一种纳米粒子均匀分散铝基中间体及制备和应用方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米粒子均匀分散铝基中间体，包含体积分数为10％～20％均匀分散的氧化物纳米粒子，氧化物纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间，氧化物纳米粒子是CaO纳米粉、MgO纳米粉和Al

Preparation and application of a kind of nano particle uniformly dispersed aluminum based intermediate

【技术实现步骤摘要】
一种纳米粒子均匀分散铝基中间体及制备和应用方法
本专利技术涉及钢铁冶金领域，特别涉及一种纳米粒子均匀分散铝基中间体及制备和应用方法。
技术介绍
随着科学和生产技术的发展，对钢材质量的要求越来越高。因而强烈希望开发出具有更优良性能的钢。钢中粗大的夹杂物，尤其是高熔点且硬度较高的氧化铝类夹杂物是影响钢材性能的主要因素之一，随着炼钢技术的发展，钢的洁净度不断得到提高，钢中夹杂物尺寸逐渐呈现超细化的趋势。众所周知，目前炼钢时几乎所有钢中都采用铝终脱氧以降低钢中氧含量，由于钢液中没有大量弥散分布的超细形核质点，钢中氧和铝反应生成的氧化铝只能以少量形核质点析出，此种情况夹杂物易于长大，因此钢中存在粗大氧化铝类(Al2O3)夹杂物。这类夹杂物存在帘线钢中使得制备线材断线，在轴承钢等棒钢中使得转动疲劳特性恶化，也是汽车板等薄板钢冲压开裂的主要原因。因此，为了减轻氧化铝夹杂物对钢材的不利影响，要求氧化铝类夹杂物足够细小，从而使之无害化。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种纳米粒子均匀分散铝基中间体制备和应用方法，将纳米粒子均匀分散到铝液中制备成铝基中间体，以解决纳米粒子的团聚和收得率低的问题。在炼钢过程中，采用铝基中间体代替纯铝对钢液终脱氧。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种纳米粒子均匀分散铝基中间体，包含体积分数为10％～20％均匀分散的氧化物纳米粒子，氧化物纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间，氧化物纳米粒子是CaO纳米粉、MgO纳米粉和Al2O3纳米粉中的一种，其余为Al。一种纳米粒子均匀分散铝基中间体的制备方法，包括以下步骤：(1)称取铝含量≥99.85wt％的纯铝块，放入石墨坩埚置于中频感应炉内，通电加热升温至850℃～900℃重熔，重熔过程中采用碳化稻壳作为覆盖剂，防止铝液表面被氧化；(2)待完全熔化后，去掉表面覆盖剂，取出石墨坩埚并置于螺旋电磁搅拌器中，设置搅拌电流为100A～300A，频率30Hz～50Hz，将超声波发射头浸入到铝液中25mm～35mm深度预热，预热5min～10min后，设置超声波处理器输出功率0.8kW～1kW，频率为18～22Hz；(3)同时开启螺旋电磁搅拌器和超声波处理器，向铝液中加入氧化物纳米粒子，在电磁场和超声波协同作用下向铝熔体中分散氧化物纳米粒子，全程采用氩气保护；(4)分散结束后，取出石墨坩埚并放入炉温为700℃～750℃箱式炉内随炉冷却，直至铝液完全凝固成铝锭。步骤(3)中氧化物纳米粒子加入方式为投入法或机械法，投入法采用分批次加入方式，选择5～10次投入，每次间隔时间为5s～10s；机械法采用溜槽的方式加入粉末粒子，粉末粒子流量为100～150g/min。步骤(3)加入氧化物纳米粒子过程中铝液温度≥800℃。步骤(4)箱式炉的冷却速度为≤0.4K/s。一种纳米粒子均匀分散铝基中间体的应用方法，在钢液终脱氧时采用铝基中间体部分代替纯铝脱氧，包括以下步骤：(1)铝基中间体制备成块状或粒状；(2)在钢液终脱氧时，加入铝基中间体和纯铝共同脱氧，铝基中间体和纯铝的质量比例为1:9～1:4；氧化物纳米粒子加入量为钢液质量的0.005％～0.01％；(3)浇铸钢液使之凝固，凝固状态下钢中氧化铝系夹杂物平均粒径为1.5μm以下。上述铝基中间体制备工艺中，纯铝熔炼温度为850℃～900℃，是为了保证铝液过热度在200℃～250℃之间(纯铝熔点约为650℃)，防止后续熔体搅拌造成温降影响到纳米粒子的收得率。而温度超过900℃以会增加熔炼成本和合金烧损。设置搅拌器电流为100A～300A，频率30Hz～50Hz，为了获得合适熔体搅拌强度，使纳米粒子弥散分布在整个熔体中，搅拌强度过小则纳米粒子达不到熔体深处，搅拌强度过大纳米粒子在熔体中团聚；超声波发射头浸入到铝液中25mm～35mm深度预热，预热5min～10min，预热目的是使设备达到正常应用工作频率18～22Hz。浸入深度是根据设备的输出功率0.8kW～1kW设定的，浸入深度大于35mm则超声波在金属熔体中衰减使纳米粒子不能实现完全分散，小于25mm则影响到纳米粒子分散到熔体中的深度，进而影响到粒子在熔体中的分散量。超声波和螺旋电磁搅拌协同作用向铝熔体中分散纳米粒子，目的是利用超声波的机械作用和空化效应，减弱铝液表面张力，使比重比铝轻的纳米粒子能够进入熔体内部，并且纳米粒子呈弥散分布，避免在铝液表面团聚成渣，但是由于超声波在金属熔体中传播呈衰减趋势，纳米粒子在熔体表面下较浅区域实现分散，而不能进入到整个熔体中实现分散，这就是结合螺旋电磁搅拌协同作用原因。相反单独的螺旋磁场作用会是纳米粒子在熔体表面聚集成渣，不能进入到熔体内部。分散氧化物纳米粒子时铝液温度≥800℃，为了保证分散纳米粒子时熔体有较高的过热度，也就是熔体需要有一定的流动性，才能使分散过程顺利进行，否则熔体温降会降低纳米粒子分散量。氧化物纳米粒子加入方式为投入法或机械法。投入法采用分批次加入方式，选择5～10次投入，每次间隔时间为5s～10s。机械法采用溜槽的方式加入粉末粒子，粉末粒子流量为100～150g/min。通过少量多批次分散粒子或少量匀速分散粒子，目的是使纳米粒子均匀、弥散分布，否则一次性加入量过大造成部分纳米粒子团聚成渣，降低了纳米粒子在熔体中收得率。氧化物纳米粒子在铝液中呈均匀分散状态，其体积分数占比为10％～20％，现有设备条件下能够均匀分散(无团聚)纳米粒子的含量范围。铝基中间体熔体随炉冷却速度≤0.4K/s，初始炉温700℃～750℃，中间体熔体处于一定过热度区间，纳米粒子在熔体中处于稳定分散状态，随后以冷却速度≤0.4K/s随炉冷却，直至凝固成粒子均匀分散固态中间体，而冷却速度≥0.4K/s易造成因冷却快导致纳米粒子在中间体凝固末端偏析、团聚。氧化物纳米粒子为CaO纳米粉、MgO纳米粉和Al2O3纳米粉中的一种，粒子的粒度介于25nm～50nm之间。选择三种纳米粉目的：由于它们的熔点高且不溶解于钢，在钢中以固体核心存在，细化新生氧化铝夹杂，另外，它们是钢中夹杂物常见成分，不会污染钢水。但是，粒子小于25nm团聚严重，不易分散，粒子大于50nm，其形核核心细化夹杂物作用不明显。铝基中间体应用过程中，铝基中间体以块状或粒状添加，添加过程可以手工加入，加入量比较多时，可以采用机械加入法，机械加入法可采用溜槽加入；纳米粒子加入量为钢液质量的0.005％～0.01％，加入量小于0.005％则钢水中外加纳米粒子核心数量少，细化效果不明显，若加入量大于0.01％，则造成钢水中外加的纳米粒子聚集长大。加入中间体后，钢水搅拌可以是吹氩搅拌，也可以是电磁搅拌或机械搅拌，或也可以依靠出钢时钢流冲击搅拌。钢液浇铸，可以是连铸或模铸。与现有的技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)结合超声波分散技术与螺旋电磁搅拌技术，将纳米粒子均匀分散到铝液中制备成铝基中间体，解决纳米粒子的团本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米粒子均匀分散铝基中间体，其特征在于，包含体积分数为10％～20％均匀分散的氧化物纳米粒子，氧化物纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间，氧化物纳米粒子是CaO纳米粉、MgO纳米粉和Al

