CN104004881B - 一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，在电转炉出钢时控制出钢温度及终点碳含量，出钢过程中分步计量加入脱氧剂，提高化渣效果，并控制出钢吹氩压力，精炼过程造好泡沫渣，严格控制精炼通电时间及出站硫含量、铝含量，提高真空脱氮效率，并加强连铸保护浇铸，防止钢液大量吸氮。本方法有效且定量性地利用钢液中表面活性元素对于吸氮和脱氮的双重作用，注重冶炼全过程中关键环节的控氮，且实现了单个控氮操作参数对于其它环节或其它工艺指标的兼顾，切实有效地将电转炉冶炼铝脱氧高碳钢的氮含量降至40×10-6以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶炼过程中氮含量的控制方法，具体地说是一种电转炉生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法。
背景技术
在绝大多数情况下，氮被视为钢中的一种有害元素，而且即使在氮含量极少的情况下，其对钢的力学性能也有着显著的影响。氮的危害主要表现在：钢中自由的氮形成固溶体，造成固溶强化，伴有时效性，使钢的韧性和塑性降低；与钢中铝、钛等元素形成带棱角的脆性夹杂物，降低钢的冷热变形加工性；当钢中残留氮较高时，会导致钢的宏观组织疏松甚至形成皮下气泡；钢中氮含量偏高还易导致铸坯出现裂纹缺陷。而对于要求高洁净度、高均匀度、高抗疲劳寿命的优特高碳钢而言，钢液中氮含量的高低更是对产品质量起着颇为重要的影响。因此，必须采取有效措施降低高碳特钢中的氮含量。
冶炼条件下钢液中的氮远未达到饱和，空气以及原辅料中的氮在出钢、精炼及连铸过程易进入钢液，而由于钢液中氮的传质系数以及自身活性较小，再加上表面活性元素的阻碍，氮在真空处理阶段的脱除相对于其它气体而言则更为困难。因而，钢液中氮含量在冶炼过程的控制成为了一个较为普遍而又难以解决的问题。
专利201110440322.4采用低氮增碳剂煅烧无烟煤代替沥青焦增碳，实现了对增碳剂带入氮含量的控制，但仅局限于这一个环节对于氮含量的控制较为有限，无法满足优特钢的氮含量要求；专利201110403472.8通过转炉出钢过程及进入氩站前不吹氩来降低钢中的氮含量，显然出钢不吹氩不利于合金和渣料的融化，也不利于钢包内钢液温度的均匀化，为后续工序控氮增加了难度，还可能出现钢包底部出现结冷钢的情况；而专利201210487536.1公开了一种采用两步加入合金脱氧且不采用铝脱氧的出钢方法来控制钢液的增氮量，同样该方法倾向性的仅考虑氮含量控制而未考虑合金回收率及脱氧效率；专利201210164848.9表示在真空处理前控制钢液中氮含量不低于45×10-6，并且在真空处理时向钢包中加入氧化铁皮球可以有效提高真空脱氮率，而事实上该方法一方面增加了真空处理前氮含量的控制难度，另一方面，在真空处理过程中加入氧化铁球操作的适用性有限且存有增加钢液夹杂物的风险；相关文献（钢中氮的控制及其对质量的影响，炼钢，21（1）；溶解氧对钢液吸氮影响的研究，钢铁，37（4）；Behavior of Nitrogen During AOD Process, ISIJ International, 49(10)）报道了表面活性元素氧和硫对于钢液增氮和脱氮的双重作用，然而这些研究仅停留在定性认识层面，并未实际注重表面活性元素及其相关元素对于控氮的定量性应用。
同样值得注意的是，当前的专利及研究大都针对转炉控氮，而鲜有针对电炉控氮，特别是关于新型电转炉生产过程氮含量的控制，而电转炉冶炼时由于初始氮含量高而更易致成品氮含量偏高，因此针对电转炉冶炼过程氮含量的控制更具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，该方法有效且定量性地利用钢液中表面活性元素对于吸氮和脱氮的双重作用，注重冶炼全过程中关键环节的控氮，实现了单个控氮操作参数对于其它环节或其它工艺指标的兼顾，切实有效地将电转炉冶炼铝脱氧高碳钢的氮含量降至40×10-6以下。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种电转炉生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）电转炉出钢前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气,使钢包被氩气覆盖,避免空气与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中底吹氩气压力控制在0.7~0.8 Mpa，待出钢完毕后及时调整氩气压力至0.3~0.5 Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露；
