具体实施方式

为了解决背景技术中记载的，对钢液直接合金化处理工艺存在的不足。本发明提供了一种钢液直接合金化产品及方法，通过将合金化反应过程设计为固-液反应型，并利用钢液本来既有脱氧及其它元素合金化物料、借助出钢钢液的强力搅拌以及对金属化的直接合金化元素实时溶解，促进直接合金化元素化合物金属化充分即时进行。

具体的，本发明的产品采用天然或精选富集、初提纯的化合物粉末作为直接合金化元素源，分散剂粉末混匀后压制或封装成包装单体，其中，填充的物料粒度不大于400μm。所述的作为直接合金化元素源的化合物主要采用在钢液温度下与氧的结合能力小于金属硅和碳素的钨、钼、钴、铌、铬、硼、钽和钒等元素的化合物中的至少一种。所述分散剂采用化合反应型发气物料和/或分解反应型发气型物料，其中，所述化合反应型发气物料选用碳素；所述分解反应型发气型物料包括碳酸盐、金属氮化物、碱土金属氢氧化物。通过分散剂的加入起到一定的隔离作用，能够有效防止直接合金化元素化合物细粉在加入钢液后结团，并促进块体加入钢液后的解体分散。更优化的，如若加入的分散剂可兼有直接合金化元素化合物的还原剂或块体结合剂的功能，在制作产品时，也可替代其它还原剂或结合剂的添加。

需要说明的是，当所述产品当采用压制成型制作单体时，需在产品内加配适当结合剂和分散剂，而产品直接封装成包装单体时，无需再添加结合剂。同时，当产品内选用的直接合金化元素(目标合金化元素)源本身就具有分散剂的功能，产品内也可不加或加入少量分散剂。

更为优化的是，对于产品中是否添加还原剂存在以下两种具体情况：

(1)从成本最优的角度出发，当钢液固有脱氧剂或其它元素合金化物料中已经含有拟用作钢液直接合金化所需的还原剂时，产品中无需添加还原剂，实际生产中对钢液进行固有的合金化处理时，可通过对添加的脱氧剂和/或用于其它元素合金化物料还原的还原剂作增量处理即可。

(2)而当钢液固有脱氧剂和其它合金化物料中不含有或着仅含有不足额的拟用作钢液直接合金化所需量的还原剂时，结合分散剂的还原能力在产品中添加足额的还原剂，用于保证直接合金化元素的合金化效果。

从具体需要添加的还原剂量，以及结合分散剂本身具有的还原性功能角度出发，将所述还原剂及分散剂中脱氧元素所结合的总氧量记为n₁，直接合金化元素化合物中目标元素及与氧结合力弱于目标元素的所有元素中所结合的总氧量记为n₂，则n₁与n₂的摩尔比应当满足0～1.0的范围。

此外，本发明的产品内也可根据实际需要或个人想法配入适量的还原剂，但是从经济成本最优的角度来说，应尽可能利用钢液固有的其它元素合金化所需的物料(这些物料可用作对目标合金化元素的合金化处理)。因为这样处理，不论从生产成本、包装成本还是从运输成本来说都是最为经济的。

本发明的一种对钢液进行直接合金化的方法，依据直接合金化元素化合物金属化反应产物对钢液的影响，可选为两种直接合金化物料加入钢包的方式。

其方式一为：对于热分解型直接合金化元素化合物，特别是不希望其分解产物进入钢液的情况下，在等待出钢时将本发明产品预先加入钢包内，再在出钢开始时刻向钢包内加入用于钢液固有合金化的全部或部分脱氧剂、其它合金和补充还原剂。

其方式二为：在希望直接合金化元素化合物还原产物进入钢液的情况下，在出钢前或开始时刻向钢包内加入用于钢液固有合金化的全部或部分脱氧剂、其它合金和补充还原剂，并在出钢开始时刻加入本发明的产品。

