一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品及其加工方法
阅读说明：本技术 一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品及其加工方法 (Cored wire product for feeding molten steel with loose materials and processing method thereof ) 是由 乌力平 李国安 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品及其加工方法,属于冶金技术领域。本发明的产品在加工时通过对已完成散装内芯物料装料和封口的管状容器钢壳局部沿轴向进行连续挤压,并对挤压部位形成凹陷状的钢壳横截面进行减径圆整,使得产品横截面因具有局部凹口而变小,其内部物料填充密实度高、与外壳的接触密度大,内部气体含量少。采用本发明的技术方案可以延长外壳封闭时间,有效抑制气体急剧蒸发,减少镁或/和钙的蒸发和氧化损失,从而提高和稳定采用喂线工艺时钢中合金化或夹杂物改性变质处理元素的收得率,并同时减少喂线(特别是镁或/和钙处理)时对钢液的污染和现场环境的危害。(The invention discloses a cored wire product for feeding molten steel with a loose material and a processing method thereof, belonging to the technical field of metallurgy. When the product is processed, the local part of the steel shell of the tubular container which is filled with the bulk inner core material and sealed is continuously extruded along the axial direction, and the cross section of the steel shell with the concave shape formed at the extrusion part is reduced and rounded, so that the cross section of the product is reduced due to the local notch, the filling compactness of the material in the product is high, the contact density with the shell is high, and the content of gas in the product is low. The technical scheme of the invention can prolong the enclosure closing time, effectively inhibit the rapid evaporation of gas and reduce the evaporation and oxidation loss of magnesium or/and calcium, thereby improving and stabilizing the yield of alloying or inclusion modification treatment elements in steel when a wire feeding process is adopted, and simultaneously reducing the pollution to molten steel and the harm to the field environment when the wire is fed (particularly the magnesium or/and calcium is treated).)
技术领域
