利用掺杂脱氧剂的含芯金属丝提高钢水溶池中合金回收.pdf

本发明提供在增加添加剂或增加合金的钢中提高回收。可通过将脱氧粉末与添加剂合金掺混而实现。脱氧剂粉末与氧反应，因而该区域中贫氧。合金或添加剂区域富集，因而提高在钢水中的回收。

1.  一种合金递送器件，该器件包括：
至少一种添加剂合金；和
至少一种脱氧剂，该脱氧剂与所述合金掺混，提供掺混物；和
围绕该掺混物的细长的外壳。

2.  如权利要求1所述的合金递送器件，其特征在于，至少一种添加剂合金选自下组：FeNb、FeV和FeTi。

3.  如权利要求1所述的合金递送器件，其特征在于，所述脱氧剂选自下组：Ca、CaSi、Si、Al和CaCN₂。

4.  如权利要求1所述的合金递送器件，其特征在于，至少一种脱氧剂是包含直径小于1毫米的颗粒的粉末。

5.  如权利要求1所述的合金递送器件，其特征在于，至少一种添加剂合金包括直径小于1毫米的研磨粉末颗粒。

6.  如权利要求1所述的合金递送器件，其特征在于，至少一种脱氧剂的含量为混合物的重量或体积的5-50％。

7.  一种向熔融金属提供添加剂合金的方法，该方法包括：
将至少一种脱氧剂与至少一种添加剂合金掺混，提供掺混物；
将脱氧剂和添加剂合金的掺混物装入金属外壳中，提供合金递送器件；
制备熔融金属；
将所述合金递送器件送入熔融金属中。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述熔融金属是钢。

9.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一种脱氧剂选自下组：Ca、CaSi、Si、Al和CaCN₂。

10.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一种添加剂合金选自下组：FeNb、FeV和FeTi。