2）出钢时根据终点碳含量、合金元素含量及出钢量确定所需加入的铝块、低氮增碳剂及铁合金量，渣料按吨钢12~14kg/t加入，加入顺序为：20%的铝块、30%的低氮增碳剂、铁合金、70%的低氮增碳剂、80%的铝块、渣料；选用熔点低熔速快的渣料，减少化渣时间，从而减少钢液表面裸露的时间；钢液在出钢过程中保有表面活性元素氧，防止钢液在出钢过程中大量吸氮；电转炉出钢时，控制终点碳含量在0.4~0.7%范围内；出钢温度控制在1620~1640℃；
3）精炼作为中间环节，严格控制精炼时间在45-70分钟内，精炼时间过短，易出现大档位送电急速升温，电弧下钢液裸露面大，吸氮严重；而精炼时间过长，则易导致出现精炼渣稳定性降低、补加渣量大的不利情况；通过调整渣料的加入比率，得到具有良好流动性、适当碱度与粘度且发泡性好的精炼渣；具体成分范围为：CaO 48~55%，SiO2 7~10%，Al2O3 24~30%, MgO 4~7%，FeO+MnO ≤1%；高碱度对于脱硫非常有利，保证精炼渣碱度在5~7.5范围内，确保出站硫含量不大于0.005%；确保白渣时间大于30分钟；
4） VD真空脱气时，将铝含量在真空处理前控制在0.025~0.040%范围内；
5）连铸增氮主要是由于连铸过程中钢液与空气接触所致，连铸过程做好保护浇注，防止浇注过程吸气及二次氧化；选用能有效形成三层结构且保温性能良好的中包覆盖剂及结晶器保护渣，并采用整体浸入式水口；优化大包长水口吹氩结构，在长水口碗部增加密封垫圈，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持0.7~0.9pa微正压。
进一步优选的，本发明步骤2）中，加入过程采用分步脱氧，且按强、弱、强的加入顺序计量分步进行，保证脱氧效果、合金及增碳剂回收率，并降低强脱氧元素的固氮效应，同时保证脱氧产物的形态利于上浮去除。步骤3）中，LF精炼周期为57分钟，精炼渣碱度调整至R=7.3，具体成分为CaO 54.6%，SiO2 7.7%， Al2O3 24.7%，MgO 4.9%, FeO 0.6%，MnO 0.07%, 渣层厚度保持在90~110mm范围；出精炼站时将钢液内的硫脱至0.003%，铝含量则为0.028%。步骤4）中，将真空度抽至67Pa，抽真空过程将氩气流量调大，当真空度达到300pa时，再将氩气流量调小，以免钢液溢出钢包；真空保持时间为16分钟，真空处理总耗时31分钟。
本发明采用EAF-CONVERTER（电转炉）+LF+VD+CCM的工艺路线生产铝脱氧高碳钢。
电转炉出钢时，控制终点碳含量在0.4~0.7%范围内,这样既可以有效利用炉内碳氧反应对于脱氮的积极作用，也可以降低氮在钢液中的溶解度，还可以减少增碳剂及铝块的加入量，从而减少随增碳剂带入的氮含量，并降低出钢过程铝的固氮效应，出钢温度控制在1620~1640℃，保证出钢化渣及合金融化所需温度，确保LF精炼到站温度而避免LF精炼大档位送电升温的同时，避免氮的溶解度随钢液温度的升高而出现急剧上升，从而降低钢液吸氮的驱动力。
出钢时根据终点碳含量、合金元素含量及出钢量确定所需加入的铝块、低氮增碳剂及铁合金量，渣料按吨钢12~14kg/t加入，加入顺序为：20%的铝块、30%的低氮增碳剂、铁合金、70%的低氮增碳剂、80%的铝块、渣料。该过程采用分步脱氧而非一步深脱氧，且按强、弱、强的加入顺序计量分步进行，这既可以保证良好的脱氧效果、较高的合金及增碳剂回收率，并在一定程度上降低强脱氧元素的固氮效应，还可以保证大部分脱氧产物的形态利于上浮去除，更重要的是，钢液在出钢过程中的较长时间内保有一定量的表面活性元素氧，这为防止钢液在出钢过程中大量吸氮创造了良好的动力学条件。
