CN105112609B - 一种钢包底吹氮增氮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢包底吹氮增氮的方法，其方法工艺为：（1）根据式（Ⅰ）计算氮分压P_N2；（2）根据式（Ⅱ）计算底吹气体总压P_总；（3）根据式（Ⅲ）计算氩气分压P_Ar；（4）按上述氮分压P_N2和氩气分压P_Ar设置氮气和氩气的压力，同时进行钢包底吹。本方法通过对钢包底吹氮过程中氩气和氮气混合气体中氮分压的控制，可精确实现对含氮钢种进行增氮，节约高成本氮化合金的使用，避免了分段底吹氮气增氮控制精度偏低的弊端；既能避免高成本氮化合金的加入，又能保证很高的氮质量分数命中率；具有低成本、高命中率、操作简单的特点。

Description

一种钢包底吹氮增氮的方法

技术领域

本发明涉及一种合金的冶炼方法，尤其是一种钢包底吹氮增氮的方法。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，用户对钢的强度、韧性、加工性能等要求愈来愈高，部分高强钢利用氮化合金强化钢的性能，钢的成品对氮含量有一定要求，使得钢中氮含量控制成为这些钢种冶炼的关键技术。在炼钢过程中，对钢水增氮可以采用钢包顶吹氮、底吹氮或添加氮化合金等方式进行。钢包顶吹氮需要额外增加顶吹喷枪，使用过程中由于钢水温度高、喷枪寿命低、氮收得率不稳定、氮含量不易命中目标而很少被采用。添加氮化合金虽可保证高的氮元素收得率，但是生产成本相对较高。例如，公开号CN103146875A的中国专利公开的一种常压下冶炼高氮钢的方法，其冶炼1t钢需要加入25～35kg氮化锰，吨钢合金成本高达175～145元/t钢。钢包底吹氮增氮处理成本比氮化合金低，但常规底吹氮增氮方法氮收得率低且不稳定，较难命中钢种氮质量分数控制目标。例如，公开号CN101538636A的中国专利公开的一种钢包炉用氮气进行氮合金化工艺、公开号CN101168817A的中国专利公开的一种含氮纯净钢的增氮方法，均采用先通纯氮气合金化后通纯氩气进行搅拌并脱除多余氮的方法进行氮的合金化，但此类方法氮氩切换点选择较为困难，不仅操作复杂而且终点命中率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本高命中率及操作简单钢包底吹氮增氮的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的方法工艺为：(1)根据式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)计算氮分压P_N2；

式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)中：

P^θ－标准大气压，kPa；

[％N]－目标氮含量，wt％；

K_N－氮溶解的平衡常数；

f_N－氮的活度系数；

T–钢水温度，K；

－元素j对氮的相互作用系数，系数范围为-0.048～+0.048；

[％j]－钢液中元素j的质量分数，wt％；

(2)根据式(Ⅳ)计算底吹气体总压P_总；

P_总≥ρ_钢gh+P_压损 (Ⅳ)

式(Ⅳ)中：P_压损－管路及透气砖内压力损失，0.3～0.5MPa；

ρ_钢－钢液的密度(7.8×10³)，kg/m³；

g－重力加速度(9.8)，m/s²；

h－钢包中钢液的深度，m；

(3)根据式(Ⅴ)计算氩气分压P_Ar；

P_Ar＝P_总-P_N2 (Ⅴ)

式(Ⅴ)中：P_总为底吹气体总压，kPa；

(4)按上述氮分压P_N2和氩气分压P_Ar设置氮气和氩气的压力，同时进行钢包底吹。

本发明所述步骤(4)中，氩气和氮气的底吹流量相同。所述氩气和氮气的底吹流量均为180～220Nl/min。

本发明所述步骤(2)中底吹气体总压P_总的计算公式为式(Ⅵ)，

P_总＝1.2(ρ_钢gh+P_压损) (Ⅵ)。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过对钢包底吹氮过程中氩气和氮气混合气体中氮分压的控制，可精确实现对含氮钢种进行增氮，节约高成本氮化合金的使用，避免了分段底吹氮气增氮控制精度偏低的弊端；既能避免高成本氮化合金的加入，又能保证很高的氮质量分数命中率；具有低成本、高命中率、操作简单的特点。

具体实施方式

本发明的原理：钢液中的氮是以氮离子的形式存在。但与钢液中的碳相似，采用氮原子来描述钢液中的氮，氮在钢液中的溶解度可用Sivert平方根定律表示，见式(A)、(B)；

其中，

[％N]－目标氮含量，即钢液中氮的质量分数，wt％；

P_N2－氮分压，kPa；

P^θ－标准大气压，kPa；

K_N－氮溶解的平衡常数；

f_N－氮的活度系数。

采用Pehlke等人的测定的值，见式(Ⅱ)：

式中：T－钢液的温度，K。

考虑到钢中合金元素不是很高，采用一阶相互作用系数来计算合金元素对f_N的影响，见式(Ⅲ)；

式中：

T－钢液的温度，K；

－元素活度相互作用系数，系数范围为-0.048～+0.048；

[％j]－钢液中元素j的质量分数，wt％。

在钢种成分给定和精炼温度确定条件下，钢中氮质量分数[％N]主要与氮分压P_N2有关，因此，在LF精炼过程中，可以通过底吹氮气并控制一定的氮分压来对钢中的氮含量实施有效控制；氮分压P_N2计算公式见式(Ⅰ)；

