CN102021272B - 不锈钢冶炼的氮含量控制方法 - Google Patents

不锈钢冶炼的氮含量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢冶炼的氮含量控制方法，该控制方法通过在氩氧脱碳炉(AOD)出钢前的还原期或脱硫期，进行吹氩脱氮，将氮含量控制在钢种范围值的下限附近，然后在钢包处理站(LTS)中进行氮氩气混吹增氮，从而将氮含量控制在钢种所要求的目标值±80ppm之内。采用该控制方法能够快速、均匀地进行氮含量的控制，从而提高不锈钢的氮含量在目标值±80ppm的命中率，不但保证了钢水质量，而且还降低了生产成本，命中率可高达90～99％。

Description

不锈钢冶炼的氮含量控制方法
技术领域
本发明涉及含氮不锈钢冶炼工艺，更具体地说，涉及一种不锈钢冶炼的氮含量控制方法。
背景技术
随着全球不锈钢产能的提升，镍资源日趋紧张，世界各大不锈钢企业纷纷开发以氮代镍的节镍型含氮不锈钢。目前，通用的含氮不锈钢冶炼工艺流程如图1所示，首先对铁水进行脱硅、脱磷预处理；然后通过电炉(EAF)进行熔炼不锈钢母液；再通过氩氧脱碳炉(以下简称AOD)吹氮、氩气进行脱碳，并添加各种合金，使钢水吹炼到目标成分；然后再通过钢包处理站(一种不锈钢炉外精炼设备，以下简称LTS)进行吹氩搅拌，均匀钢水成分和温度，最后进行连铸，浇注成坯。
在整个冶炼过程中，不锈钢的氮含量控制是在AOD中完成的，主要包括两个步骤：一、在吹氩气前，根据不同吹炼阶段的氧氮比例，持续往AOD中侧吹氮气进行冶炼，使氮含量在不锈钢液中达到饱和；二、根据钢种不同，在出钢前的还原期、脱硫期向AOD中侧吹一定的氩气，使钢中溶解的氮含量达到钢种所要求的范围值(即上、下限值)之内。但是，由于不锈钢冶炼以廉价铁水作为主原料，脱碳反应十分剧烈，冶炼周期偏长，氮成分变化快，从而造成AOD氮含量难以得到精确控制，最终导致在AOD出钢前的氮含量在目标值±80ppm的命中率较低，仅40～60％。对此，目前只有采用在AOD冶炼后期添加较多的氮化合金，来控制氮含量。然而氮化合金一般含有一定杂质，添加较多会造成其它合金成分的波动而超标，从而污染不锈钢钢水，影响钢水纯净度，降低钢水质量，并且氮化合金价格较贵，添加较多会造成成本的明显增加。
因此，迫切需要一种新的不锈钢氮含量控制技术，用以改善氮含量在目标值±80ppm的命中率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种不锈钢冶炼的氮含量控制方法，该控制方法能够提高不锈钢的氮含量在目标值±80ppm的命中率，从而保证成品质量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
该不锈钢冶炼的氮含量控制方法具体步骤如下：
A.在氩氧脱碳炉冶炼过程中，对炉内钢液进行侧吹氮气，使氮含量在不锈钢液中达到饱和；
B.在氩氧脱碳炉出钢前的还原期或脱硫期，进行侧吹氩气脱氮，将氮含量控制在钢种范围值的下限附近；
C.在钢包处理站的精炼过程中，通过氮氩气混吹进行增氮，使氮含量达到钢种所要求的目标值±80ppm之内；
D.在氮氩气混吹结束后，底吹氩气进行软搅拌，均匀不锈钢成分和温度。
在步骤C中，所述的氮氩气混吹的氮氩比例控制在20∶1至1∶1之间。
在步骤C中，所述的氮氩气混吹满足以下条件：
混吹的气压为一个大气压，并且氮气和氩气同时处于开启状态，氮气流量为5～100m3/h，吹氮压力为0.70Mpa～0.90Mpa；氩气流量在5～40m3/h，吹氩压力：0.60Mpa～0.80Mpa。
在步骤B中，根据钢种不同，选择不同的吹氩脱碳时期：
若钢种氮含量的目标值低于500ppm，在还原期后期进行吹氩；若钢种氮含量的目标值高于500ppm，则在脱硫期进行吹氩。
在步骤B中，通过增加侧吹氩气来进行脱碳，使氮含量控制在钢种范围值的下限，增加氩的吹气量为10～200Nm3。
在步骤D中，所述的底吹氩气流量为2～20m3/h，软搅拌时间为3～6分钟。
