本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及到一种向钢水中加入
稀土的方法。
背景技术：
连铸，即连续铸钢，是不断地将精炼后的钢水加入到结晶器中，并凝固成型后从结晶器下方拉出的钢水成型技术。相对传统模铸工艺，连铸工艺是一项重大的技术进步。
适量稀土加入到钢中主要有三大作用：净化钢液、变质夹杂、微合金化，可提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性，改善钢材的各向异性；例如稀土可使高硬度的
氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物和铝酸稀土，显著提高钢的抗疲劳性能；稀土在晶界的偏聚能抑制磷硫和低熔点杂质铅、锡、砷、锑、铋在晶界的偏析或与这些杂质形成熔点较高的化合物，净化和强化晶界，消除低熔点杂质的有害作用，有利于改善塑性尤其是高温塑性等。钢中应用稀土后，可以起到细化夹杂、深度净化钢液和强烈微合金化作用，显著提高钢的韧、塑性和疲劳寿命，使钢更加强韧、耐热、耐磨、耐蚀。
稀土在钢中工业化应用时，有两大瓶颈问题一直没有解决：一是稀土加入钢水中堵塞浇注系统，连铸过程被迫中断，严重影响工艺顺行；二是稀土加入后，容易形成大尺寸、高密度的稀土夹杂物，导致钢的性能时好时坏，不稳定。主要原因是没有形成成熟稳定的稀土加入方法。目前，国内外进行了多项稀土加入工艺的试验研究，在各自历史条件下均实现了规模生产，主要有：大包投入法、大包压入法、包内喷吹稀土粉法、模注中注管喂丝法、模内吊挂稀土金属棒法、钢包喂丝法、中间包喂丝法、结晶器喂丝法等八种方法。目前通行的方法主要集中在：钢包喂丝法、结晶器喂丝法这两种方法上。即使是在气体保护情况下，稀土丝与保护渣也都会接触，低温的稀土丝在穿过高温的保护渣层时，接触点区域保护渣可能粘结在金属丝表面，随丝进入熔池，产生夹渣等缺陷。即使在稀土丝周围附加套筒时，套筒内部区域不断地有稀土丝喂入，造成套筒内温度过低，保护渣易凝固，不利于稀土丝加入和保护浇注；另一方面，结晶器喂丝法容易造成连铸结晶器保护渣性能恶化，导致铸坯表面缺陷。
为此，钢铁连铸生产时，亟需一种低成本、简易有效的稀土加入方法。
技术实现要素：
针对现有技术稀土丝的加入容易夹渣、氧化以及保护渣容易凝固恶化的问题，本发明提供一种向钢水中加入稀土的方法，以解决上述技术问题。该方法成本低，简易有效。
本发明的技术方案为：
一种向钢水中加入稀土的方法，从稀土的加入量、稀土加入的钢水条件、稀土的形状和稀土的加入方式，四个方面进行控制。
本发明的向钢水中加入稀土的方法，具体方案为：
(1)稀土的加入量，控制加入量为(10-200)×10-6；稀土为纯la、纯ce、以la和ce为主要元素的金属材料。稀土的过量加入不但不会使钢的性能改善，还会影响钢材的正常生产，甚至造成材料的报废。稀土不宜做预先脱氧、脱硫剂，本发明中稀土元素只作为深脱氧、深脱硫剂，加入量为(10-200)×10-6。
(2)稀土加入的钢水条件：t[o]≤10×10-6，[s]≤30×10-6。当脱氧、脱硫效果良好后再加入稀土，不但有深度脱氧、脱硫作用，还能很好控制氧、硫夹杂物的形态。
(3)稀土的形状：采用块状稀土，该块状稀土的等效直径为5-40mm，长宽比或轴宽比1-3。
稀土接近钢水的高温环境，可能会加速氧化，而且材料粒度越细，比表面积越大，被氧化的概率和程度越大。因此比表面积较大的稀土块状材料更利于加入钢水。由于稀土la和ce的密度略小于钢的密度，相同钢水温度下，块体稀土尺寸越大，熔化需要的时间越长，浮到钢渣界面的可能性越大。
(4)稀土加入的方式：利用惰性气体作载体将稀土由喷吹管喷入钢水中，所用惰性气体为氩气，氩气的使用压力为0.2mpa-1.5mpa，加入深度不断变小，减少与耐材的接触。载气引起的搅拌作用，促进稀土在钢水中的熔化、均匀分布。氩气的流量由气体流量压力系统控制，在不引起液面翻滚和吸气前提下,可提高氩气流量。
在稀土加入时，应该尽量减少稀土在渣空界面上方的停留时间，减少稀土与冶金渣的接触，减少稀土在钢水中扩散均匀所需的时间，通过惰性气体的帮助可以实现洁净、安全、高效地加入稀土。
进一步的，所用输送稀土的喷吹管外层材质为耐火材料，内层材质为钢；具体材质可以为比钢水碳元素和合金元素种类少、合金元素含量低的钢种。在稀土输送过程中，稀土可能对喷吹管内层材质造成侵蚀，选用钢为内层材质可以减少对钢水的污染，也可以承受更多的稀土块状材料的撞击。
进一步的，喷吹管内层直径为块状稀土的等效直径的1.1-1.5倍，最小直径不得低于10mm。喷吹管头部形状可为喇叭形，也可以为直筒形或其他合适形状。