本发明属于冶金技术领域，更具体地说，涉及一种采用散状物料(反应型或非反应型) 对钢液进行喂线处理的包芯线产品及其加工、使用方法，旨在提高内腔散状物料的准体积密度，减少内部残留空气，促进内部物料吸热、延长外壳熔化时间和促进反应型物料反应的包芯线产品及其加工方法。
背景技术
通过包芯线对钢液进行喂线处理，是在钢液精炼工序广泛采用的一种精炼过程中(尤其是精炼末期)加入内芯物料方法，能够避开钢包顶渣对加料的不利影响，并能够直接把物料加入钢液深处，增加钢液对物料的收得率。包芯线内部包裹的物料有整体实心圆棒材料(如纯钙棒等)，更多的是有着不同粒径的细粉散状料，这些散状料有仅进行合金化的非反应型的(如碳粉等)，也有喂入钢液后进行实时化学反应的反应型的(如直接还原合金化粉剂、用于夹杂物改性的硅钙粉等)，为便于制作时的包芯线集卷卷取和精炼使用时的喂入，包芯线全部按照圆形截面进行预成型和重力加料后封锁口，但会依据物料种类和粒度出现一定的内部物料疏松。现有散状物料包芯线内部物料松散不紧实，在使用和运输过程中具体存在的问题有以下几个方面：
1、由于包芯线内部物料准密度不高，物料与外壳间以及物料与物料间接触不紧密，使得钢液热量从外壳向物料和物料之间的传热热阻大，外壳相对升温快、熔化早，不利于内部物料相对于钢液的隔离，在一定程度上需耗费更厚的包芯线外壳。
2、对于反应型散状物料，往往希望借助钢液的热能来激发和推进实时的化学反应，也更希望钢壳能够尽可能晚地熔化和破裂，让内部化学或物理化学反应能够更加充分进行。但物料疏松造成大的传热热阻既不利于化学反应激发和反应进行，也不利于反应的封闭，会对钢液的喂线处理产生不良的影响。
3、喂线处理一般是钢液精炼过程的最后环节。包芯线内部物料疏松、不密实，也就是内部空气的容量大，不论是空气中的氧和氮在包芯线内还是进入钢液后与钢中元素反应或溶入，都会对钢液形成一定的污染，尤其是对超纯净钢负面影响大。
4、包芯线内部物料疏松、空气的容量大，在突然受热后会突然数倍地膨胀形成大气泡并上浮逸出，使得钢包内钢液剧烈翻腾和严重裸露，造成相对钢中的铝损大、增氮严重，污染了钢液。同时，在进行钙、镁或镁钙处理时，还会出现1)钙或/和镁高蒸气压元素易进入气泡中并被空气中氧结合为氧化物直接氧化而损失；2)钙或/和镁蒸气进入气泡中，使其分压降低，向钢液的溶解变少；3)钙或/和镁蒸气进入气泡中，使气泡进变大，上浮速度加快，并随大气泡的上浮溢出钢液而出现损失；4)这种空气泡与钙镁蒸气的合并叠加，会造成处理过程中钢液剧烈翻腾和严重裸露更严重，也会造成处理过程中钢液额外的温度损失，甚至会出现钢液外溢，出现现场作业环境的严重污染和钢液的外溢损失。
5、包芯线内部物料疏松、不密实，会使得立卷运输和储存的包芯线的内部物料颗粒在线卷运输等物流过程中因为振动等出现跌落和滑移，产生包芯线内物料物质种类和粒径的宏观偏析等，对反应型物料的反应进程和充分程度有负面影响。
6、再则包芯线内部物料疏松、不密实，会使得立卷运输和储存的包芯线的内部物料颗粒在线卷运输等物流过程中因为振动等产生内部物料严重的重力滑落聚积，使得线卷高出部位出现周期性空段，在喂线处理时因压轮压塌陷落影响喂线作业的顺畅，尤其是对薄外壳包芯线甚至还会出现作业中滞线造成中断的情况。
由于现有散状物料包芯线存在上述问题，尤其是对反应型物料和薄外壳的情况，使得钢液喂线处理的成分收得率低、波动大，钢液污染严重、现场环境脏乱差，过程状态和最终结果都不理想。
经检索，中国专利申请号为：201110078560.5，申请日为：2011年3月29日，发明创造名称为：包芯线及制备该包芯线的方法。该申请公开的包芯线，包括外皮与芯料，芯料紧密填充在外皮内，所述外皮包括外层的钢片层和内层的金属层，外皮两边在外皮接口向内翻折，挤压固定，所述金属层熔点小于钢，所述金属层厚度为0.2mm，所述钢片层厚度为0.2mm。该申请案中声称此包芯线能够做到将芯料密实填充在外皮内，经研究发现，该申请案中提供的封口时压紧的生产方法因物料的受压滑移无法得到芯料密实填充在外皮内的包芯线，其用于对钢液进行喂线处理时仍旧会出现上述问题，最终导致合金化元素收得率、波动大，且钢液污染严重、现场环境脏乱差。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有钢液喂线处理用散状物料包芯线存在的物料疏松不密实，内部空气残余多的问题，本发明提供一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品及其加工方法。