在上述技术方案中，本发明的不锈钢冶炼的氮含量控制方法通过在氩氧脱碳炉(AOD)出钢前的还原期或脱硫期，进行吹氩脱氮，将氮含量控制在钢种范围值的下限附近，然后在钢包处理站(LTS)中进行氮氩气混吹增氮，从而将氮含量控制在钢种所要求的目标值±80ppm之内。采用该控制方法能够快速、均匀地进行氮含量的控制，从而提高不锈钢的氮含量在目标值±80ppm的命中率，不但保证了钢水质量，而且还降低了生产成本，命中率可高达90～99％。
附图说明
图1是现有技术的含氮不锈钢冶炼工艺的流程图；
图2是本发明的不锈钢冶炼的氮含量控制方的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图2所示，本发明的不锈钢冶炼的氮含量控制方法的步骤如下：第一步，在氩氧脱碳炉(以下简称AOD)冶炼过程中，根据不同吹炼阶段氧氮比例，对炉内钢液进行持续侧吹氮气，使氮含量在不锈钢液中达到饱和；第二步，在AOD出钢前的还原期及脱硫期，进行侧吹氩气，将氮含量控制在钢种范围值的下限附近；第三步，在钢包处理站(以下简称LTS)的精炼过程中，通过氮氩气混吹进行增氮，使氮含量达到钢种所要求的目标值±80ppm之内；第四步，在氮氩气混吹结束后，底吹氩气进行软搅拌，均匀不锈钢成分和温度，完成氮含量控制。
下面对每个步骤进行具体说明：
第一步骤与现有技术相同，在此不再赘述。
在第二步骤中，根据钢种不同，在出钢前还原期、脱硫期向AOD中对吹一定的氩气，使氮含量控制在钢种要求的范围值的下限附近，以便在后续LTS中进行氮氩混吹增氮至目标值。而增吹氩气量是在现有技术的侧吹氩气量的基础上，多吹10～200Nm3的氩气。
在第三步骤中，氮氩气混吹可采用以下方式：通过增设一路氮气管，平行于LTS原有的底吹氩气管，并增加相应的氮气管控制系统，从而实现可切换氮、氩气的吹送，并利用钢包原有的透气塞，在冶炼含氮不锈钢时，底吹氮气，同时吹入一定比例的氩气，即氮氩气混吹。所述的氮氩气混吹的氮氩比例应控制在20∶1至1∶1之间，由于氩气的搅拌能力相当于氮气的六倍，因此，在吹氮的时候同时吹氩，可以提高搅拌能力，有利于快速、均匀的增氮，实现氮含量的有效控制。
LST氮氩气混吹的具体工艺要求如下：
LST的钢水处理量为100t～140t；氮氩混吹起始温度控制在LST钢水出站的温度以上30℃～60℃；混吹时的气压为常压，并且氮气和氩气同时处于开启状态，氮气流量为5～100m3/h，吹氮压力为0.70Mpa～0.90Mpa；氩气流量在5～40m3/h，吹氩压力：0.60Mpa～0.80Mpa。
而在实际操作中，采用设定吹氮量、氩气量，吹气时间与吹气量、流量有关，吹氮量和气-钢液界面积、钢的质量、钢液密度、表观正反应速率常数、时刻钢液内部氮浓度、时刻钢液内部氮浓度、氮的溶解度、氮在钢液中的传质系数、氮的活度系数、吹氮流量、初始氮含量及与目标氮含量的差值有关系。增氮百分量随吹气量增大而增大，同时铬对其影响较大，渗氮素率随铬含量的增大而增大；温度对不锈钢的溶解度影响较大，随温度的升高，溶解度变小；增氮过程中，钢水中氮含量越高，增氮速率越低。因此，根据氮氩混吹处理前的不锈钢钢水的成分、温度、处理后不锈钢的氮含量，计算出氩混吹时相应的吹氮量。
在第四步骤中，底吹氩气的流量为2～20m3/h，软搅拌时间为3～6分钟。
在此需要说明的是，在传统工艺中，LTS中只吹氩，仅起到搅拌作用，用于均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮和钢渣反应的作用，氮含量的控制均在AOD中完成。
下面对本发明的控制方法进行举例说明：
1、对钢种A的氮含量进行控制，该钢种氮的目标值为650ppm，上下限范围值为400～700ppm：首先，在AOD中吹氮气，使钢种A中的氮达到饱和；然后在AOD出钢前的还原期、脱硫期，在现有工艺的基础上，多吹70Nm3的氩气，使氮含量控制在钢种范围值的下限附近；此时AOD中的钢种A成分见表1：
表1
