本發明涉及一種材料生產過程中直接微合金化方法，屬于材料制備
技術領域：
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背景技術：
：微合金化元素通常指在原有主加合金元素基礎上，添加微量的鈮、釩、鈦等碳氮化物形成元素、稀土元素及硼元素等，從而對力學性能有影響，或對耐蝕性、耐熱性起作用。現代鋼鐵生產過程中，由于低氧低硫和高純凈冶煉技術的不斷發展，為微合金化元素的微合金化作用發揮提供了必要的前提條件。我國存在較多的共生礦床。例如，白云鄂博鐵礦是大型的鐵、稀土、鈮等多種有用礦物共生礦，其中稀土儲量占全國總儲量的90％以上，占世界已探明總儲量的六分之五，有“世界稀土寶庫”之稱。為了實現共生礦中的微合金化元素可以直接微合金化到鋼鐵材料中，同時也為我國的稀土產業由資源優勢轉化為資源加技術優勢。因此，本發明為微合金化元素以固溶形式存在于鋼鐵材料中發揮微合金化作用，提供了一種安全可行和原材料廉價易得的方法。早在20世紀40年代，日本、美國、德國等相繼在電爐、平爐和感應爐上研究應用采用鎢礦粉代替鎢鐵合金進行直接還原合金化，直接微合金化的研究就此拉開序幕。20世紀70年代，美國在工業生產上用氧化鉬代替鉬鐵進行煉鋼時的合金化。20世紀80年代，日本率先進行了大量的鉻礦熔融還原方面的研究，并應用于工業生產。川上正博在感應爐上利用Si和C還原了粉末狀的鉻礦。家田幸冶等人在頂底復吹轉爐上利用焦炭還原鉻礦。從20世紀90年代至今我國已相繼進行了直接合金化方面的研究。高運明等人在實驗室中模擬了轉爐出鋼過程中的氧化鉬直接合金化過程，苗治民等人在上鋼五廠30t電爐冶煉GCr15軸承鋼時采用鉻礦直接合金化工藝，馬鋼在冶煉搪瓷用鋼06VTi時，采用釩渣代替釩鐵在轉爐內進行直接合金化，濟鋼在10t轉爐鋼包中采用噴射鈮精礦的方式進行冶煉含鈮低合金鋼實驗，試驗結果表明Nb的回收率可達76％以上。但是上述直接合金化其本質都是在轉爐煉鋼階段加入合金元素的氧化物，再利用還原劑將氧化物還原成單質態金屬的過程，雖然少了冶煉中間合金的過程，但是氧化物仍然需要人為獲取，而且在加入時直接加入氧化物，由于氧化物的密度較小，首先會上浮造渣，往往與后面加入的還原劑不能充分接觸反應，因此并未真正在生產現場普及使用，同時從概念上，現存的直接合金化的理論都是從轉爐煉鋼開始，這是整個冶煉過程的中間階段，并不是從原料礦石開始。目前，往材料中加入合金的方法，主要是加入中間合金、純金屬或者是轉爐階段加入氧化物再還原，然而由于有些元素例如稀土元素的化學性質非常活潑，極易氧化，在人工加入時非常容易被氧化而導致燒損現象，使加入后的收得率很低，而且絕大多數以氧化物形式存在，幾乎難以發揮微合金化作用。造成稀土這一寶貴的資源極大浪費，制約了稀土在鋼鐵工業的應用與發展。技術實現要素：本發明要解決的技術問題就在于：克服現有技術的缺陷，提供一種鋼鐵材料生產過程中直接微合金化方法，它可以在鋼鐵材料生產過程中有效地利用具有較強吸附能力的主要合金元素為微合金化元素的載體進行直接微合金化，為鋼鐵材料生產中微合金元素的直接微合金化提供了一種全新的思路，可以有效地使鋼鐵材料中得到以固溶形式存在的微合金化元素，從而發揮微合金化作用。為解決上述問題，本發明采用如下技術方案：本發明提供一種鋼鐵材料生產過程中直接微合金化合金化方法，所述方法包括：采用共生礦為材料冶煉生產的原始來料，在精礦冶煉過程中加入具有較強吸附能力的主要合金元素為載體，將共生礦中所含的微合金化元素吸附固定在其中，隨著自身重力和鐵水的沖刷作用，這些具有吸附能力的載體會吸附這微合金化元素進入到鐵水中，通過加入脫氧劑可以將上述載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，從而以固溶形式進入到材料中發揮微合金化作用。