出钢前提前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气,使钢包被氩气覆盖,避免空气与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中底吹氩气压力控制在0.7~0.8 Mpa，待出钢完毕后及时动态调整氩气压力至0.3~0.5 Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露。
选用熔点低熔速快的渣料，减少化渣时间，从而减少钢液表面裸露的时间。通过调整渣料的加入比率，得到具有良好流动性、适当碱度与粘度且发泡性好的精炼渣。具体成分范围为：CaO 48~55%，SiO2 7~10%，Al2O3 24~30%, MgO 4~7%，FeO+MnO ≤1%。
良好的流动性不仅为脱硫提供了良好的动力学条件，而且易铺展覆盖钢液表面从而将钢液与空气隔离。良好的发泡性有利于实现埋弧操作，埋弧不仅可降低电耗、电极消耗，稳定电弧，提高热效率，缩短通电升温时间，更重要的是可以有效减少钢水表面裸露及吸氮的几率。
基于表面活性元素对于脱氮的阻碍作用，精炼站脱氧脱硫效果将直接影响真空脱氮效果。就热力学而言，高碱度对于脱硫非常有利，所以应保证精炼渣碱度在5~7.5范围内，确保出站硫含量不大于0.005%。而碱度过大则会导致渣中CaO还原形成点状夹杂，而且精炼渣粘度上升，恶化脱硫动力学条件，并增加后续真空脱气阻力。此外，确保白渣时间大于30分钟，在为脱硫提供有利条件的同时，也保证了良好的脱氧效果。
精炼作为中间环节，应控制好生产节奏，严格控制精炼时间在45-70分钟内，精炼时间过短，易出现大档位送电急速升温，电弧下钢液裸露面大，吸氮严重。而精炼时间过长，则易导致出现精炼渣稳定性降低、补加渣量大等不利情况。
影响VD脱氮效果的因素主要包括有效真空处理时间，真空度，氩气搅拌条件等。实际生产过程中为了进一步提高脱氮效率，在确保正常真空操作条件的同时，应关注钢液中活性元素及铝含量的控制。对于表面活性元素硫的控制已在上述段落进行了相关阐述，而钢液中的铝则是影响真空脱气效果的又一关键元素。随着钢液中铝含量增加，氧含量降低，脱氮阻力降低；与此同时，过高的铝含量对于脱氮也并不利，这是因为随着铝含量的进一步增加，钢种的氧将被脱至很低的水平（<10×10-6），这将严重阻止真空条件下碳氧C-O反应的进行，CO生成量的减少一方面将减弱钢液在真空下的搅拌，恶化脱氮动力学，另一方面随CO上浮带出钢液的氮量也相应减少。实践生产统计表明，将铝含量在真空处理前控制在0.025~0.040%范围内则可以获得较高的真空脱氮率。
连铸增氮主要是由于连铸过程中钢液与空气接触所致，在提高大包自开率，防止大包下渣，选用能有效形成三层结构且保温性能良好的中包覆盖剂及结晶器保护渣，并采用整体浸入式水口的同时，特意强化了大包长水口这一环节的保护浇注。一方面，优化大包长水口吹氩结构并在长水口碗部增加密封垫圈，另一方面，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压（0.7~0.9pa）。
本发明在电转炉出钢时控制出钢温度及终点碳含量，出钢过程中分步计量加入脱氧剂，提高化渣效果，并控制出钢吹氩压力，精炼过程造好泡沫渣，严格控制精炼通电时间及出站硫含量、铝含量，提高真空脱氮效率，并加强连铸保护浇铸，防止钢液大量吸氮。本方法有效且定量性地利用钢液中表面活性元素对于吸氮和脱氮的双重作用，注重冶炼全过程中关键环节的控氮，且实现了单个控氮操作参数对于其它环节或其它工艺指标的兼顾，切实有效地将电转炉冶炼铝脱氧高碳钢的氮含量降至40×10-6以下。
具体实施方式
实施例1：
一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产铝脱氧高碳钢，氮含量的控制方法如下：
公称容量为90t的电转炉装入量为95.3t，其中铁水85.6t，废钢9.7t。出钢终点碳含量为0.57%，出钢温度为1631℃，出钢量为85t。
出钢前提前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气,使钢包被氩气覆盖,避免与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中,先后加入铝块20kg、低氮增碳剂40kg、相应量的铁合金、低氮增碳剂90kg、铝块70kg、及顶渣料1.1t，其中预熔渣700kg，石灰400kg；出钢过程底吹氩气压力控制在0.75Mpa，出钢完毕后即将氩气压力调至0.3Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露。