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   N
  ％   0.032   0.34   0.96   0.004   0.023   18.03   8.10   0.041
再在LTS进行氮氩气混吹，在LTS氮氩混吹前，钢水的起始条件如下：
(1)起始氮含量：0.041％(换算关系100ppm＝0.01％)
(2)起始处理温度：1575℃
(3)钢水量：126t
LTS氮氩混吹的主要参数如下：
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.80Mpa
(3)吹氮时间：50min
(4)吹氮流量：36m3/h
(5)底吹氮气量：33.5Nm3
(6)吹氩压力：0.70Mpa
(7)吹氩流量：4.0m3/h
最后，采用流量为3m3/h的氩气进行底吹软搅拌5分钟。此时LTS中的钢种A成分见表2：
表2
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   N
  ％   0.0303   0.33   0.96   0.003   0.023   18.04   8.09   0.066
经检测，采用本发明的控制方法的钢种A氮含量在目标值±80ppm的命中率能够达到94％；而采用传统工艺，钢种A的命中率只有50％。
2、钢种B
1、对钢种B的氮含量进行控制，该钢种氮的目标值为2550ppm，上下限范围值为2400～2600ppm：首先，在AOD中吹氮气，使钢种B中的氮达到饱和；然后在AOD出钢前的还原期、脱硫期，在现有工艺的基础上，多吹50Nm3的氩气，使氮含量控制在钢种范围值的下限附近；此时AOD中的钢种B成分见表3：
表3
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  ％   0.021   0.51   6.1   0.005   0.028   21.28   12.97   2.0   0.239
再在LTS进行氮氩气混吹，在LTS氮氩混吹前，钢水的起始条件如下：
(1)起始氮含量：0.239％
(2)起始处理温度：1540℃
(3)钢水量：129t
LTS氮氩混吹的主要参数如下：
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.81Mpa
(3)吹氮时间：50min
(4)吹氮流量：28m3/h
(5)底吹氮气量：25Nm3
(6)吹氩压力：0.70Mpa
(7)吹氩流量：4.0m3/h
最后，采用流量为4m3/h的氩气进行底吹软搅拌5分钟。此时LTS中的钢种B成分见表4：
表4
元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo N
  ％   0.020   0.50   6.08   0.004   0.029   21.27   13.0   2.0   0.255
经检测，采用本发明的控制方法的钢种B氮含量在目标值±80ppm的命中率能够达到95％；而采用传统工艺，钢种B的命中率只有55％。
3、钢种C
1、对钢种C的氮含量进行控制，该钢种氮的目标值为4350ppm，上下限范围值为4230～4430ppm：首先，在AOD中吹氮气，使钢种C中的氮达到饱和；然后在AOD出钢前的还原期、脱硫期，在现有工艺的基础上，多吹40Nm3的氩气，使氮含量控制在钢种范围值的下限附近；此时AOD中的钢种C成分见表5：
表5
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  ％   0.020   0.42   6.10   0.007   0.026   24.02   16.05   7.11   0.424
再在LTS进行氮氩气混吹，在LTS氮氩混吹前，钢水的起始条件如下：
(1)起始氮含量：0.0424％
(2)起始处理温度：1555℃