更优化的，对于加入的直接合金化元素化合物的补充还原剂，可以利用一种或数种钢液中既有的其它元素所需的脱氧合金化物料作为直接合金化元素化合物的补充还原剂，使得补充还原剂和分散剂中元素所结合的总氧量平衡于直接合金化元素化合物中目标元素及氧结合力弱于目标元素的所有元素所结合的总氧量。

而补充还原剂种类的选择，需要根据不同钢种直接合金化过程中对于增碳、温度控制、附加渣量及渣特性控制的具体要求来进行设计和选择，且补充还原剂中碳素与金属的比例关系满足100％-0％：0％-100％，也即，补充还原剂可采用碳素或金属中的一种或两种组合。

此外，本发明的直接合金化元素化合物的合金化反应过程是同时借助1)钢液脱氧，以及在出钢初期时，已经将其它元素合金化物料及加量的直接合金化元素补充还原剂全部(或大部分)加入到钢包内的少量钢液中并熔化(或溶解)形成了较高浓度的条件；2)在出钢开始阶段，钢流下落对钢包内富含脱氧合金化物料和混入了直接合金化化合物物料的少量钢液进行强力搅拌，在出钢初期少渣的铁浴情况下即时完成合金化元素和合金化过程。

本发明的基本原理和设计思想在于：首先，在反应热力学方面具有以下优点：1)利用和借助数量相对大得多的钢液既有脱氧和其它元素合金化的合金物料，在出钢初期仅有少量钢液时，其中各种脱氧合金化元素的浓度均处于较高水平，然后直接进行合金化元素化合物的元素金属化，反应条件相对充分和稳定，有利于提高和稳定直接合金化元素的收得率；2)利用分散剂的作用，使得直接合金化物料块体在接触钢液一开始就解体分散并被钢液包裹，瞬间达到有利于直接合金化元素化合物金属化反应的高温状态；3)利用钢液与各种可能的直接合金化元素均能形成高温固溶体的特性，形成了实时消纳反应产物、促进反应深度进行的良好条件。

其次，在动力学方面，具有以下优点：1)在出钢初期钢包内钢液量少，已加入直接合金化物料和钢液既有所有脱氧剂、其它合金以及直接合金化元素补充还原剂中所含有的各种反应物浓度最高；2)在出钢初期钢包内钢液液位低使得出钢钢流落差大，同时炉内的钢液的液位深，叠加的势能转换下出钢钢流对钢包内钢液的搅拌动能很高；3)在出钢初期钢包内钢液量少，出钢钢流的强力搅拌使得已加入直接合金化物料和钢液既有脱氧剂、其它合金化物料以及直接合金化元素补充还原剂的钢液流动紊乱度高，所含物质混合充分且循环速率高，钢液中直接合金化元素金属化反应物和反应产物随钢液流动在反应界面扩散及时、交换迅速，反应的传质条件极好；4)在分散剂作用下，直接合金化物料块体在接触钢液一开始就解体分散，包裹在钢液中的各种反应物料接触比表面积大，有利于金属化反应的迅速进行。

最后，在反应工程学方面，具有以下优点：

1)在铁浴条件下，设直接合金化元素金属化反应物的直接合金化元素化合物总量为X、浓度(设为Xc)，设作为反应物的某脱氧剂或合金元素Yi的浓度(设为yci)，设钢包内钢水量为Q，则有xc＝X/Q或yci＝Yi/Q，而积xc*yic或(xc)n*(yic)m(m、n为相应反应式中反应物的配平系数)则是促使直接合金化元素金属化反应进行的化学势。随着出钢过程中钢包内钢水量的增加，反应进行的化学势是在不断降低的，显然需要在出钢前以及出钢开始尽可能早地将较多的反应物加入钢包内，以便尽可能较早获得直接合金化元素化合物金属化反应的化学势，实际中在出钢量达到10％前加完所有相关脱氧合金化物料为佳。