具體步驟為：(1)原料來源：采用含微合金化元素的共生礦為材料冶煉的原始來料，例如，包頭的白云鄂博稀土-鐵共生礦床、攀枝花釩鈦磁鐵礦床等；其中白云鄂博共生礦床所選出的鐵精礦含有TFe：60％-70％、REO：0.01％-1％；攀枝花釩鈦磁鐵礦床所選出的鐵精礦含有TFe：50％-70％，TiO2：1％-10％，V2O3：0.1％-5％。(2)吸附載體：采用具有較強吸附能力的主要合金元素為載體，例如，膨脹石墨、海綿金屬、氧化石墨、活性炭、焦炭、多孔硅、活性鈣中的一種或幾種混合加入；(3)加入方式：在高爐煉鐵過程中，將吸附載體和礦石原料通過共混從高爐頂端料口或從高爐噴煤口單獨噴吹等方式加入；(4)吸附過程：吸附載體和鐵精礦進入高爐的爐腹區，在爐腹區隨著鐵精礦的熔化，吸附載體將鐵精礦中的微合金化元素吸附并固定；(5)傳遞過程：吸附載體隨著自身重力和鐵水的沖刷作用，進入轉爐煉鋼流程中；(6)微合金化過程：在轉爐煉鋼流程中，通過吹氧脫碳，載體會被消耗，將稀土元素以氧化物的形式釋放出來，轉爐終點(溫度為1500℃-1650℃)冶煉完成后，在出鋼過程中通過加入脫氧劑(例如硅鈣線、鐵鈣線、鋁線、硅鐵、硅錳、硅鈣鋇鎂等)，可以將上述載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，從而使微合金化元素以固溶形式進入到材料中發揮微合金化作用。本發明的優勢及應用價值：1.本發明選用的原材料均為工廠企業常用材料，廉價易得，所涉及的化學反應較為穩定，安全性好，對現場生產工況無需做特殊調整，易于生產。2.本發明通過采用共生礦為鋼鐵材料冶煉生產的原始來料，在冶煉過程中加入具有較強吸附能力的主要合金元素為載體，將共生礦中所含的微合金化元素吸附固定在其中，隨著自身重力和金屬熔體的沖刷作用，這些具有吸附能力的載體會吸附這微合金化元素進入到金屬熔體中，通過加入脫氧劑將載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，從而微合金化元素以固溶形式進入到材料中發揮微合金化作用。3.本發明可以在鋼鐵材料生產過程中有效地利用具有較強吸附能力的主要合金元素為微合金化元素的載體進行直接微合金化，為鋼鐵材料生產中微合金元素的直接微合金化提供了一種全新的思路，可以有效地使鋼鐵材料中得到以固溶形式存在的微合金化元素，從而發揮微合金化作用。該方法生產過程安全，材料來源簡單易得，工業生產時容易進行，資源配置利用合理等特點。具體實施方式白云鄂博鐵礦是一座富含稀土資源的共生礦床，在選礦后的鐵精礦中會含有一定量的稀土元素和鐵精礦共存進入到后續的鋼鐵冶煉流程中，從而為稀土元素在鋼中的直接合金化提供了必要條件。表1白云鄂博稀土-鐵共生礦的選礦后鐵精礦的成分(wt/％)TFeSiO2FH2OSPNa2OK2OREO其它脈石成分60-701-20.2-0.35-10％0.5-1.50.05-0.10.1-0.20.1-0.20.01-1余量表中TFe指全鐵；REO是稀土元素氧化物的簡稱。實施例1：一種鋼鐵材料生產過程中直接微合金化方法，其具體步驟為：(1)主要原料：采用白云鄂博稀土-鐵共生礦為高爐煉鐵的礦石原始來料，在選礦過程中稀土元素會隨著富鐵的顆粒一起進入鐵精礦中，鐵精礦成分如表1；(2)吸附載體：采用氧化石墨和焦炭為吸附微合金化元素的載體，氧化石墨加入量為鐵精礦的1％，焦炭加入量為鐵精礦的25％；(3)加入方式：在高爐煉鐵過程中，將焦炭和鐵精礦在通過共混從高爐頂端料口加入，氧化石墨從噴煤口噴吹方式加入；(4)吸附過程：吸附載體和鐵精礦進入高爐的爐腹區(溫度為：1400℃-1800℃)，在爐腹區隨著鐵精礦的熔化，吸附載體將鐵精礦中的微合金化