11.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使外壳熔化的步骤。

12.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将掺混物分散的步骤。

利用掺杂脱氧剂的含芯金属丝提高钢水熔池中合金回收
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年5月17日提交的美国临时申请第60/938,671号的优先权，该临时申请的内容通过参考结合于本文。
发明领域
本发明一般涉及在熔融金属，特别是钢中添加合金。更具体地，本发明涉及在钢水中加入合金和脱氧剂以提高金属的回收。
发明背景
众所周知，为了改进最终钢产品的材料性能，包括强度和韧性，可以在钢水中加入合金和其他添加剂。
在现有技术领域，在钢水中加入合金和添加剂通常是通过以下方式实现的，将粉状合金和添加剂装入金属外壳中形成“含芯金属丝”，然后将其“注射”到大多数炼钢厂钢精炼装置的钢水包(ladle)包含的钢水中。美国专利第4,128,414号描述这种注射方法。注入钢水中的一部分材料并不保持在钢中。为了有效制备添加剂增加或合金增加的钢水，希望提高钢水中的“回收”。
“回收”是对注射后钢水中包含的合金和添加剂量的一种度量。回收表示为注射后在钢中包含的注射在钢中的合金或添加剂的百分数。注射后该钢中包含的百分数越大，回收也将越大。回收越大对钢制造商来说表示成本越低，因为注射的含芯金属丝越少。而且，回收越大通常表示最终钢的化学性质的可预测性和可重复性会越高。
众所周知，将添加剂合金(通常研磨至直径小于1毫米的粉末)装入钢包壳的含芯金属丝中，将该金属丝深度注入熔池的结果是回收显著提高。但是，本领域还熟知的是特定添加剂合金的回收受到熔池和熔池顶部熔渣中氧含量的不利影响。有可能降低熔池和熔渣的氧含量；但是决不可能将氧含量减少至零。最通常的是，始终会有一定量的氧留在熔融金属和熔渣中，对添加剂合金回收产生不利影响。氧含量越高，该不利影响越大。
发明人相信，在添加剂合金粉末颗粒16能成为溶解于熔融金属10之前，熔融金属10中的氧13使添加剂合金16的表面氧化。这种情况如图1所示。在这种情况下，氧化层19覆盖添加剂合金粉末颗粒16，因此降低颗粒16的总密度，使颗粒的浮力大于钢10。例如，Nb的密度为8.57gm/m³，Nb₂O₅的密度为4.47gm/m³，而钢的密度为7.6gm/m³。图2显示较低密度的氧化合金朝着钢水10的表面上升。在其他情况下，氧化物层19成为熔融添加剂合金芯16的阻挡层。例如，70％FeTi的熔化温度为1085℃，而TiO₂的熔化温度为1850℃，但是，钢水10的温度通常约为1600℃。在图3中显示了这种问题。这些机理的作用是在添加剂合金颗粒16上升至熔渣表面被吸收之前不使其完全溶解于熔融的金属10。
在其他已知方法中，将添加剂合金16注入熔池10的目的是形成有益于最终产品的氮化物和/或碳化物。多年来，为了增加其熔池10的氮含量，钢材生产商使用氰氨化钙(CaCN₂)。参见，例如美国专利第3,322,530号。此外，发现当采用按照美国专利第4,897,114号所述的含芯金属丝注射在熔池10中加入CaCN₂时，显著提高了氮回收。
尽管有这些现有技术领域的改进，但是仍需要改进在熔融金属，特别是钢水中的回收。
发明概述
本发明包括合金递送器件。该递送器件可包括具有至少一种添加剂合金和至少一种脱氧剂的掺混物。该掺混物可用细长的外壳覆盖。该外壳可以是基本中空的金属丝，所述掺混物装入其中。
至少一种添加剂合金可以是FeNb、FeV或FeTi。至少一种脱氧剂可以是Ca、CaSi、Si、Al或CaCN₂。脱氧剂可以是通常包含直径小于1毫米的颗粒的粉末。添加剂合金可以是一般直径小于1毫米的研磨粉末颗粒。脱氧剂含量通常为混合物重量或体积的5-50％。
本发明包括向熔融金属提供添加剂合金的方法，其中，至少一种脱氧剂与至少一种添加剂合金掺混，提供掺混物。该掺混物可装入金属外壳中，提供合金递送器件。可制备熔融金属，并将合金递送器件送入熔融金属中。可将该递送器件送入熔融金属中，使外壳在熔融金属中熔化。掺混物熔化后，使其与熔融金属混合，从而将掺混物分散到熔融金属中。
在本发明的一个实施方式中，可通过以下方式提高钢水中的合金化添加剂的回收，将脱氧剂粉末与添加剂合金以不同的量(典型地但不限于混合物重量或体积的5-50％)混合，所述添加剂合金例如但不限于：Ca、CaSi、Si、Al、CaCN₂等。不希望受理论的束缚，本发明人相信，当脱氧粉末与添加剂合金化剂掺混，并包含在含芯金属丝内，将该含芯金属丝注入熔池中时，在紧靠添加剂合金粉末处释放所述脱氧剂粉末。脱氧粉末与熔融金属的溶解氧组分反应，在与添加剂合金颗粒的相同区域产生贫氧区。同样，在含芯金属丝中将CaCN₂粉末与形成氮化物和/或碳化物的添加剂合金掺混的情况，熔池中释放所述粉末的区域是贫氧并富含碳和氮的。因此，本发明提供添加剂增加的或合金增加的钢水，同时提高回收。
附图简要描述
为完全理解本发明的特性和目的，应参考附图和以下描述。简短地说，附图如下：
图1显示现有技术的方法，该方法中，富氧熔池与添加剂合金反应，因而在添加剂合金芯上形成氧化物层。
图2表明，在现有技术方法中氧化物层降低了密度，因此增大添加剂合金在钢水池(mo1ten steel bath)中的浮力。
图3显示高熔化温度的氧化物层，该层用作为对低熔化温度的添加剂合金芯溶解的阻挡层。
图4显示本发明的一个实施方式，其中CaCN₂颗粒与氧在熔池中反应产生贫氧区。同时碳和氮释放到熔池中，使之富集在贫氧区中。
图5显示本发明的一个实施方式，其中，脱氧剂不将碳或氮释放到熔池中。
图6是本发明方法的流程示意图。
发明详述
本发明可用于在添加剂增加的或合金增加的钢水中使回收提高。不希望受理论的束缚，本发明人相信，向用于注入熔池的含芯金属丝中的添加剂合金粉末28中加入脱氧剂粉末31可导致脱氧剂粉末31与包含在熔池10中的氧原子之间的反应。该反应降低局部区域34的氧含量，在该区域释放添加剂合金粉末28。这种情况可以从图4和图5获知。通过降低熔池在区域34中的氧含量，添加剂合金粉末28在该区域34释放的方式，可以显著降低这些添加剂合金粉末28被氧化的量，因此提高添加剂合金28的回收。通过提高添加剂合金28的回收，可减少需要注入熔融金属10的量，因此节省了金属生产商的时间和金钱。此外，通过提高回收，钢水的最终化学性质的可预测性和可重复性变得更高-这两个都是希望的工艺特性。
在本发明的一个实施方式中，提供合金递送器件。合金递送器件可包括添加剂合金与脱氧剂的掺混物，添加剂合金例如有FeNb、FeV或FeTi，脱氧剂是Ca、CaSi、Si、Al或CaCN₂。这种掺混物可以装在细长的金属外壳内。
与现有技术不同，本发明人已认识到，如果将CaCN₂与特定可氧化的氮化物和/或碳化物形成物(如FeNb，FeV，FeTi)组合，然后通过含芯金属丝注射方式加入熔池，有可能发生脱氧和/或碳化和氮化。图4显示当CaCN₂颗粒31与形成氮化物/或碳化物的添加剂合金28在含芯金属丝中掺混时，CaCN₂颗粒31在添加剂合金颗粒28周围形成区域34，在该区域中氧含量降低，而碳含量和氮含量增加。
在优选的实施方式中，脱氧剂为粉末形式，其粒子的粒径通常小于1毫米，而添加剂合金为研磨粉末形式，其粒子的粒径通常小于1毫米。在另一个优选实施方式中，脱氧剂的含量通常为混合物的重量或体积的5-50％。
图6显示本发明的方法。在一种这样的方法中，在100，Ca、CaSi、Si、Al或CaCN₂的脱氧剂与添加剂合金掺混，添加剂合金可以是FeNb、FeV或FeTi。在103，可将掺混的材料装入金属外壳中，以提供合金递送器件。然后，在106，一旦形成熔融金属如钢水池，就在109，将所述合金递送器件送入熔融金属中。在112，使外壳熔化，使掺混的物质分散在熔融金属中。图6示出这样一种方法。
本发明人相信，通过在含芯金属丝中掺混一种能同时使熔融金属脱氧并富集氮和碳的化合物(如CaCN₂)与形成可氧化的氮化物和/碳化物的粉末，释放该掺混物的区域将显示贫氧并富集氮和碳。结果是如前面所述，提高了添加剂回收，同时具有在最终产品中产生更多氮化物和/碳化物的益处。在这种情况，可以减少注入熔池中的形成氮化物和/或碳化物的添加剂合金的量，同时最终产品将显示增加了氮化物和/或碳化物的增加的益处。因此，可以降低生产成本并改进产品性质。
虽然已经就一个或多个具体实施方式描述了本发明，但是，应理解，在不偏离本发明的精神和范围下可以构成本发明的其他实施方式。因此，本发明仅受所附权利要求书和其合理的解释的限制。