量，对于已经还原进入合金中的杂质，常通过硅铁炉外精炼的方式，采用熔剂法氧化精炼，向液体硅铁中加入氧化性造渣剂，并同时吹入空气、氧气或惰性气体，使杂质氧化成渣去除，提高合金纯度。目前高质量硅铁合金能够将硅铁合金中A1含量降低至0.05%，Ca含量降低至0.03%，P含量降至0.02%，但成本较高，降低了企业的利润。
[0005]硅铁合金的成分设计对于其加入钢液后夹杂物的性质有较大影响，有研究结果表明，在不锈钢中加入含有不同比例的铝钙的硅铁合金，夹杂物的性质也随之改变，当加入的硅铁中铝含量为1.7%，钙含量为0.4%或者更高的钙含量时，夹杂物能够进入低熔点液相区(Iron & Steelmaker, Vol.28 (8)，2001, 93-101)。专利号 US 7785393B2 的美国专利公开了在脱硫过程前后分次加入含有一定钙含量的硅铁合金有利于脱氧与夹杂物控制。但是，对于这类含有一定其他元素硅铁合金的生产并未有所提及。本专利对于硅铁合金的冶炼生产提供了一种新的思路，节约生产成本，并对特殊钢中的纯A1203夹杂物起到改性作用。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，成本低，即对原料中的A1含量没有严格控制要求，即对硅石和焦炭级别不再有严格的限制的具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金及其制备方法。
[0007]本发明的技术方案是:具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金，该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为1-3% ο
[0008]进一步，所述铝和钙的质量比为1:1.5-2.5。
[0009]本发明的另一目的是提供上述具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金的制备方法，具体包括以下步骤:
将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1:1-1.7，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:1.5-2.5。
[0010]本发明根据入炉料的A1203和CaO的含量，在硅铁合金生产过程中添加CaO来控制合金中Ca含量，使A1203和CaO的质量比例控制在1:1~1.7，令合金成品中满足铝钙比范围在1:1.5-2.5。并且提高硅铁炉渣中CaO含量会使炉渣黏度降低，有利于排渣，在一定程度上有利于渣金分离，提高合金的收得率。在控制好入炉料中其他杂质成分后，可以省去硅铁的炉外精炼工序，节约了硅铁合金的生产成本，提高企业效益。
[0011]硅铁生产过程的化学反应:
Si0z+2C=Si+2C0
Fe+Si=FeSi
Ca0+C=Ca+C0A1203+3C=2A1+3C0合金加入钢液的化学反应:
2Si+[0]=Si02
2xAl+yCa+(3x+y)[0]=xAl203-yCa0
这种新型硅铁合金加入非铝脱氧的钢液后，合金中的Ca与A1充分反应，合理进行利用，提高Ca的收得率，降低合金带入的A1对钢液中夹杂物产生的不利影响，不产生纯的A1203，达到类似钙处理的效果，起到改变钢中夹杂物的性态，降低钢中夹杂物的含量，提高钢材的力学性能的作用。优化的新型硅铁合金不再严格受原料条件的限制，同时节约生产高纯低铝硅铁合金的炉外精炼成本，还可以作为高纯净钢生产用的净化剂，达到更好的冶金效果。
[0012]本发明的有益效果是:由于采用上述技术方案，该方法工艺简单，成本低，即对原料中的A1含量没有严格控制要求，即对硅石和焦炭级别不再有严格的限制，通过提高硅铁炉渣中CaO含量会使炉渣黏度降低，有利于排渣，在一定程度上有利于渣金分离，提高合金的收得率。在控制好入炉料中其他杂质成分后，可以省去硅铁的炉外精炼工序，节约了硅铁合金的生产成本，提高企业效益。此外，对于采用硅锰脱氧剂生产的特殊钢，目前常常在精炼过程添加高纯硅铁合金来进行钢液成分调整，成本较高。而采用本专利所述的新型合金，可以在合金脱氧的过程中，使合金中钙和铝充分结合，通过调配合金中钙和铝的含量，使钢液的夹杂物中A1203和CaO的含量控制在Al 203-Ca0和Al203_3Ca0之间，达到类似钙处理的预期效果。有利于上浮去除，并具有较低的熔点和较高的变形性能，降低夹杂物对成品产生的危害，节约成本，提高效益。
【具体实施方式】
[0013]下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0014]在工业生产中，硅铁合金的杂质主要由硅石和炭质还原剂带入，对于该新型硅铁合金，对原料中A1203和CaO含量没有严格指标上限的要求，只需对MgO，P 205含量进行控制，特别是P205含量不能大于0.03%，并提高CaO的含量使其比例满足还原的硅铁合金中铝钙比1:1.5-2.5，使得精料入炉更加容易实现。
