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CN1258321A - 用于将脱氮助熔剂引入熔融金属的方法和制品 - Google Patents

用于将脱氮助熔剂引入熔融金属的方法和制品 Download PDF

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Abstract

一种将脱氮助熔剂材料(26)引入熔融金属(22)的方法和制品,包括如下步骤:提供丝状媒介物(14),该媒介物(14)具有助熔剂材料(26)的内芯和用于容纳内芯的外层(24),以便将丝状媒介物(14)引入熔融金属(22)中。进一步包括用喷枪(42)将助熔剂粉末(40)引入熔融金属(32)的方法。

Description

用于将脱氮助熔剂引入熔融金属的方法和制品
本发明的技术领域
本发明一般地涉及冶金领域，更具体地说涉及将诸如助熔剂之类的材料添加到熔融金属(如液态钢)中的方法。
本发明的现有技术
在生产金属(如钢)时，人们有时希望通过一种或多种助熔剂与液态金属反应将不需要的痕量元素从液态金属中除去。
例如，氮通常被看作是钢中不需要的元素。氮从空气、从可以找到的进入制钢原料(包括回收材料)路径的污染物(如油)进入液态钢。氮改变钢的机械性能，使它变得更硬和缺乏延展性。它还可以与铝或其它元素化合形成夹杂物，从而影响产品的质量。在钢材微观结构中，该化合物还可能向晶粒边界迁移，从而在升高的温度下削弱钢材，产生晶间裂纹。
在“小厂”生产的钢材中氮含量尤其成问题，这种厂通常使用电弧炉熔化钢并且倾向于使用金属屑含量比较高的原材料。以这种设施生产的钢材并不罕见，其氮含量在大约60ppm至大约120ppm范围内。另一方面，在有氧顶吹转炉的工厂中生产的钢材氮含量通常在大约30ppm至大约50ppm范围内。但是，某些特殊应用(例如用于汽车车身)要求低至20ppm的氮含量。一些设施采用真空脱气设备，该设备基本上将液态钢暴露在接近真空的条件下，以使钢铁脱碳。作为这种方法的副产物可以实现某种程度的脱氮。遗憾的是这种方法价格昂贵而且不能提取已经与其它元素(如铝)化合的氮。
最近，有人建议用助熔剂将氮从熔融钢水中除去，其方法是将具有适当组成的合成浇包渣添加到浇包内熔融钢水的上表面。这种通常用于钢水脱硫的顶渣法(the top slag process)涉及延长钢水在浇包内的加热时间周期和使钢水形成环流，借此使所有的熔融金属超时地暴露于液态金属-渣的反应界面。尽管用浇包顶渣脱氮就其允许氮含量减少到其它方法无法达到的水平而言是有前途的，但是它有若干实际的限制并因此尚未得到广泛应用。浇包顶渣脱氮处理要求从浇包中撇去积存的炉渣并在钢水上表面引入具有特殊组成的合成的脱氮浇包助熔剂。往已经包含其它炉渣的浇包中添加这种助熔剂是不符合要求的，因为其它炉渣具有稀释作用。这样做的脱氮效果由于稀释浇包渣的变异性将出现问题。撇渣操作在某些实际应用中(例如特殊的脱硫方法)并不罕见，它非常耗时并且耗费能量。在浇包中未被渣覆盖的钢水温度损失大约是100至150°F，取决于操作的类型。添加固态的渣-助熔剂混合物需要延长加热才能使该混合物熔融并被带入溶液。这需要大量的时间和能量，这两者都是生产成本中开支大的因素。
用助熔剂脱氮正在若干家研究单位中进行实验室规模的研究。采用酸性助熔剂和采用碱性助熔剂似乎都能从钢中除去氮。助熔剂的氮化物容量(nitride capability)对光学碱性(the opticalbasicity)具有V字形依从关系。光学碱性低、氮化物容量高；随着光学碱性增高，氮化物容量达到最小值并且随后开始增大。Sommerville等人将这种特性解释为与结构效应有关；在网状结构中代替氧的氮与碱性呈反比关系，而那个置换的“游离”氧直接与碱性相关。尽管用助熔剂脱氮的知识正在改进，但是在这些研究中所用的技术目前还处于实验室规模并且已经使用顶渣法。正象前面讨论的那样，这项技术就例行技术应用而言有若干实际限制。
