CN101168817B - 一种含氮纯净钢的增氮方法 - Google Patents

Abstract

一种含氮纯净钢的增氮方法，包括下列步骤：在含氮纯净钢钢液二次精炼的末期，采用钢包底吹氮气的方法，对钢包内钢液进行增氮；结束吹氮后，立刻向钢液吹入氩气，对钢液进行清洗。氮气和氩气分别以两根管道通入钢包底。本发明在吹入氮气后吹入氩气清洗，使钢液的夹杂物被去除生产出纯净钢材，并且该方法可以在较低的成本下增加钢液中的含氮量，同时满足纯净合金钢钢液对其纯净度的要求。

Description

一种含氮纯净钢的增氮方法

技术领域

本发明涉及冶金行业合金钢的增氮方法，尤其涉及一种含氮纯净钢的增氮方法。

背景技术

根据钢的有害杂质元素或有害气体的含量，合金钢可分为普通合金钢、纯净合金钢(以下称纯净钢)。与普通合金钢的冶炼工艺相比，纯净钢冶炼要求B类夹杂≤1.5级，C类夹杂＝0级，冶炼的要求非常高。

根据钢的用途特性，某些钢中需要有一定的氮含量。例如：在双相不锈钢中，作为奥氏体相形成元素的N有重要作用：在焊接接头热影响区快速冷却时，N促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平衡，提高接头的耐蚀性；N可以提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与富Cr、Mo的铁素体相取得平衡，提高了材料整体的耐孔蚀性能；N能减轻Cr、Ni等元素在两相中分布的差异，降低选择腐蚀的倾向性。而在炼钢过程中，经过精炼的钢液氮含量通常非常低，需要加入一定量的氮，以满足标准要求。

现有技术中，在合金钢中增氮的方式有二种：(1)一种是添加固态含氮合金：在炼钢过程精炼后期向液态钢液加入贵重的固态含氮合金，含氮合金中的氮元素被钢液吸收，而使钢液达到一定的氮含量；该增氮方式的不足之处在于：钢冶炼成本高，且钢的氮吸收稳定性差，易导致钢液中的氮含量波动大，甚至氮的成分超出标准范围。(2)另一种方式是向钢液中吹入氮气，氮气中的部分氮元素被钢液吸收，而使钢液达到一定的氮含量；该增氮方式经济实用，N在合金钢钢液中有一定的溶解度，氮气的价格也比较便宜，冶炼成本较低；不足之处在于：在吹完氮气后，钢液纯净度较差，不满足纯净钢要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含氮纯净钢的增氮方法，该方法可以在较低的成本下增加钢液中的氮气量，同时又能满足纯净合金钢钢液对其纯净度的要求。

为达上述目的，本发明的一种含氮纯净钢的增氮方法，包括下列步骤：在含氮纯净钢钢液二次精炼的末期，采用钢包底吹氮气的方法，对钢包内钢液进行增氮；结束吹氮后，向钢液吹入氩气，对钢液进行清洗。氮气和氩气分别以两根管道通入钢包底。

吹入氮气的时间t2为：

$t2=\begin{array}{cc}t1\×\frac{\ln \left(\frac{x2-\mathrm{xe}}{x0-\mathrm{xe}}\right)}{\ln \left(\frac{x1-\mathrm{xe}}{x0-\mathrm{xe}}\right)}& \min \end{array}$

其中：t1为：3～8min之间的任意一数值；

x0：钢液原始氮含量；

x1：过了t1时间后钢液中的氮含量；

x2：目标氮含量；

xe：氮平衡溶解度.