2)通常在出钢结束前，钢包内的浮渣主要由炼钢炉流入钢包的高含氧量钢液的脱氧产物渣构成，并随着炉内钢液不断进入钢包而增加。在出钢初期由于钢包内总钢液量较少，因而相应的钢液脱氧产物也较少，从而已经加入的直接合金化元素化合物被浮渣熔融并渣化的损失量也就减小，且在出钢钢流强力的搅拌下，少量直接合金化元素化合物可能被渣化进入浮渣中，并被钢液反复破碎和卷入其内部，与钢液中脱氧合金化元素不断反应形成金属并溶入钢液中，保证了直接合金化元素相对较小的损失率；

3)相对于主要反应设计为熔融还原或反应物混合压块内部进行的固-固或反应物受热熔化的固-液反应的直接合金化过程而言，在出钢初期进行直接还原元素的金属化可以借助出钢钢液的铁浴条件，实现钢包内由全部反应物料和已有钢液所构成的高浓度、高温度、高传质和高收率的整个固-液反应体系。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。需要说明的是，由于钒是本发明所适用诸多可以实施钢液即时直接合金化元素中与氧结合最强的元素，在理论上讲适用于钒化合物直接合金化的方法对其它适用直接合金化元素的收得率能够有相同或更好结果，特别是对于那些氧结合力弱于铁的元素。

实施例1

本实施例为直接对钢液进行钒氮合金化。考虑到钢厂原既有其它合金化物料中无含氮产品，需要在直接合金化物料中配加入增氮剂，增氮剂选用氮化硅铁。由于偏钒酸铵本身氨分解具有一定的分散作用、氮化硅铁也有防止物料结团的隔离作用和还原剂作用，故采用纯度98％的偏酸铵作为钒源，79％的氮化硅铁作为补充氮源和分散剂，按照偏钒酸铵与氮化硅铁10:2的比例混匀后封装装袋，氮化硅铁中硅与偏钒酸铵中钒结合氧的摩尔比为0.29，物料总量0.73kg。中频炉出钢前钢液成分为0.15％C、0.06％Si、余0.003％V、基础氮含量30ppm，温度为1600℃，总出钢量820kg。在出钢前向容量1吨铸造钢包内加入原既有全部脱氧剂和其它合金化合金的铝0.8kg、硅铁2.5kg、锰铁5.2kg以及为使钒化合物中钒结合氧元素完全平衡还原的补充还原的硅铁0.24kg(即硅铁中硅与偏钒酸铵中钒结合氧的摩尔比为0.71，亦即出钢前同时加入硅铁总量2.74kg)，在出钢开始时一次性向钢包投入全部直接钒氮合金化物料，其它所有操作不变化。最终钢包钢液成分命中，分析钢中的含量为0.031％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为94.2％；分析钢中氮含量为116ppm，折合加入直接合金化物料中氮元素收得率为63％。

实施例2

本实施例为进行钢液的钒直接合金化。采用纯度98％的粉状五氧化二钒作为钒源、固定碳88％的无烟煤粉为分散剂(所有物料的粒度均小于400μm)，按照1:0.15的比例配比，碳与,偏钒酸铵中钒结合氧的摩尔比为0.56，经混匀后一道被加压封装入外形尺寸近似为70*60*80mm、外壳壁厚为0.35mm的微型单体碳钢密闭容器内，总量合金化物料25.1kg(连同封闭反应器外壳毛重38.6kg)。在转炉出钢时通过料仓预先向容量45吨的钢包内加入所有钢液原要求的既有脱氧剂、增碳剂碳粉和直接合金化物料以及为使钒化合物中钒结合氧完全平衡还原的补充碳粉2.95kg，并在出钢开始瞬间同时加入其它合金化材料。转炉出钢钢液成分为余钒0.004％，温度为1,595℃，总出钢量45吨，最终分析钢中钒含量为0.035％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为96.0％。