元素吸附并固定；(5)傳遞過程：吸附載體隨著自身重力和鐵水的沖刷作用，進入轉爐煉鋼流程中；(6)微合金化過程：在轉爐煉鋼過程中，通過吹氧脫碳，載體會被消耗，將稀土元素以氧化物的形式釋放出來，轉爐終點(溫度為1500℃-1650℃)冶煉完成后，在出鋼過程中加入脫氧劑，其中硅鈣線加入量為鋼水重量的0.06％-0.1％、鐵鈣線為鋼水重量的0.02％-0.1％、硅鐵為鋼水重量的0.04％-0.1％，可以將上述載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，再通過爐外精煉和連鑄后室溫冷卻成鋼坯，從而使微合金化元素以固溶形式進入到鋼坯中發揮微合金化作用。本方法直接合金化后最終微合金化稀土元素在鋼坯中的固溶量為3-10ppm。實施例2：一種鋼鐵材料生產過程中直接微合金化方法，其具體步驟為：(1)主要原料：采用白云鄂博稀土-鐵共生礦為高爐煉鐵的礦石原始來料，在選礦過程中稀土元素會隨著富鐵的顆粒一起進入鐵精礦中鐵精礦成分如表1所示；(2)吸附載體：采用焦炭為吸附微合金化元素的載體，焦炭的加入量為鐵精礦重量的25％；(3)加入方式：在高爐煉鐵過程中，將焦炭和鐵精礦在通過共混從高爐頂端料口加入；(4)吸附過程：吸附載體和鐵精礦進入高爐的爐腹區，在爐腹區隨著鐵精礦的熔化，吸附載體將鐵精礦中的微合金化元素吸附并固定；(5)傳遞過程：吸附載體隨著自身重力和鐵水的沖刷作用，進入轉爐煉鋼流程中；(6)微合金化過程：在轉爐煉鋼過程中，通過吹氧脫碳，載體會被消耗，將稀土元素以氧化物的形式釋放出來，轉爐終點(溫度為1500℃-1650℃)冶煉完成后，在出鋼過程中加入脫氧劑，其中硅鈣線加入量為0.06％-0.1％、鐵鈣線為0.02％-0.1％、硅鐵為0.04％-0.1％，可以將上述載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，在通過爐外精煉和連鑄后室溫冷卻成鋼坯，從而使微合金化元素以固溶形式進入到鋼坯中發揮微合金化作用。本方法直接合金化后最終微合金化稀土元素在鋼坯中的固溶量為1-2ppm。實施例3：一種鋼鐵材料生產過程中直接微合金化方法，其具體步驟為：(1)主要原料：采用白云鄂博稀土-鐵共生礦為高爐煉鐵的礦石原始來料，在選礦過程中稀土元素會隨著富鐵的顆粒一起進入鐵精礦中，鐵精礦成分如表1所示；(2)吸附載體：采用氧化石墨和焦炭為吸附微合金化元素的載體，氧化石墨加入量為鐵精礦的5％，焦炭加入量為鐵精礦的25％；(3)加入方式：在高爐煉鐵過程中，將焦炭和鐵精礦在通過共混從高爐頂端料口加入，氧化石墨從噴煤口噴吹方式加入；(4)吸附過程：吸附載體和鐵精礦進入高爐的爐腹區，在爐腹區隨著鐵精礦的熔化，吸附載體將鐵精礦中的微合金化元素吸附并固定；(5)傳遞過程：吸附載體隨著自身重力和鐵水的沖刷作用，從而進入轉爐煉鋼流程中；(6)微合金化過程：在轉爐煉鋼過程中，通過吹氧脫碳，載體會被消耗，將稀土元素以氧化物的形式釋放出來，轉爐終點(溫度為1500℃-1650℃)冶煉完成后，在出鋼過程中加入脫氧劑，其中包括硅鈣線加入量為0.06％-0.1％、鐵鈣線為0.02％-0.1％、硅鐵為0.04％-0.1％，可以將上述載體中吸附的微合金化元素還原成單質態，在通過爐外精煉和連鑄后室溫冷卻成鋼坯，從而使微合金化元素以固溶形式進入到鋼坯中發揮微合金化作用。本方法直接合金化后最終微合金化稀土元素在鋼坯中的固溶量為8-20ppm。最后應說明的是：上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉，而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。當前第1頁1 2 3