与助熔剂脱氮有关的论文如下：渣用于钢脱氮的研究(Studyon Slags for Nitrogen Removal from Steel)，J.P.Ferreira等人，第75次炼钢会议，钢铁学会，1992年4月5-8日在Toronto，Ontario，Canada召开，会议摘要[75th Steelmaking Conference，Iron & SteelSociety，April 5-8，1992，Toronto，Ontario，Canada-Abstracts]，第216-217页；在有BaO-TiO2渣的等离子体诱导反应器中钢水氮含量研究(Study of Nitrogen in Steel in Plasma InductionReactor with a BaO-TiO2 Slags)，L.B.McFeaters等人，第75次炼钢会议，钢铁学会，1992年4月5-8日在Toronto，Ontario，Canada召开，会议摘要[75th Steelmaking Conference，Iron & SteelSociety，April 5-8，1992，Toronto，Ontario，Canada-Abstracts]，第218-219页；在等离子体强化精炼期间氮的行为(The Behaviorof Nitrogen During Plasma-Enhanced Refining)，M.Takahashi等人，第75次炼钢会议，钢铁学会，1992年4月5-8日在Toronto，Ontario，Canada召开，会议摘要[75th Steelmaking Conference，Iron & Steel Society，April 5-8，1992，Toronto，Ontario，Canada-Abstracts]，第220-221页；用于除氮的合成渣(Synthetic Slagsfor Nitrogen Removal)，J.P.Ferreira，I.D.Sommerville和A.Mclean，钢铁工人，1992年5月[Iron and Steelmaker，May 1992]，第43-49页；使用和滥用渣中的能力(The Use and Misuse ofCapacities in Slags)，I.D.Sommerville、A.Mclean和Y.D.Young，关于熔渣、助熔剂和盐的国际会议论文集，1997年年会[Proceedings Intenational Conference on Molten Slags，Fluxesand Salts，1997 Conference]，第375-383页；在Cao-SiO2-CaF2渣体系中氮的溶解度(Solubility of Nitrogen in Cao-SiO2-CaF2Slags Systems)，H.S.Song、D.S.Kim和P.C.Rhee，关于熔渣、助熔剂和盐的国际会议论文集，1997年年会[ProceedingsIntenational Conference on Molten Slags，Fluxes and Salts，1997Conference]，第583-587页；渣的氮化物容量(Nitride Capabilitiesin Slags)，H.Suito、K.Tomioka和J.Tanabe，关于熔渣、助熔剂和盐的第4次国际会议论文集，1992年在Sendai召开[Proceedings of 4th Intenational Conference on Molten Slags，Fluxes and Salts，1992，Sandai]，第161-166页，这些文献的详细内容被并入这份文件，仿佛在此全面陈述一样。
需要一种改进的系统和方法以某种方式将脱氮助熔剂引入熔融金属(如钢水)，该方法与通常采用的助熔剂的添加和混合方法相比将减少耗时和能量浪费。
本发明的概述
因此，本发明的目的是提供一种改进的系统和方法将脱氮助熔剂引入熔融金属(如钢水)，该方法与通常采用的助熔剂的添加和混合方法相比将减少耗时和能量浪费。为了达到本发明的上述目的和其它目的，按照本发明的第一方面，将脱氮助熔剂引入熔融金属的方法包括如下步骤：(a)将脱氮助熔剂用熔点等于或低于液态金属的金属材料外层包裹起来；和(b)将如此包裹的助熔剂引入熔融金属，借此通过外层熔化将助熔剂引入熔融金属。
按照本发明的第二方面，将脱氮助熔剂引入熔融金属的制品包括熔点在熔融金属预期温度以下的金属材料外层和包裹在熔融金属内的脱氮助熔剂，借此在该制品已经引入熔融金属并持续预定的时间周期之后外层将熔化，借此允许在低于熔融金属上表面的深度将脱氮助熔剂引入熔融金属。