根据理想气体定律，钢中的各气体分压强之和等于总压强，即式(D)所示；对于仅采用氮气或氩气作为底吹气体的LF炉，则吹气管路中的P_总计算公式见式(E)：

P_总＝P_H2+P_N2+P_CO+P_Ar+… (D)；

P_总＝P_N2+P_Ar (E)。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：本钢包底吹氮增氮的方法采用下述具体工艺。

含氮钢成分如表1所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1：含氮钢的成分(wt％)

元素	C	Si	Mn	S	Cr	Al	Ni
								含量	0.19	0.09	1.32	0.023	1.20	0.027	0.007

根据上述式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)以及表1中的成分进行计算，计算过程见式(1-1)、(1-2)、(1-3)：

钢液深度为2.8m，P_压损一般为0.4MPa，则：

P_总＝1.2(ρ_钢gh+P_压损)＝0.73MPa (1-2)

P_Ar＝P_总-P_N2＝0.7181MPa (1-3)

按要求将氮气及氩气压力调整至上述计算值，并将流量均设置为200Nl/min，进行底吹氮合金化；连铸终点钢中氮的质量满足工艺要求，为0.0075wt％。

实施例2：本钢包底吹氮增氮的方法采用下述具体工艺。

含氮钢成分如表2所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

表2：含氮钢的成分(wt％)

元素	C	Si	Mn	S	Cr	Al	Ni	Mo
									含量	0.20	0.22	0.8	0.02	0.55	0.03	0.47	0.17

根据上述式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)以及表2中的成分进行计算，计算过程见式(2-1)、(2-2)、(2-3)：

钢液深度为2.9m，P_压损一般为0.4MPa，则：

P_总＝1.2(ρ_钢gh+P_压损)＝0.74MPa (2-2)

P_Ar＝P_总-P_N2＝0.7164MPa (2-3)

按要求将氮气及氩气压力调整至上述计算值，并将流量均设置为200Nl/min，进行底吹氮合金化；连铸终点钢中氮的质量满足工艺要求，为0.0068wt％。

实施例3：本钢包底吹氮增氮的方法采用下述具体工艺。

含氮钢成分如表3所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

表3：含氮钢的成分(wt％)

元素	C	Si	Mn	S	Cr	Al	Ni	Mo
									含量	0.17	0.25	0.58	0.015	1.65	0.030	1.50	0.28

根据上述式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)以及表3中的成分进行计算，计算过程见式(3-1)、(3-2)、(3-3)：

钢液深度为2.8m，P_压损一般为0.4MPa，则：

P_总＝1.2(ρ_钢gh+P_压损)＝0.73MPa (3-2)

P_Ar＝P_总-P_N2＝0.6917MPa (3-3)

按要求将氮气及氩气压力调整至上述计算值，并将流量均设置为200Nl/min，进行底吹氮合金化；连铸终点钢中氮的质量满足工艺要求，为0.0087wt％。

Claims (4)

1.一种钢包底吹氮增氮的方法，其特征在于，其方法工艺为：(1)根据式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)计算氮分压P_N2；

$P_{N_2}=P^{\mathrm{\θ}}\×{10}^{2\×(\lg \[\%N\]-{\mathrm{lgK}}_N+{\mathrm{lgf}}_N)}---\left(I\right)$

${\mathrm{lgK}}_N=-\frac{188}{T}-1.245---\left(II\right)$

${\mathrm{lgf}}_N=(\frac{3280}{T}-0.75){\mathrm{\Σe}}_N^j\[\%j\]---\left(III\right)$

式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)中：

P^θ－标准大气压，kPa；

[％N]－目标氮含量，wt％；

K_N－氮溶解的平衡常数；

f_N－氮的活度系数；

T–钢水温度，K；

－元素j对氮的相互作用系数，系数范围为-0.048～+0.048；

[％j]－钢液中元素j的质量分数，wt％；

(2)根据式(Ⅳ)计算底吹气体总压P_总；

P_总≥ρ_钢gh+P_压损 (Ⅳ)

式(Ⅳ)中：P_压损－管路及透气砖内压力损失，0.3～0.5MPa；

ρ_钢－钢液的密度(7.8×10³)，kg/m³；

g－重力加速度(9.8)，m/s²；

h－钢包中钢液的深度，m；

(3)根据式(Ⅴ)计算氩气分压P_Ar；

P_Ar＝P_总-P_N2 (Ⅴ)

式(Ⅴ)中：P_总为底吹气体总压，kPa；

(4)按上述氮分压P_N2和氩气分压P_Ar设置氮气和氩气的压力，同时进行钢包底吹。

2.根据权利要求1所述的一种钢包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，氩气和氮气的底吹流量相同。

3.根据权利要求2所述的一种钢包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述氩气和氮气的底吹流量均为180～220Nl/min。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种钢包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述步骤(2)中底吹气体总压P_总的计算公式为式(Ⅵ)，

P_总＝1.2(ρ_钢gh+P_压损) (Ⅵ)。