[发明专利]一种纳米粒子均匀分散铝基中间体及制备和应用方法

说明书

本发明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Al₂O₃纳米粉中的一种，其余为Al。本发明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，解决纳米粒子的团聚。工艺简单，成本低，实现了纳米粒子在铝基体中弥散分布。在炼钢过程中，采用铝基中间体参与终脱氧，向钢液中添加纳米粒子，增加细小弥散外来固体形核核心，作为新生氧化铝夹杂物的析出核心，分散夹杂物质量，降低夹杂物尺寸，细化钢液中氧化铝夹杂物，消除夹杂物对钢材性能危害。改善了钢的力学性能和表面质量。

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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。