按照本发明的第三方面，使适量的熔融金属脱氮的方法包括如下步骤：(A)提供适量的熔融金属和(B)将脱氮助熔剂以这样的方式引入熔融金属，该方式使助熔剂在远远低于熔融金属上表面的深度位置暴露于熔融金属之中，借此促进助熔剂与熔融金属更有效的混合。
按照本发明的第四方面，将脱氮助熔剂引入适量的熔融金属的方法包括如下步骤：(A)将适量的脱氮助熔剂供应给包括结构设计适合没入熔融金属的喷嘴的喷枪组合件和(B)利用该喷枪组合件将助熔剂引入熔融金属。
本发明的这些和其它优点以及新颖性特征在权利要求书中被具体地指出。但是，为了更好地理解本发明、本发明的优点以及通过它达到目标，应当参照附图阅读介绍本发明的优选实施方案的详细说明。
附图简要说明
图1是常规的丝状原料进料机的示意图，它处于按照本发明的工作状态。
图2是沿着图1所示2-2线剖开的剖面图。
图3是按照本发明的另一个实施方案构成的系统的示意图。
图4是控制示意图。
本发明的详细叙述
现在参照附图，其中相同的参考数字自始至终指的是图中的同一对应结构。具体地参照图1，用于生产低氮钢的改进系统10包括结构设计适合将脱氮助熔剂引入熔融金属(例如钢水)的丝状媒介物14的供应源12。系统10利用常规的丝状原料进料机，该进料机包括适合以受控速度将丝状媒介物送入导槽18的喂料结构16，以便以预定的速度和方向将丝状媒介物14插入熔融的钢水22。
正象在图2中所看到的那样，丝状媒介物14包括外层24(例如钢制外层)，其熔点在熔融金属22的温度或低于该温度。优选的是外层24是由熔点等于或低于液态熔体的钢或其它材料制成的，优选用钢或铝制作外层。因此，外层24将非金属物质包裹在长管形的空心金属材料包层中，该包层是为插入熔融金属22后熔融而设计的。
丝状媒介物14进一步包括由脱氮助熔剂粉末材料26制成的芯，该粉末材料包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。最优选的助熔剂是含有CaO-BaO-TiO2-(Al2O3)、CaO-TiO2-(Al2O3)和钙-硼氧化物的助熔剂。另外，任何能够实现所需的脱氮作用的其它助熔剂都可以作为替代物。
按照本发明的一个实施方案的方法涉及将脱氮助熔剂26用金属材料的外层24包裹起来，然后将如此包裹的助熔剂26引入熔融金属22，借此通过外层熔化将助熔剂引入熔融金属。
本发明的另一个实施方案是用图3和图4描绘的。具体地参照图3，按照本发明的优选实施方案构成的适合将脱氮助熔剂20引入适量的熔融金属32的系统30包括装适量的熔融金属32(如钢水)的容器34(例如浇包)。系统30进一步包括喷枪组合件36，该组合件优选包括供应脱氮助熔剂40的容器或料斗38和适合将助熔剂40引入熔融金属32的喷枪42。
优选的是助熔剂材料40是粉末状的脱氮助熔剂，其中包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。最优选的助熔剂是含有CaO-BaO-TiO2-(Al2O3)、CaO-TiO2-(Al2O3)和钙-硼氧化物的助熔剂。另外，任何能够实现所需的脱氮作用的其它助熔剂都可以作为替代物。
惰性气体(优选氩)的压力源44与喷枪42的第一端连通，并且将控制阀46置于压力源44与喷枪42之间以便控制惰性气体通过喷枪42的流动。喷枪42的第二端是在该系统30工作期间没入熔融金属32的喷嘴48。在工作期间准备没入熔融金属32的一段喷枪42用耐高温的保护套54包裹，如图3所示。
由电机52提供动力的运输装置50被定位，以便将来自料斗38的助熔剂原料在阀门46和喷嘴48之间的位置送入喷枪42。正象在图4中可以看到的那样，系统30包括具有控制电机52和阀门56操作的CPU56的控制系统。
在操作时，为了将脱氮助熔剂40引入熔融金属32，系统30是这样运行的，即CPU56向电机52发出指令使运输装置50将助熔剂移到喷枪42中，并且通过开启阀门46使助熔剂40被吸到压力源44提供的惰性气流中。然后，助熔剂在预先选定的深度以有利于助熔剂40与熔融金属32有效地快速混合的速度注入熔融金属32。因此，本发明以这样的方式添加脱氮助熔剂，以致与常规应用中所用的添加助熔剂和混合的方法相比它耗时少且能量浪费少。
但是，应当理解，虽然在前面的介绍中已经陈述了本发明的许多特征和优点，同时陈述了本发明的结构和功能的细节，然而这种揭示仅仅是说明性的，并且在细节上，特别是在与零部件的形状、尺寸和安排有关的细节上可以在不脱离权利要求书所全面表达的本发明的原理的情况下作出多种变化。