LF精炼周期为57分钟，精炼渣碱度调整至R=7.3，具体成分为CaO54.6%，SiO2 7.7%， Al2O3 24.7%，MgO 4.9%, FeO 0.6%，MnO 0.07%, 渣层厚度保持在90~110mm范围。出精炼站时将钢液内的硫脱至0.003%，铝含量则为0.028%。
VD真空脱气时，将真空度抽至67Pa，抽真空过程适当将氩气流量调大些，当达到一定真空度时（约300pa），再根据真空室内钢液翻腾情况将氩气流量适当调小，以免钢液溢出钢包。真空保持时间为15分钟，真空处理总耗时30分钟。
连铸过程做好保护浇注，防止浇注过程吸气及二次氧化。长水口与大包滑动水口接缝处外置氩封处的压力为0.8Pa，选用与高碳钢相匹配的中包覆盖剂及结晶器保护渣，保持黑面操作，中包盖周围的缝隙用耐高温纤维及浆料一起进行密封，采用整体水口进行浇注，塞棒控流，确保结晶器液面平稳可控。
通过上述实施方法，所得成品检验结果显示氮含量为38.6×10-6。
实施例2：
一种电转炉生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产铝脱氧高碳钢。
公称容量为90t的电转炉装入量为102.2t，其中铁水92.5t，废钢9.7t。出钢终点碳含量为0.55%，出钢温度为1631℃，出钢量为87t。
出钢前提前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气,使钢包被氩气覆盖,避免与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中, 先后加入铝块20kg、低氮增碳剂50kg、相应量的铁合金、低氮增碳剂100kg、铝块70kg、及顶渣料1.1t，其中预熔渣650kg，石灰450kg；出钢过程底吹氩气压力控制在0.75Mpa，出钢完毕后即将氩气压力调至0.3Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露。
LF精炼周期为60分钟，精炼渣碱度调整至R=7.1，具体成分为CaO 51.1%， SiO2 7.2%， Al2O3 28.7%，MgO 5.1%, FeO 0.3%，MnO 0.06%, 渣层厚度保持在90~110mm范围。出精炼站时将钢液内的硫脱至0.002%，铝含量则为0.038%。
VD真空脱气时，将真空度抽至67Pa，抽真空过程适当将氩气流量调大些，当达到一定真空度时（约300pa），再根据真空室内钢液翻腾情况将氩气流量适当调小，以免钢液溢出钢包。真空保持时间为16分钟，真空处理总耗时31分钟。
连铸过程做好保护浇注，防止浇注过程吸气及二次氧化。长水口与大包滑动水口接缝处外置氩封处的压力为0.9Pa，选用与高碳钢相匹配的中包覆盖剂及结晶器保护渣，保持黑面操作，中包盖周围的缝隙用耐高温纤维及浆料一起进行密封，采用整体水口进行浇注，塞棒控流，确保结晶器液面平稳可控。
通过上述实施方法，所得成品检验结果显示氮含量为29.3×10-6。
实施例3：
一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→CCM连铸的工艺路线生产铝脱氧高碳钢。
公称容量为90t的电转炉装入量为103.8t，其中铁水93.6t，废钢10.2t。出钢终点碳含量为0.65%，出钢温度为1632℃，出钢量为87t。
出钢前提前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气，使钢包被氩气覆盖,避免与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中, 先后加入铝块15kg、低氮增碳剂30kg、相应量的铁合金、低氮增碳剂90kg、铝块65kg、及顶渣料1.2t，其中预熔渣700kg，石灰500kg；出钢过程底吹氩气压力控制在0.73Mpa，出钢完毕后即将氩气压力调至0.35Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露。