【技术特征摘要】
1.一种纳米粒子均匀分散铝基中间体，其特征在于，包含体积分数为10％～20％均匀分散的氧化物纳米粒子，氧化物纳米粒子的粒度介于25nm～50nm之间，氧化物纳米粒子是CaO纳米粉、MgO纳米粉和Al2O3纳米粉中的一种，其余为Al。


2.一种根据权利要求1所述的纳米粒子均匀分散铝基中间体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取铝含量≥99.85wt％的纯铝块，放入石墨坩埚置于中频感应炉内，通电加热升温至850℃～900℃重熔；
(2)待完全熔化后，去掉表面覆盖剂，取出石墨坩埚并置于螺旋电磁搅拌器中，设置搅拌电流为100A～300A，频率30Hz～50Hz，将超声波发射头浸入到铝液中25mm～35mm深度预热，预热5min～10min后，设置超声波处理器输出功率0.8kW～1kW，频率18～22Hz；
(3)同时开启螺旋电磁搅拌器和超声波处理器，向铝液中加入氧化物纳米粒子，在电磁场和超声波协同作用下向铝熔体中分散氧化物纳米粒子，全程采用氩气保护；
(4)分散结束后，取出石墨坩埚并放入炉温为700℃～750℃箱式炉内随炉冷却，直至铝液完全凝固成铝锭。


3.根据权利要求2所述的纳米粒子均匀分散铝基中间体的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：康磊，廖相巍，郭庆涛，尚德礼，贾吉祥，唐雪峰，于明光，康伟，吕春风，董刚，
申请(专利权)人：鞍钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21