实施例3

本实施例为直接对中碳钢钢液进行铬合金化，替代高碳铬铁。采用Cr₂O₃含量45％的南非铬铁矿，其氧化铁FeO和Fe₂O₃含量分别为21％和6％，采用固定碳88％的无烟煤粉作为兼具有还原作用的分散剂，按照铬矿重量比10％配加，即源化合物与分散剂的比例为0.1，碳与铬铁矿中铬和铁结合氧的摩尔比为0.56。取8.6kg铬铁矿与0.86kg无烟煤混匀后外加0.43kg硅酸钠结合剂稀释溶液混匀后压制成约40*30*50mm尺寸的矩形块，总量合金化物料9.9kg，在出钢前加入容量1吨的铸造热钢包内等待出钢。中频炉总出钢量810kg，出钢前向钢包内加入钢液脱氧合金化用的纯铝0.8kg、含硅75％的硅铁2kg以及作为补充还原剂的硅铁0.67kg，中频炉内的钢液成分为C0.35％、Si 0.18％，、Cr0.04％，最终分析钢包钢样中C0.38％、Si 0.43％，Cr 0.34％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为90.9％，与成品铬铁合金收得率水平相当。

实施例4

本实施例为替代微碳铬铁合金对低碳结构钢钢液进行直接微铬处理。采用Cr₂O₃含量45％的南非铁矿(其氧化铁FeO和Fe₂O₃含量分别为21％和6％)作为铬源，采用碳酸钙粉作为分散剂，不加任何还原剂物料(此时还原剂与直接合金化化合物铬铁矿中铬、铁结合氧的摩尔比为零)。取9.6kg铬铁矿(折合纯铬元素2.97kg，铁、铬结合总氧元素1.99kg)，外加0.49kg的碳酸钙粉(分散剂比0.05)以及0.49kg的硅酸钠结合剂稀释溶液混匀后压制成约40*30*50mm尺寸的矩形块，总量合金化物料10.5kg，在出钢前加入容量1吨的铸造热钢包内等待出钢。中频炉总出钢量900kg，出钢前向钢包内加入钢液脱氧合金化用的纯铝0.8kg、含硅75％的硅铁2kg以及相应的补充还原剂的含硅75％的硅铁1.75kg(此时硅与铬铁矿中铬、铁结合氧的摩尔比为1.0)。钢包与中频炉内取样的钢液成分为C0.05％、Si 0.05％，、0.03％，最终分析钢包钢样中C0.06％、Si 0.20％，Cr 0.29％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为88.7％，与成品微碳铬铁合金收得率水平相当。

实施例5

本实施例为对钢液进行钼合金化，替代钼铁合金。采用Mo含量53％的焙烧钼精矿(MoO₃)为钼源，采用氧化钙和固定碳88％的无烟煤粉作为分散剂。按照1:0.15:0.05的比例配比(分散剂比0.2，碳与钼源中氧的摩尔比为0.27)，经混匀后一道被封装入铁桶内，总量合金化物料5.2kg，出钢前加入容量1吨的铸造热钢包内等待出钢。中频炉总出钢量850kg，出钢开始时向钢包内加入钢液脱氧合金化用的纯铝0.8kg、增碳剂2.5kg、含硅75％的低碳硅铁2kg以及相应的补充还原剂碳粉0.9kg(含碳90％)，钢包与中频炉内的钢液成分分别为C0.05％、Si0.06％、Mo0.03％，最终分析钢包钢样中C0.30％、Si 0.21％，Mo0.32％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为96.0％，与成品铁合金水平相当。

实施例6

本实施例为进行钢液的钒直接合金化。鉴于偏钒酸铵本身氨分解具有很好的分散作用，故仅采用纯度98％的偏钒酸铵44.8kg作为钒源，不加还原剂和分散剂直接装袋(既还原剂与偏钒酸铵中钒结合氧的摩尔比为0和分散剂比为0)。在转炉出钢摇炉时投入容量45吨的钢包内，并在出钢开始瞬间同时加入其它所有钢液原要求的既有脱氧剂、增碳剂碳粉和直接合金化物料以及为使钒化合物中钒结合氧完全平衡还原的补充碳粉15.7kg。转炉出钢钢液成分为余钒0.003％，温度为1,595℃，总出钢量45吨，最终分析钢中钒含量为0.035％，折合加入直接合金化物料中合金元素收得率为93.5％。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。