专利名称：以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法
技术领域：
本发明涉及一种钢铁冶炼方法，特别涉及一种以镁铝改性(modify)经二次精炼的钢液中的包裹体(inc Ius ion ),进而细化钢晶粒的冶炼方法。
背景技术：
现今转炉炼钢法(Converter Steelmaking)、电弧炉炼钢法(EAF)所冶炼的钢液，常常经LF、VD、RH、VOD、VAD等制程进行二次精炼，由此期望将钢液中的磷、硫、氧、氮、氢的含量进一步降低，碳及合金的含量调整合理，使所产出的钢液中的成分含量调整至理想范围，以符合现代具各种不同特性的钢品需求。传统炼钢制程大致分为电弧炉炼钢S91或转炉炼钢S91’及二次精练(SecondaryRefining) S93等步骤(参照图1所示)，其中，于转炉炼钢或电炉炼钢步骤S91、S91’中，可通过吹入氧气对钢液进行脱碳处理，生成一氧化碳或二氧化碳等气体排出；此时，产出的钢液全氧含量(溶解氧及氧化物中的氧)较高、包裹体较多，若直接将含过量氧的钢液浇铸成钢锭，则会降低钢的品质。通过各种不同的二次精练步骤S92，对钢液进行二次精炼(例如:脱氧、脱硫、脱气、降碳等)，经由二次精炼步骤S92之钢液，质量得到较大提升，在连续铸造中浇铸成钢胚，再经轧钢作业而产出钢制品。
然而，于现今科技蓬勃发展之下，尖端科技对于钢制品的质量要求甚为严苛，以致目前除了以高清净的洁净钢为主要发展目标外，更期望进一步提升洁净钢的性能，发展出具更高强度及更高韧性的钢材，并将研发重点聚焦于二次精练步骤S92后钢液特性的改良，开发降服强度超过IOOOMpa的超级钢(特别是钢板)，以因应市场的需求。因此,按照材料强化原理，目前多以细晶强化(grain refining strengthening)、固溶强化(solid solution strengthening)、析出强化(precipitation strengthening)、第二项强化(secondary strengthening)等方式,直接改善钢材的晶粒组织及排列，以提高钢材的材料强度。其中，可通过一合金化处理步骤S93，以含有合金元素(例如:铬、锰、镍、稀土等)添加于经二次精练后的钢液中，通过固熔强化、析出强化方式增强钢材的强度、韧性及其他特质；或者，利用一热机处理步骤S94 (也称控轧控冷工艺，TCMP)细化晶粒，对二次精练-连铸的钢坯，在轧钢过程中通过控制钢材加热的温度、冷却条件及轧制速度等，使得钢材于热轧过程中按照设定的制程线路相变，形成较细的晶粒组织(通常晶粒5 10 μ m),达到提升钢强度、改善韧性的目的。上述该些现有方法的作业不仅成本较高且对性能提升幅度有限，以合金化技术为例，需根据其他高成本的合金元素辅助，才能增强钢材的强度等性能，使得钢材强度的提升明显受限合金元素本身的特质，而导致作业成本偏高，且钢材性能提升的幅度通常不超过20% (降服强度不超过600Mpa);另外，以热机处理工艺为例，可以生产降服强度70(T900Mpa的高强度钢材，但必须于控轧控冷的作业过程中，严谨控制钢材相变的各种条件，例如，力口热温度、轧制速度或冷却速度等，方能准确完成钢材晶粒的细化，如此需要投入巨额资金进行设备扩建，且作业时能耗成本巨大，以致此热机处理工艺推广受到限制。
有鉴于此，确实有必要发展一种适用于经二次精练所产出的钢液的晶粒细化方法，通过铝镁与钢液间的相互作用，为解决如上所述的问题创造条件。
发明内容
本发明主要目的改善上述缺点，以提供一种以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，其能够直接改性二次精练后钢液中的包裹体，以于提高钢洁净度的同时，利用钢液热力学条件，通过改变包裹体的成分、尺寸大小、形态、分布，提高钢中微细结晶核的数量，促进钢晶粒的细化，进而提升钢的强度及韧性。本发明另一个目的在于，提供一种以镁铝改性包裹体，进而细化钢晶粒的冶炼方法，能够降低作业过程所需耗费的成本，改善钢的性能。为达到前述发明目的，本发明以镁铝改性包裹体，进而细化钢晶粒的冶炼方法，用以处理经二次精练所产出的钢液，包含:一前处理步骤，于该钢液中添加铝，使得铝与该钢液中的氧、硫反应，直至该钢液的全氧含量降低为15 120ppm，硫含量降低为15 150ppm，并生成三氧化二铝(Al2O3),而获得较洁净钢液；及一改性步骤，于该钢液添加镁，使得镁与该钢液中所残余的氧、硫及三氧化二铝(Al2O3)反应，直至钢液的全氧量为l(T60ppm，硫含量为5 100ppm，并生成镁铝尖晶石(熔点高于2000°C，颗粒状、绝大多数尺寸为:(Γ3 μ m，大部分约I μ m)、硫化镁(颗粒状、高熔点、有助于净化晶界)等包裹体，这些非金属夹杂物呈固态均匀分布于钢液中，不易聚集长大，在随后的连铸及轧钢过程中，这些析出的包裹体作为该钢水凝固过程的结晶核，生成细晶粒钢。