[0015]硅铁在开口式或半封闭式的还原炉内采取连续作业法进行冶炼，在整个冶炼过程中，电极深而稳地插入在炉料中，混匀的炉料均匀下沉，保持炉内料面的一定高度，当炉内合金累积至一定程度，打开炉眼放出即可。硅铁生产是属于无渣生产，但实际生产中会产生少量炉渣，由于炉渣熔点高，黏度大，不仅会增加电耗，还会导致炉底上涨，恶化炉况。此外，炉渣的密度与硅铁相近，不容易去除，易使合金夹渣，根据Al203-Si02-Ca0相图可知，提高硅铁炉渣中CaO含量会使炉渣黏度降低，有利于排渣，因此，在新型硅铁合金的生产过程中，高CaO含量的入炉料加入，也在一定程度上有利于渣金分离。
[0016]本发明具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金，该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为1_3%，所述铝和钙的质量比为1:1.5-2.5。
[0017]本发明的另一目的是提供上述具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金的制备方法，具体包括以下步骤:
将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1:1-1.7，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:1.5-2.5。
[0018]实施例1:
该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为2%，所述铝和钙的质量比为1:1.5。
[0019]将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1:1，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:1.5。
[0020]实施例2:
该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为1%，所述铝和钙的质量比为1:2。
[0021]将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1: 1.2，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:2。
[0022]实施例3:
该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为3%，所述铝和钙的质量比为1:2.5。
[0023]将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1:1.7，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:2.5。
【主权项】
1.具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金，该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，其特征在于，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为1-3%。2.根据权利要求1所述的硅铁合金，其特征在于，所述铝和钙的质量比为1:1.5-2.5。3.一种制备如权利要求1或2所述的硅铁合金，其特征在于，具体包括以下步骤:将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的A1203和CaO的含量，添加一定量的CaO来控制合金中Ca含量，使炉料中的A1203和CaO的质量比例控制在1:1-1.7，最终得到硅铁合金，所述硅铁合金中的铝和钙含量的质量比为1:1.5-2.5。
【专利摘要】本发明一种具备钙处理效果的新型低成本硅铁合金及其制备方法，该合金主要成分包括硅、铁和少量的铝和钙和不可避免的杂质，铝和钙总量占合金总质量的质量百分数为1-3%。该方法将硅石和焦炭按照设计要求的比例称取加入，根据加入炉料中焦炭中的Al2O3和CaO的含量，添加一定量的CaO，使炉料中的Al2O3和CaO的质量比例控制在1:1-1.7。该方法工艺简单，成本低，即对原料中的Al含量没有严格控制要求，即对硅石和焦炭级别不再有严格的限制，通过提高硅铁炉渣中CaO含量会使炉渣黏度降低，有利于排渣，在一定程度上有利于渣金分离，提高合金的收得率。省去硅铁的炉外精炼工序，节约了硅铁合金的生产成本，提高企业效益。
【IPC分类】C22C35/00, C22C38/02, C22C33/04, C21C7/06, C21C7/00
【公开号】CN105349875
【申请号】CN201510704009
【发明人】张立峰, 刘洋
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月27日