LF精炼周期为62分钟，精炼渣碱度调整至R=5.6，具体成分为CaO 50.4%， SiO2 8.9%， Al2O3 27.4%，MgO 6.3%, FeO 0.8%，MnO 0.09%, 渣层厚度保持在90~110mm范围。出精炼站时将钢液内的硫脱至0.004%，铝含量则为0.031%。
VD真空脱气时，将真空度抽至67Pa，抽真空过程适当将氩气流量调大些，当达到一定真空度时（约300pa），再根据真空室内钢液翻腾情况将氩气流量适当调小，以免钢液溢出钢包。真空保持时间为16分钟，真空处理总耗时28分钟。
连铸过程做好保护浇注，防止浇注过程吸气及二次氧化。长水口与大包滑动水口接缝处外置氩封处的压力为0.7Pa，选用与高碳钢相匹配的中包覆盖剂及结晶器保护渣，保持黑面操作，中包盖周围的缝隙用耐高温纤维及浆料一起进行密封，采用整体水口进行浇注，塞棒控流，确保结晶器液面平稳可控。
通过上述实施方法，所得成品检验结果显示氮含量为36.2×10-6。
Claims (4)
1.一种生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，包括LF炉精炼、VD真空处理、连铸，在出钢时加入低氮增碳剂，其特征在于：该方法具体步骤如下：
1）电转炉出钢前进行钢包底吹吹氩,驱除钢包内的空气,使钢包被氩气覆盖,避免空气与钢水充分接触造成增氮；出钢过程中底吹氩气压力控制在0.7~0.8 Mpa，待出钢完毕后及时调整氩气压力至0.3~0.5 Mpa，避免钢水在大包内剧烈翻滚及大面积的裸露；
2）出钢时根据终点碳含量、合金元素含量及出钢量确定所需加入的铝块、低氮增碳剂及铁合金量，渣料按吨钢12~14kg/t加入，加入顺序为：20%的铝块、30%的低氮增碳剂、铁合金、70%的低氮增碳剂、80%的铝块、渣料；选用熔点低熔速快的渣料，减少化渣时间，从而减少钢液表面裸露的时间；钢液在出钢过程中保有表面活性元素氧，防止钢液在出钢过程中大量吸氮；电转炉出钢时，控制终点碳含量在0.4~0.7%范围内；出钢温度控制在1620~1640℃；
3）精炼作为中间环节，严格控制精炼时间在45-70分钟内，精炼时间过短，易出现大档位送电急速升温，电弧下钢液裸露面大，吸氮严重；而精炼时间过长，则易导致出现精炼渣稳定性降低、补加渣量大的不利情况；通过调整渣料的加入比率，得到具有良好流动性、适当碱度与粘度且发泡性好的精炼渣；具体成分范围为：CaO 48~55%，SiO2 7~10%，Al2O3 24~30%, MgO 4~7%，FeO+MnO ≤1%；高碱度对于脱硫非常有利，保证精炼渣碱度在5~7.5范围内，确保出站硫含量不大于0.005%；确保白渣时间大于30分钟；
4） VD真空脱气时，将铝含量在真空处理前控制在0.025~0.040%范围内；
5）连铸增氮主要是由于连铸过程中钢液与空气接触所致，连铸过程做好保护浇注，防止浇注过程吸气及二次氧化；选用能有效形成三层结构且保温性能良好的中包覆盖剂及结晶器保护渣，并采用整体浸入式水口；优化大包长水口吹氩结构，在长水口碗部增加密封垫圈，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持0.7~0.9pa微正压。
2.根据权利要求1所述的生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，其特征在于：步骤2）中，加入过程采用分步脱氧，且按强、弱、强的加入顺序计量分步进行，保证脱氧效果、合金及增碳剂回收率，并降低强脱氧元素的固氮效应，同时保证脱氧产物的形态利于上浮去除。
3.根据权利要求1所述的生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，其特征在于：步骤3）中，LF精炼周期为57分钟，精炼渣碱度调整至R=7.3，具体成分为CaO54.6%，SiO2 7.7%， Al2O3 24.7%，MgO 4.9%, FeO 0.6%，MnO 0.07%, 渣层厚度保持在90~110mm范围；出精炼站时将钢液内的硫脱至0.003%，铝含量则为0.028%。
4.根据权利要求1所述的生产铝脱氧高碳钢过程中氮含量的控制方法，其特征在于：步骤4）中，将真空度抽至67Pa，抽真空过程将氩气流量调大，当真空度达到300pa时，再将氩气流量调小，以免钢液溢出钢包；真空保持时间为16分钟，真空处理总耗时31分钟。
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