于该改性步骤中，镁的添加量为每吨钢水中添加有0.0Γ0.6公斤。且，特别于较洁净的钢水中喂入镁-铁合金线，且该镁-铁合金线的镁含量为5 80%。其中，该前处理步骤及改性步骤的制程温度为1843 1903Κ(1873±30Κ)。且，经二次精练产出的钢液为中碳钢或低碳钢。
图1为现有炼钢流程示意图。图2为本发明流程示意图。图3为本发明氧-铝的热力学平衡图。图4为本发明Mg-Al-镁铝尖晶石及MgO-Al2O3-镁铝尖晶石的热力学平衡图。图5为本发明铝-镁之热力学平衡图。图6为本发明镁-氧及镁-Al2O3的热力学平衡图。图7为本发明生成镁铝尖晶石的相图。附图标记说明本发明SI前处理步骤S2改性步骤现有技术S91电弧炉步骤S91’氧气转炉步骤S92 二次精练步骤S93合金化步骤S94热机处理步骤
具体实施例方式为了更好的理解本发明的目的、特征及优点，以下结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。如图2所示，其为本发明一较佳实施例，以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法系包含一前处理步骤SI及一改性步骤S2。其中，本发明以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，用以处理经二次精练所产出的钢液，以下详述各步骤时，以“钢液”代表经二次精练出钢后的钢液，即所谓具有较高洁净的钢液。注意的是，以下所述各化学式中所示的AG Θ指标准状态下经化学反应的自由能变化；&指标准状态下各元素的活度。该前处理步骤S I于该钢液中添加铝，使得铝与该钢液中的氧、硫反应，直至该钢液中的总氧含量降为15 120ppm，硫含量为15 150ppm，并生成三氧化二铝(Al2O3),而获得一较洁净的钢水。详言之，铝为炼钢制程常见的脱氧剂，因铝具有较佳的脱氧能力，随可以将钢液中的氧降至极低的标准，且依据热力学平衡原理得知，当钢液中的铝添加量逐渐增加时，可随之降低钢液中的氧含量，使得铝与氧作用而生成三氧化二铝ai2o3(如化学式一所示)，并同时降低钢液中的总氧含量较佳至15 120ppm，且于铝、硫相互影响之下，一并使钢液中的硫含量粗略降低至15 150ppm，而获得含大量Al2O3的钢水。(化学式一)2 [Al]+3 [O] =Al2O3te) Δ G1 θ =-1202070+386.28Τ由(化学式一)及活度理论可计算液中Al与O平衡关系:[%0]3.[%Α1]2=1.22Χ 1(Γ12据此得到(图3)钢液中Al与O热力学平衡关系。举例而言，本实施例选择于温度为1843 1903Κ进行该前处理步骤Side铝反应，特别于1873K的作用温度下，铝添加量:0.02 2kg/吨(视获取的钢液中的全氧含量而确定)，使得铝与钢液中的氧产生反应，而生成大量A1203，以此将钢液中的总氧含量降至15 120ppm，并同时降低钢液中的硫含量降至15 150ppm，进而获得含氧、硫量极低且富有大量A1203的较洁净的钢水，以进行后续的改性步骤S2。经该前处理步骤SI获得的较洁净钢水具有大量A1203，此时因A1203粒子较易聚集长大，故于A1203大量产生时，容易于后续钢水浇铸过程衍生水口堵塞而导致浇铸中断的困扰，以致该钢水必须再进入后续的改性步骤S2处理后，变害为利。该改性步骤S2于该较洁净的钢水中另添加镁，使得镁与该较洁净的钢水中所残余的氧、硫及三氧化二铝A1203反应，直至该钢水中的总氧含量为l(T60ppm，硫含量为5^100ppm,并生成包裹体镁铝尖晶石、硫化镁及氧化镁，以析出的包裹体作为该钢水凝固过程的结晶核，生成细晶粒钢。