在钢水深度方向上，由于喷吹管外层为耐火材料，为减少喷吹管耐材与加入钢水中的稀土反应，提高喷吹管尤其是喷吹管头部寿命，应尽可能将喷吹管头部位置控制在喷入稀土位置的上方，这也就意味着，首先在钢包更深位置处加入稀土，不断向上提升喷吹管位置。
对于(4)稀土加入的方式的具体步骤为：
1)喷吹管在钢包上方先输送小流量氩气，吹开钢水表面的冶金渣；
2)喷吹管向钢水内不断喷入氩气，同时将喷吹管送入钢水中深度为2/3-1/3；
3)加大氩气流量，将稀土一次或若干次送入喷吹管内，氩气带动稀土进入钢水中，同时氩气也起到搅拌钢水，均匀稀土成分的作用；
4)第一钢水深度加入稀土后，将喷吹管上升；经过一个或多个不同钢水深度完成稀土加入，减小氩气流量；
5)将喷吹管远离渣空气界面，加入稀土的钢进入下一工序。
对于(4)稀土加入的方式，可以应用该稀土加入装置进行操作，具体步骤为：
1)升降回转系统控制喷吹管到钢包上方，气体流量压力控制系统输送小流量氩气，喷吹管吹开钢水表面的冶金渣；
2)喷吹管向钢水内不断喷入氩气，同时将喷吹管送入钢水中深度为2/3-1/3；
3)送料装置将稀土一次或若干次送入喷吹管内，加大氩气流量，氩气带动稀土金属进入钢水中，同时氩气也起到搅拌钢水，均匀稀土成分的作用；
4)第一钢水深度加入稀土后，升降回转系统控制喷吹管上升；经过一个或多个不同钢水深度完成稀土加入，减小氩气流量；
5)升降回转系统控制喷吹管远离渣空气界面，加入稀土的钢进入下一工序。
喷吹管在钢包中的相对位置、在钢水中的相对深度分别由升降回转系统控制。
本发明的有益效果在于，
通过氩气清洁、高效地将稀土送入钢液，成功克服了减少了冶炼环境下稀土的氧化现象，解决了稀土与精炼渣、保护渣反应等难题，原理和结构简单，便于维护，投资小，易于实现。
另外，还从稀土的加入量、稀土加入的钢水条件、稀土的形状进行进一步的优化和改进，配合稀土的加入方式，大大提高了钢的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为向钢水中加入稀土方法示意图。
其中：1-钢包，2-钢水，3-钢渣，4-喷吹管头部，5-喷吹管，6-稀土，7-稀土料仓，8-进料装置，9-储气罐，10-气体流量压力控制系统，11-移动回转系统，12-支撑杆。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。在实例中更加明确了稀土的加入量、稀土加入的钢水条件、稀土的形状和稀土的加入方式，但不限于此。
实施例1
生产所采用的工艺为：高炉铁水+优质废钢→50teaf超高功率偏心底出钢直流电弧炉→50tlf精炼炉→50tvd真空脱气炉→3机3流260mm×300mm大方坯连铸cc→缓冷→加热→连轧轧制(→抛丸→矫直→探伤→入库)
生产钢种为轴承钢gcr15,化学成分(％)为c：0.96-0.98,si：0.18-0.25，mn：0.28-0.33，cr:1.42-1.52。
在vd工序结束后，连铸工序前，测得钢水中t[o]≤4.6×10-6，[s]≤18×10-6，达到稀土加入的钢水条件。稀土加入量为150×10-6，稀土等效直径为25-30mm，稀土加入量为7.5kg，平均分两次加入。
对于稀土加入的方式的具体步骤为：
1)喷吹管在钢包上方先输送小流量氩气，压力0.3mpa，吹开钢水表面的冶金渣；
2)喷吹管向钢水内不断喷入氩气，同时将喷吹管送入钢水深度2/3；
3)加大氩气流量，压力1.5mpa，将稀土一次或若干次送入喷吹管内，均匀稀土成分的作用；
4)第一钢水深度加入稀土后，将喷吹管上升至钢水深度1/3，将稀土一次或若干次送入喷吹管内，压力0.8mpa，氩气带动稀土进入钢水中，同时氩气也起到搅拌钢水；减小氩气流量；
5)将喷吹管远离渣空气界面，加入稀土的钢进入下一工序。
实施例2
关于稀土加入方式，结合图1，可以看到，利用加入稀土元素的装置，具体操作步骤如下：
(1)支撑件12和升降回转系统11控制喷吹管5到钢包1上方，氩气封存在储气罐9中，氩气流量压力控制系统10输出小流量氩气，压力0.3mpa，喷吹管5吹开钢水2表面的冶金渣3；
(2)喷吹管5向钢水2内不断喷入氩气，同时升降回转系统11再将喷吹管头部4送入钢水2深度2/3；
(3)稀土6位于喷吹管5上方的稀土料仓7，送料装置8将稀土6送入喷吹管5，氩气流量控制加大氩气压力，压力1.5mpa，氩气带动稀土金属6进入钢水2中；
(4)一定钢水深度加入稀土后，升降回转系统11控制喷吹管5上升，在其他深度继续稀土；当在喷吹管头部4钢水2深度1/3，送料装置8将稀土6送入喷吹管5，氩气流量控制加大氩气压力，压力0.8mpa，氩气带动稀土金属6进入钢水2；