Claims (11)

1.一种将脱氮助熔剂引入适量的熔融金属的方法，该方法包括如下步骤：
(a)用熔点低于该适量熔融金属温度的金属材料外层包裹脱氮助熔剂；以及
(b)将这种带包层的助熔剂引入熔融金属，借此通过外层熔融将助熔剂引入熔融金属。
2.根据权利要求1的方法，其中完成步骤(a)的方法是将助熔剂包裹在长管形空心金属材料包层中，借此形成丝状媒介物。
3.根据权利要求2的方法，其中完成步骤(b)的方法是利用常规的丝状原料进料机将丝状媒介物引入熔融金属。
4.根据权利要求1的方法，其中所述脱氮助熔剂包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐、碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。
5.一种适合将脱氮助熔剂引入适量熔融金属的制品，该制品包括：
熔点低于适量熔融金属预期温度的金属材料外层；以及
脱氮助熔剂，该助熔剂被包裹在该熔融金属内，在该制品被引入熔融金属并持续预定的时间周期之后外层将熔融，借此允许将脱氮助熔剂在低于熔融金属上表面的某个深度引入熔融金属。
6.根据权利要求5的制品，其中所述外层用长管形空心金属材料包层包裹着非金属物质，借此形成丝状媒介物。
7.根据权利要求5的方法，其中所述脱氮助熔剂包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。
8.一种为适量熔融金属脱氮的方法，该方法包括如下步骤：
(a)提供适量的熔融金属；以及
(b)以某种方式将脱氮助熔剂引入熔融金属，该方式致使助熔剂在远远低于熔融金属的上表面的某个深度位置暴露于熔融金属，借此促使该助熔剂更有效地混入熔融金属。
9.根据权利要求8的方法，其中所述脱氮助熔剂包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。
10.一种将脱氮助熔剂引入适量熔融金属的方法，该方法包括下述步骤：
(a)向喷枪组合件中供应适量的脱氮助熔剂，该喷枪组合件包含适合没入熔融金属的喷嘴结构；以及
(b)利用该喷枪组合件将助熔剂引入熔融金属。
11.根据权利要求10的方法，其中所述脱氮助熔剂包括氧化钙(CaO)和至少一种选自碱金属和碱土金属的氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及选自金属钙(Ca)、硅(Si)、镁(Mg)、硼(B)、钛(Ti)、钡(Ba)和铝(Al)的氧化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐的化合物。
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