(3)钢水量：125t
LTS氮氩混吹的主要参数如下：
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.82Mpa
(3)吹氮时间：48min
(4)吹氮流量：80m3/h
(5)底吹氮气量：60Nm3
(6)吹氩压力：0.70Mpa
(7)吹氩流量：5.0m3/h
最后，采用流量为4m3/h的氩气进行底吹软搅拌6分钟。此时LTS中的钢种C成分见表6：
表6
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  ％   0.021   0.41   6.08   0.006   0.027   24.01   16.04   7.10   0.435
经检测，采用本发明的控制方法的钢种C氮含量在目标值±80ppm的命中率能够达到96％；而采用传统工艺，钢种C的命中率只有45％。
综上所述，本发明的氮含量控制方法与现有技术相比，存在以下优点：
(1)使用现有技术，含氮不锈钢氮含量在目标值±80ppm的命中率仅为40～60％，而本发明采用LTS氮氩混吹的增氮工艺，能够使含氮不锈钢在LTS中快速、均匀地进行氮含量控制，其氮含量在目标值±80ppm的命中率可高达90～99％。
(2)与现有技术AOD的后期添加氮化合金进行增氮相比，本发明每增氮200ppm可降低成本90～130元/吨。
(3)与现有技术AOD的后期添加氮化合金进行增氮相比，本发明的LTS氮氩混吹的重量可以忽略不计，不会造成钢水其它成分的波动而超标，能够使氮含量命中率得到保证。
(4)与现有技术AOD的后期添加氮化合金进行增氮相比，由于氮气和氩气纯度为99.9％，杂质很少，不会污染不锈钢钢水，避免了影响钢水纯净度，使钢水的质量明显得到改善。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于，
该控制方法的具体步骤如下：
A.在氩氧脱碳炉冶炼过程中，对炉内钢液进行侧吹氮气，使氮含量在不锈钢液中达到饱和；
B.在氩氧脱碳炉出钢前的还原期或脱硫期，进行侧吹氩气脱氮，将氮含量控制在钢种范围值的下限附近；
C.在钢包处理站的精炼过程中，通过氮氩气混吹进行增氮，使氮含量达到钢种所要求的目标值±80ppm之内；
D.在氮氩气混吹结束后，底吹氩气进行软搅拌，均匀不锈钢成分和温度。
2.如权利要求1所述的不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于：
在步骤C中，所述的氮氩气混吹的氮氩比例控制在20∶1至1∶1之间。
3.如权利要求2所述的不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于，
在步骤C中，所述的氮氩气混吹满足以下条件：
混吹的气压为一个大气压，并且氮气和氩气同时处于开启状态，氮气流量为5～100m3/h，吹氮压力为0.70Mpa～0.90Mpa；氩气流量在5～40m3/h，吹氩压力：0.60Mpa～0.80Mpa。
4.如权利要求1所述的不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于：
在步骤B中，根据钢种不同，选择不同的吹氩脱碳时期：
若钢种氮含量的目标值低于500ppm，在还原期后期进行吹氩；若钢种氮含量的目标值高于500ppm，则在脱硫期进行吹氩。
5.如权利要求4所述的不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于，
在步骤B中，通过增加侧吹氩气来进行脱碳，使氮含量控制在钢种范围值的下限，增加氩的吹气量为10～200Nm3。
6.如权利要求1所述的不锈钢冶炼的氮含量控制方法，其特征在于：
在步骤D中，所述的底吹氩气流量为2～20m3/h，软搅拌时间为3～6分钟。
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