采用本发明的技术方案可以延长外壳在钢液内的封闭时间，有效抑制气体急剧蒸发，减少镁或/和钙的蒸发和氧化损失，从而提高和稳定采用喂线工艺时钢中合金化或夹杂物改性变质处理元素的收得率，并同时减少喂线(特别是镁或/和钙处理)时对钢液的污染和现场环境的危害。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品，包括外壳和物料，所述外壳加工为管状条形结构，且其表面加工有沿外壳长度方向分布的凹口；所述物料呈粉状，并密实填充于外壳内腔中，用于对钢液进行喂线处理。
更进一步的，所述凹口至少包括一个。
更进一步的，所述凹口位于外壳上的封口处。
更进一步的，所述凹口包括两个，一个位于外壳上的封口处，另一个位于封口另一侧。
更进一步的，所述外壳采用低碳钢材料制成，其总厚度范围为0.3-1.2mm。
更进一步的，所述外壳包括双层结构，其上的凹口位于外壳的封口处。
本发明的一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品的加工方法，包括如下操作步骤：
步骤一、将外壳制成横截面为U型的凹槽容器，布物料；
步骤二、闭合外壳上端开口，加工成带有封口的闭合管状结构体，其直径记为D0；
步骤三、距闭合封口处设置合适的开始挤压加工长度距离，对步骤二中所得管状结构体沿纵向或轴向进行局部连续挤压及缩径圆整，处理后的外壳上形成纵向分布的凹口，处理后的管状结构体的直径记为D，且D＜D0。
更进一步的，步骤三中，闭合封口点至开始挤压加工点的长度距离控制为大于包芯线直径(未经挤压、缩径和圆整处理的产品直径，也即D0)的10倍。
附图说明
图1为本发明中封口后的包芯线产品横截面结构示意图(未对产品进行纵向或轴向连续挤压及缩径圆整)；
图2为本发明中经纵向或轴向连续挤压及缩径圆整处理后的包芯线产品横截面结构示意图；
图3为本发明的具有双层外壳的包芯线产品横截面结构示意图(在其生产过程中，已完成沿延纵向或轴向对其进行局部连续挤压及缩径圆整处理)。
图中：
110、外壳；210、物料；310、封口；410、凹口。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的一种对钢液进行散状物料喂线处理的包芯线产品，包括外壳110 和物料210，所述外壳110加工为管状条形结构，所述外壳110采用低碳钢材料，可以设计单层或双层结构，如图3所示，双层时外层钢壳局部连续挤压凹陷的位置在内层钢壳对接闭合处。外壳材料总厚度范围为0.3-1.2mm，需要说明的是，为了便于生产包芯线产品，当外壳110为单层结构时，其厚度做到1.0mm以上时控制相对较为困难，一般可以做到0.3-0.8mm。所述物料210主要为炼钢用的一些散状物料，包括合金化物料和散状炼钢辅料等，此处不做具体限定，如常用的碳粉、硅钙粉等等均可，然后将物料210制成细颗粒状，密实填充于外壳110内腔中，先完成封口，然后按大于包芯线产品直径十倍的长度距离，定点开始对包芯线外壳110进行挤压加工，形成凹口(410)后并做圆整，加工成为截面缩小的包芯线产品，用于对钢液进行喂线处理。
具体的，现有市面上所有的包芯线产品内部的散状物料准密度都不高，物料与外壳间以及物料与物料间接触不紧密，造成这种状况的主要原因在于包芯线的结构及加工特点，一般地在封口时会在封口处对包芯线进行局部挤压，但此时散状的物料极易因挤压从待封口侧滑移溢出而无法压实。而本发明的产品，其加工方法主要包括如下步骤：
步骤一、采用现有的生产设备将外壳110制成横截面为U型的凹槽容器，布物料210；
步骤二、布料完成以后，采用现有生产设备闭合外壳110上端开口，加工成带有封口310 的管状结构体，如图1所示，加工后的管状结构体的直径(即圆形横截面的直径)记为D0；
步骤三、距闭合封口处设置合适的开始挤压加工长度距离l开始进行挤压加工，对步骤二中所得管状结构体沿纵向或轴向进行局部连续挤压及缩径圆整，处理后的外壳110上形成纵向分布的凹口410，处理后的管状结构体的直径(即如图2所示，其圆形横截面的直径) 记为D，且D＜D0。