吹入的氮气纯度为99.5％，压力为0.4～1.0MPa。氩气纯度为99.99％，压力为≤0.5MPa。氮气和氩气分别以两根管道通入钢包底。

在原有的钢包单路系统上，增加一条吹氮气管路，形成二条分管路，即氩气分管路和氮气分管路，并合并成一条总管路的管路系统。分管路设置开关阀及压力表，连通钢包底部透气砖的总管路上有减压阀。

向钢液吹入氮气；工业氮：压力0.4～1.0MPa，纯度≥99.5％。

吹氮气过程操作步骤是

(1)开吹前先分析钢液原始氮含量x0。

(2)关闭氩气分路开关阀，打开氮气分路开关阀对钢液吹氮气增氮，并控制氮气压力恒定P(可以为任意值，只需过程保持恒定即可)，计时。

(3)一段时间t1后(t1为3～8min内的任一时间)，分析钢液氮含量x1，并根据P、t1、x0、x1、目标氮含量x2及氮平衡溶解度xe计算吹氮总时间t2。xe为钢种特性值，可由通用的冶金手册查到。

(4)保持压力恒定的条件下，吹氮总时间达到t2后关闭氮气分路开关阀，结束吹氮。

氩气要求使用纯氩，压力0～0.5MPa，纯度≥99.99％；

结束吹氮后，立刻向钢液吹入氩气对钢液清洗，使钢液纯净化，采用钢包底吹氮气后的钢液，钢液纯净度较差，必须经过氩气弱搅拌清洗。

氩气弱搅拌压力≤0.15MPa，且钢水不露出渣面。氩气弱搅拌时间(t3)控制：10～20min弱搅拌毕即可浇注。

与现有的增氮方式相比，本发明具有下列优点：

生产成本低。与传统加入高价合金增氮方法对比，使用本发明的方法可下降成本80元/t。

氮更容易控制。使用本发明的方法，成品氮含量可控制在目标值的0.95～1.05倍范围内。

钢液更纯净。使用加入含氮合金增氮，容易把合金中的杂质带入钢液，污染钢液；同时加入含氮合金后用于均匀的强搅拌也容易使钢液再氧化。如单吹入氮气不经氩气清洗，钢液将富含氧化物夹杂，形成缺陷，无法生产出纯净钢材，本发明所使用的方法可生产出B类夹杂≤1.5级，C类夹杂0级的纯净钢材。

附图说明

图1为本发明的钢包底吹氮气和氩气的管路图。

具体实施方式

实施例1

含氮钢种经100t电炉处理、100t钢包炉精炼及VD真空脱气处理后，钢液中氮为0.012％(标准氮要求0.03％～0.06％，目标0.045％)，其他化学成分均已合格。

如图1，钢包底吹系统为装有两条分管路的管路系统，在原有的钢包单路系统上，增加一条吹氮气管路，形成二条分管路，即氩气分管路1和氮气分管路2，并合并成一条总管路的管路系统。分管路设置开关阀及压力表3，连通钢包4底部透气砖41的总管路上有减压阀5。

检查气体原始压力，纯氩：压力为0.5MPa，纯度99.99％；工业氮：压力0.8MPa，纯度99.5％。

第一步，关闭氩气，分析氮含量x0＝0.012％，开始吹氮气，通过减压阀控制吹入钢包氮气压力0.55MPa，查冶金手册，该成分钢种的xe为0.2369％(xe为钢种平衡溶解度，可根据化学成分及压力两个参数即可查得。具体钢种均可由通用冶金手册查得数据)，并计时。

第二步，吹6min后取样，分析氮x1＝0.017％。

第三步，目标氮0.045％，通过公式计算得出t2＝41min，故吹至41分钟结束吹氮。

第四步，关闭氮气阀结束吹氮，同时打开氩气阀吹氩清洗，同时调整减压阀控制氮气压力0.10MPa，清洗时间15min。

最后测得成品氮含量0.046％。

实施例2

含氮钢种经100t电炉处理、100t钢包炉精炼及VD真空脱气处理后，测得钢液中氮为0.015％(标准氮要求0.03％～0.06％，目标0.040％)，其他化学成分均已合格。

还是使用如图1的具有两条分管路的管路系统，一条吹氮气管路，一条吹氩气管路，检查气体原始压力，纯氩：压力为0.4MPa，纯度99.99％；工业氮：压力0.4MPa，纯度99.5％。