(5)升降回转系统11控制喷吹管5远离渣空气界面，完成稀土加入，钢水进入软吹氩工序。
一种向钢水中加入稀土的装置，包括支撑架12，在支撑架12的上端设置升降回转系统11，该升降回转系统11与喷吹管5连接，喷吹管5的一端为喷吹管头部4，该喷吹管5的另一端连接储气罐9，在储气罐9的出口设置气体流量压力控制系统10，在气体流量压力控制系统10和喷吹管头部4之间的喷吹管5上设置有稀土料仓7，在稀土料仓7和喷吹管5之间设置进料装置8。
进一步的，喷吹管外层材质为耐火材料，内层材质为钢。
喷吹管5内层直径为块状稀土的等效直径的1.1-1.5倍，最小直径不得低于10mm。
喷吹管头部4形状可为喇叭形或直筒形。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
技术特征：
1.一种向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，从稀土的加入量、稀土加入的钢水条件、稀土的形状和稀土的加入方式，四个方面进行控制。
2.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，稀土的加入量，控制加入量为(10-200)×10-6。
3.根据权利要求2所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，稀土为纯la、纯ce、以la和ce为主要元素的金属材料。
4.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，稀土加入的钢水条件：t[o]≤10×10-6，[s]≤30×10-6。
5.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，稀土的形状：采用块状稀土，该块状稀土的等效直径为5-40mm，长宽比或轴宽比1-3。
6.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，稀土加入的方式：利用惰性气体作载体将稀土由喷吹管喷入钢水中，所用惰性气体为氩气，氩气的使用压力为0.2mpa-1.5mpa，加入深度不断变小，减少与耐材的接触。
7.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，所用输送稀土的喷吹管外层材质为耐火材料，内层材质为钢；进一步的，具体材质可以为比钢水碳元素和合金元素种类少、合金元素含量低的钢种。
8.根据权利要求6或7所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，喷吹管内层直径为块状稀土的等效直径的1.1-1.5倍，最小直径不得低于10mm。
9.根据权利要求8所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，喷吹管头部形状为喇叭形。
10.根据权利要求1所述的向钢水中加入稀土的方法，其特征在于，对于稀土加入的方式的具体步骤为：
1)喷吹管在钢包上方先输送小流量氩气，吹开钢水表面的冶金渣；
2)喷吹管向钢水内不断喷入氩气，同时将喷吹管送入钢水中深度为2/3-1/3；
3)加大氩气流量，将稀土一次或若干次送入喷吹管内，氩气带动稀土进入钢水中，同时氩气也起到搅拌钢水，均匀稀土成分的作用；
4)第一钢水深度加入稀土后，将喷吹管上升；经过一个或多个不同钢水深度完成稀土加入，减小氩气流量；
5)将喷吹管远离渣空气界面，加入稀土的钢进入下一工序。
技术总结
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及到一种向钢水中加入稀土的方法。从稀土的加入量、稀土加入的钢水条件、稀土的形状和稀土的加入方式，四个方面进行控制。通过氩气清洁、高效地将稀土送入钢液，成功克服了减少了冶炼环境下稀土的氧化现象，解决了稀土与精炼渣、保护渣反应等难题，原理和结构简单，便于维护，投资小，易于实现。
技术研发人员：刘成宝;刘茂文;许荣昌;陈良;杨密平;王毅;马光亭
受保护的技术使用者：山东钢铁集团有限公司
技术研发日：2019.10.18
技术公布日：2019.12.27
声明：
“向钢水中加入稀土的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：山东钢铁集团有限公司
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2024年06月21日 ~ 23日 