需要说明的是，步骤三中，闭合封口点至开始挤压加工的长度距离l对物料210填充的密实度尤为重要，长度过短容易在挤压过程中，物料210在进行封口310的加工位置出现滑移溢出的情况，根本无法保证包芯线外壳110内腔体的物料210被挤压紧实；加工长度设置过长，则对现有的包芯线加工设备改动较大，设备尺寸大且占地多，导致生产成本较高。本发明通过对加工方法，尤其是加工长度l的优化，通过控制l＞10D0时，可以有效使物料210 在挤压的瞬时来不及传递压力并发生相互滑移从封口位置处溢出，从而能够有效保证物料210 的填充密实度，进而解决现有包芯线在运输和使用过程中的问题。同时，如图2或图3所示，本发明的产品表面具有一条纵向分布的凹口410，所述凹口410形状在经缩径圆整后仍然保持，其个数至少包括一个。当凹口410设置为一个时，其位置可以位于外壳110的封口310 处，也可位于外壳110上其他部位。当凹口410的个数为两个时(图中未画出)，可以将其中一个凹口410设于外壳110上的封口310处，一个设于封口310另一侧。凹口410的个数及位置分布的优化能够进一步提高物料210的填充密实度，保证本发明的包芯线产品的使用效果。当采用双层外壳时，采用单个凹口410，其位置宜位于外壳110的封口310处，以确保封口完好并可以减少挤压设备的功率。
此外，产品进行挤压圆整后减小的内腔容积全部为排挤出的空气体积，内部物料准密度的增加与所减小的内腔容积相对应。经缩径圆整处理后的产品外壳110内腔横截面小于未进行连续挤压处理前的横截面。由于局部挤压失圆后进行圆整，仍然保持了包芯线截面的圆度，对产品生产过程中的卷取排线和喂线使用没有任何负面影响。更优化的，本发明的包芯线产品在卷取或喂线时受外力变形时，挤压凹槽(即凹口410)会有一定程度的弹性变形使线的横截面积扩大，能释放变形时产生的对包芯线纵向封口处的张力，保证封口不会涨裂。
本发明的包芯线产品，相对于现有的包芯线而言，能够做到将散状的物料210密实填充在外壳110内，在一定程度上可以减小外壳截面积及总内腔容积，从而排出部分内部空隙中存留的空气，增加了物料的集合密实度，提高了物料与物料、物料与外壳之间的接触及结合紧密程度，有利于钢液热量从外壳向内部物料和物料之间的传热，消除了内部物料物质种类和粒径的宏观偏析，避免了包芯线卷内部物料出现周期性空段等问题。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
1)在钢液喂线处理时热量从外壳向内部物料和物料之间的传热，延长了外壳的熔化时间；
2)对需要借助钢液传入热量激发反应的反应型物料，促进了内部反应进程和充分程度；
3)减少了所排除多余部分空气中氧、氮等对钢液的相应污染；
4)减轻了处理过程中由于内部残留气体受热剧烈膨胀造成的钢包液面翻腾造成的钢液污染和金属飞溅；
5)减少了进行镁、钙处理时因存在空气造成的镁钙蒸气分压降低影响对钢液的溶入和出现大气泡造成镁钙随同溢出；
6)减少了残留空气中氧对反应型物料中还原剂的消耗；
7)消除了反应型包芯线在物流过程中因振动等出现的包芯线内物料物质种类和粒径的宏观偏析，基本杜绝了因出现反应物不均匀对内部反应的负面影响；
8)避免了因存在较多孔隙而产生在包芯线卷物流过程中内部物料严重的重力聚积出现周期性空段等影响喂线作业的顺畅等问题。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例中生产直径13mm的包芯线。在进行凹口410挤压加工时，设置挤压加工点至距封口点的距离l为145mm(约l＝11D0)。取10.0m成品包芯线分成五段每段2.0m，对每段内的芯料进行称重，同时对各段直径(外径)进行测量和当量直径折算，结果为：
对比例1
本对比例采用实施例1基本一样的包芯线规格和原材料，加工方法基本同实施例1，其与实施例1的加工方法不同在于直接进行挤压缩径。制成包芯线产品后，取20.0m成品包芯线均匀分成十段每段2.0m，对每段内的散装物料进行称重结果为：
实施例2
本实施例中生产直径13mm的包芯线。在进行凹口410挤压加工时，设置挤压加工点至距封口点的距离l为145mm(约l＝11D0)。取20.0m成品包芯线均匀分成十段每段2.0m，对每段内的散装物料进行称重结果为：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
标准差
重量(g)
179
181
181
180
181
179
179
180