第一步，关闭氩气，分析氮含量x0＝0.015％，开始吹氮气，通过减压阀控制吹入钢包氮气压力0.45Mpa，查冶金手册，该成分钢种的xe为0.2143％(xe为钢种平衡溶解度，可根据化学成分及压力两个参数即可查得。具体钢种均可由通用冶金手册查得数据)，并计时。

第二步，吹3min后取样，分析氮x1＝0.019％。

第三步，目标氮0.040％，通过公式计算得出t2＝19min，故吹至19分钟结束吹氮。

第四步，关闭氮气阀结束吹氮，同时打开氩气阀吹氩清洗，同时调整减压阀控制氮气压力0.10MPa，清洗时间20min。

最后测得成品氮含量0.039％。

实施例3

含氮钢种经60t电炉处理、60t钢包炉精炼及VD真空脱气处理后，测得钢液中氮为0.014％(标准氮要求0.03％～0.06％，目标0.045％)，其他化学成分均已合格。

还是使用如图1的具有两条分管路的管路系统，一条吹氮气管路，一条吹氩气管路，检查气体原始压力，纯氩：压力为0.3MPa，纯度99.99％；工业氮：压力1.0MPa，纯度99.5％。

第一步，关闭氩气，分析氮含量x0＝0.014％，开始吹氮气，通过减压阀控制吹入钢包氮气压力0.50MPa，查冶金手册，该成分钢种的xe为0.2259％(xe为钢种平衡溶解度，可根据化学成分及压力两个参数即可查得。具体钢种均可由通用冶金手册查得数据)，并计时。

第二步，吹3min后取样，分析氮x1＝0.018％。

第三步，目标氮0.045％，通过公式计算得出t2＝23min，故吹至23分钟结束吹氮。

第四步，关闭氮气阀结束吹氮，同时打开氩气阀吹氩清洗，同时调整减压阀控制氮气压力0.10MPa，清洗时间17min。

最后测得成品氮含量0.045％。

实施本发明专利生产出的钢种，经模铸大钢锭其夹杂物水平B类夹杂1.5级，C类夹杂0级，达到纯净钢材要求。

Claims (5)

1.一种含氮纯净钢的增氮方法，其特征在于，包括下列步骤：

在含氮纯净钢钢液二次精炼的末期，采用钢包底吹氮气的方法，对钢包内钢液进行增氮，吹入氮气的时间t2为：

$t2=\begin{array}{cc}t1\×\frac{\ln \left(\frac{x2-\mathrm{xe}}{x0-\mathrm{xe}}\right)}{\ln \left(\frac{x1-\mathrm{xe}}{x0-\mathrm{xe}}\right)}& \min \end{array}$

其中：t1为开始吹氮后测定钢液中氮含量x1的时间，是3～8min之间的任意一数值；x0：钢液原始氮含量；x1：过了t1时间后钢液中的氮含量；x2：目标氮含量；xe：氮平衡溶解度；

结束吹氮后，向钢液吹入氩气，对钢液进行清洗，吹入氩气的压力为≤0.5MPa，吹入氩气的时间为10～20分钟。

2.如权利要求1所述的含氮纯净钢的增氮方法，其特征在于：氮气和氩气分别以两根管道通入钢包底。

3.如权利要求1或2所述的含氮纯净钢的增氮方法，其特征在于：吹氮气的方法具体步骤为：开吹前先分析钢液原始氮含量；关闭氩气分路开关阀，打开氮气分路开关阀对钢液吹氮气增氮，并控制氮气压力恒定，吹氮一段时间t2后关闭氮气分路开关阀，结束吹氮。

4.如权利要求1或2所述的含氮纯净钢的增氮方法，其特征在于：向钢液吹入的氮气纯度为99.5％，压力为0.4～1.0MPa。

5.如权利要求1或2所述的含氮纯净钢的增氮方法，其特征在于：向钢液吹入的氩气纯度为99.99％。

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