其中，这些非金属夹杂物(non-metallic inclusions)呈固态均匀分布于钢液中，不易聚集长大，在随后的连铸及轧钢过程中，便可作为钢液的结晶核，进而促进钢凝固结晶，生成并转变为细晶粒钢。为确保上述目的的实现，特进行热力学分析计算，证实可行性。镁与残存于较洁净钢水的氧、硫反应，并同时生成氧化镁及硫化镁(如化学式二、三所示)，且于热力学反应逐渐趋于平衡时，随可导致氧化镁与硫化镁之间相互转化(如化学式四所示)，利用热力学条件控制包裹体的生成， 及其数量、大小、形态等，并得到Mg-0;Mg-S相互制约而维持Mg、Al、0、S、氧化镁、硫化镁等的平衡。其热力学平衡关系如下:(化学式二)Mg(g) +[OJ=MgO (S) ΛG2 Θ =-614000+208.28T根据活度理论可得到钢液中Mg与O热力学平衡关系:aMg.a0=L 31 XlCT8(化学式三)Mg(g)+[S] =MgS(s) Δ G3 θ =-419858.5+174.3Τ根据活度理论可得到钢液中Mg与S热力学平衡关系:aMg.as=5.79 X ICT5更重要的是，镁不仅会同时与铝、氧、硫反应，也会由生成的氧化镁与较洁净的钢水中所富含的A1203进行反应，以同样生成微晶化的镁铝尖晶石[Mg0.A1203](如化学式五、六所示)，通过微晶化的镁铝尖晶石，以及上述微晶化的氧化镁、硫化镁，便可析出钢中包裹体而作为该较洁净的钢水中的钢结晶核心，以于后续的凝固结晶过程，促进晶内针状肥粒铁(AcicuIar Ferrite,简称AF)的形核,进而改变钢结晶的生成并以此细化钢的晶粒组织。(化学式四)Mg0(s)+Al2O3te)— Mg0.Al2O3te)AG40 =-35600-2.09T化学式二、四联立可推得:
权利要求
1.一种以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，用以处理经二次精练所产出之钢液，其特征在于，包含: 一个前处理步骤，于该钢液中添加铝，使得铝与该钢液中的氧、硫反应，直至该钢液的总氧含量为15 120ppm，硫含量为15 150ppm，并生成三氧化二铝，而获得较洁净的钢水；及 一个改性步骤，于该较洁净的钢水中另添加镁，使得镁与该较洁净的钢水中所残余的氧、硫及三氧化二招反应，直至该钢水的总氧含量为l(T60ppm,硫含量为5"l00ppm,并生成包裹体氧化镁、硫化镁及镁铝尖晶石，以析出的包裹体作为该钢水凝固过程的结晶核，而生成细晶粒钢。
2.根据权利要求1所述的以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，其特征在于，于该改性步骤中，镁的添加量为每吨钢水中添加有0.0Γ0.6公斤。
3.根据权利要求1或2所述的以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，其特征在于，于该改性步骤中，于较洁净的钢水中喂入镁-铁合金线，且该镁-铁合金线的镁含量为5 80%。
4.根据权利要求1或2所述的以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，其特征在于，该前处理步骤及改性步骤的制程温度为1843 1903Κ。
5.根据权利要求1或2所述的以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，其特征在于，经二次精练产出的钢 液为中碳钢或低碳钢。
全文摘要
一种以镁铝改性包裹体细化钢晶粒的冶炼方法，用以处理经二次精练所产出的钢液，包含一前处理步骤，于该钢液中添加铝，使得铝与该钢液中之氧、硫反应，直至该钢液的全氧含量降低为15~120ppm，硫含量降低为15~150ppm，并生成三氧化二铝(Al2O3)，而获得一较洁净的钢水；及一改性步骤，于该洁净钢液添加镁，使得镁与该洁净钢液中所残余的氧、硫及三氧化二铝(Al2O3)反应，直至钢液的总氧含量为10~60ppm，硫含量为5~100ppm，生成镁铝尖晶石、硫化镁等细小包裹体，并以析出的包裹体作为该钢水后续凝固过程的结晶核，生成细晶粒钢。
文档编号C21C7/00GK103215409SQ201210315608
公开日2013年7月24日 申请日期2012年8月30日 优先权日2011年12月20日
发明者黄文星, 付建勋, 陆木荣, 苏彦豪 申请人:成功大学