180
181
180.1
0.876
对比例2-1
本对比例采用实施例1基本一样的包芯线规格和原材料，加工方法基本同实施例1，其与实施例1的加工方法不同在于封口时直接同步进行挤压缩径。制成包芯线产品后，取20.0m 成品包芯线均匀分成十段每段2.0m，对每段内的散装物料进行称重结果为：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
标准差
重量(g)
171
171
169
165
170
171
169
166
167
170
169.5
2.183
对比例2-2
本对比例采用实施例1基本一样的包芯线规格和原材料，加工方法基本同实施例1，其与实施例1的加工方法不同点为在进行凹口410挤压加工时，将挤压设备向封口点方向移动，使挤压加工点至距封口点的距离l为90mm(约l＝7D0)。制成包芯线产品后，制成包芯线产品后，取20.0m成品包芯线均匀分成十段每段2.0m，对每段内的散装物料进行称重结果为：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均
标准差
重量(g)
176
180
177
179
176
179
177
178
176
178
177.5
1.430
实施例3
本实施例为对钢液进行钙处理，采用钙、硅含量分别为30％及55％的硅钙粉制成外径 10mm的包芯线，芯料颗粒度不大于1.5mm，包芯线外壳低碳钢带为单层，厚度为0.55mm。
采用本发明的加工方法制成，通过将包芯线在封装后采用辊轮延轴向进行局部压下并圆整，在外壳压下处形成凹状沟槽。包芯线在钢包炉精炼后期以1.8m/sec的速度喂入钢液量为130吨的钢包中，喂线过程基本平稳，无明显的钢液翻腾和钢包顶渣卷入现象。经钢包吹氩弱搅拌后，最终钢液中增钙18ppm，钙的收得率为31.5％，钢中酸溶铝损失6ppm。
对比例3
本对比例1采用与实施例1基本一样的包芯线规格和原材料(仅不做加压减径)、几乎完全相同的条件和方式加入钢液，喂线过程钢液翻腾相对严重，较明显存在钢包顶渣卷入现象，精炼后最终钙收得率为27.3％，钢中酸溶铝损失8ppm。
实施例4
本实施例进行钢液碳含量的精调整处理，采用纯度99％的碳粉，制成外径13mm的包芯线，碳粉颗粒度不大于1.0mm，包芯线低碳钢带为单层，厚度为0.3mm，采用本发明的加工方法制成，通过将外壳局部加压下凹(形成的凹口包括两个，分别位于封口处及封口另一侧)。包芯线在钢包炉精炼后期以2.0m/sec的速度喂入钢液量为130吨的钢包中，喂线过程基本平稳，无明显的钢液翻腾和钢包顶渣卷入现象，增碳准确，碳收得率100％。
对比例4
本对比例3使用与实施例2一样的包芯线规格和原材料(仅不做加压减径)、几乎完全相同的条件和方式加入钢液，喂线过程出现喂入点钢液翻腾和存在钢包顶渣推开的亮圈现象，增碳准确，碳收得率98.5％。
实施例5
本实施例进行镁钙复合处理。内部物料为反应型，采用纯度90％的氧化镁(MgO)、钙、硅含量分别为30％及55％的硅钙粉和铝含量为99％的铝粉按配比充分混匀后制成外径10mm 的包芯线.。芯料中各物料颗粒度不大于1.5mm，包芯线内层低碳钢带厚度为0.55mm，外层钢带厚度为0.45mm，采用本发明的加工工艺进行制作，制作包芯线时在位于内层带钢对碰接头处的外层带钢折叠封口处加压形成凹形沟槽并进行圆整。包芯线在钢包炉精炼后期以 1.2m/sec的速度喂入钢液量为130吨的钢包中，喂线过程基本平稳，无明显的钢液翻腾和钢包顶渣卷入现象。经钢包吹氩弱搅拌后，最终钢液中镁和钙的增量分别为16和14ppm，镁和钙的收得率为34.7％和32.4％，处理过程钢中酸溶铝增加8ppm，去除镁处理时加入收得率按照70％考虑的反应过剩铝所增铝17ppm的影响，实际处理过程酸溶铝净损失7ppm)。
对比例5
本对比例4使用与实施例3一样的包芯线规格、原材料和双层外壳包芯线结构，仅不做局部加压减径，也以几乎完全相同的条件和方式加入钢液。喂线过程存明显的钢液翻腾和钢包顶渣卷入现象。经钢包吹氩弱搅拌后，最终钢液中镁和钙的增量分别为14和13ppm，镁和钙的收得率为27.1％和30.7％，处理过程钢中酸溶铝净损失10ppm)。
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