CN106086315A - 一种在钢液中生成微小气泡的方法 - Google Patents

一种在钢液中生成微小气泡的方法 Download PDF

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Abstract

一种在钢液中生成微小气泡的方法，属于炼钢领域。本发明通过向钢液中通入焦炉煤气或天然气；在钢液内，焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8ppm以上；钢液精炼脱氧后，对该钢液进行真空处理，使钢中氢从钢液中析出，通过控制真空处理工艺，促进钢液中氢在钢液内部形成细小气泡析出，抑制氢从钢液上表面向真空蒸发析出；借助钢中非金属夹杂物，提供氢从钢液内部析出形成气泡的核心，降低氢气泡从钢液内部析出的形核自由能，促进氢气泡在钢液内部的形成。该方法生成的氢气泡尺寸细小，绝大部分气泡尺寸小于1mm，有助于提高钢中氮和夹杂物去除效果。

Description

一种在钢液中生成微小气泡的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种钢液中脱氮和夹杂物去除技术，具体是一种在钢液中生成微小气泡的方法，可显著促进钢液中氮和显微夹杂物的去除，提高钢水纯净度。
背景技术
钢中氮和夹杂物常常对钢材性能产生危害，尽管近年来冶金技术进步迅速，钢材纯净度已有快速进步，但钢中氮和夹杂物的控制还常常不能完全满足高品质钢材的要求。
大量研究表明，通过向钢液吹入氩气，在钢液中形成氩气泡，有助于钢中氮和夹杂物的去除。但由于通过钢包底吹元件吹入的氩气在钢液中形成的气泡尺寸较大，一般大于5mm，其去除钢中氮和夹杂物的效果并不明显。一些文献研究也表明钢液中弥散微小气泡可显著促进氮和夹杂物的去除。
本发明提供一种在钢液中生成微小气泡的方法，通过向钢液中通入焦炉煤气或天然气；在钢液内，焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8ppm以上；钢液精炼脱氧后，对该钢液进行真空处理，借助钢中非金属夹杂物，提供氢气泡在钢液内部形成的核心，降低氢气泡从钢液内部析出的形核自由能，在钢液内部形成大量细小气泡。该方法生成的氢气泡尺寸细小，有助于提高钢中氮和夹杂物去除效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在钢液中生成大量微小气泡的方法，以解决现有技术难以在钢液中形成大量细小气泡的问题，生成的大量细小气泡可促进钢中氮和夹杂物的去除。
为了解决上述技术问题，本发明公开一种在钢液中生成细小气泡的方法，包括：向钢液中通入焦炉煤气或天然气；在钢液内，焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8ppm以上；钢液精炼脱氧后，对该钢液进行真空处理，借助钢中非金属夹杂物，提供氢气泡在钢液内部形成的核心，降低氢气泡从钢液内部析出的形核自由能，在钢液内部形成大量细小气泡。
具体工艺步骤为：
步骤1.在转炉、或电炉、或吹氩站、或CAS处理站、或LF处理工位、AOD处理、或RH处理、VD或VOD处理工位向钢液通入焦炉煤气或天然气；焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8×10-6以上。
步骤2.在真空处理工位，包括RH处理、VD或VOD处理工位，对脱氧后钢液进行真空处理，使真空室真空度最终小于200Pa，使钢液中氢气析出；真空处理时，迅速提高真空度，使真空系统在6min内达到极限真空；真空处理时间大于10min，真空处理温度1550℃-1730℃。
更详细技术方案为：
所述向钢液中通入焦炉煤气或天然气，每吨钢焦炉煤气总通入量大于50标升，或每吨钢天然气的总通入量大于25标升。
进一步地，所述向钢中通入焦炉煤气或天然气，需在钢液真空脱氮和真空处理去除夹杂物前进行；
进一步地，所述向钢液中通入焦炉煤气或天然气，可通过钢包底部的透气系统向钢液吹入，通过现有的吹氩系统吹入；
进一步地，所述向钢液中通入焦炉煤气或天然气，也可在炼钢工序，通过转炉或电炉的底吹系统向钢液通入，也可通过电炉中浸入钢液的喷枪吹入，也可通过AOD的侧吹和顶吹系统吹入；
进一步地，所述向钢液中通入焦炉煤气或天然气，通入的焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量增加；
进一步地，所述向钢液中通入焦炉煤气或天然气，通入后钢液中氢含量需达到8×10-6以上；
进一步地，所述对该钢液进行真空处理，此处为对钢液进行脱氮、脱氢和去除夹杂物的真空处理，不包括钢液真空脱碳处理；
进一步地，所述该钢液进行真空处理，为RH处理，或VD处理，或VOD处理，真空处理时，真空室的真空度最终小于200Pa，真空室达到极限真空的时间小于6min；真空处理时间大于10min，真空处理温度1550℃-1730℃。
进一步地，真空处理过程中，氢气泡在夹杂物表面形核并长大，钢中形成大量细小气泡；
进一步地，氢气泡长大过程中，钢中氮向氢气泡内扩散，并和氢气泡一起上浮去除；
进一步地，上述钢中形成大量细小气泡，气泡携带夹杂物上浮，并在上浮过程中继续捕捉夹杂；
进一步地，钢中氮和夹杂物明显降低；同时钢中氢也被去除。
本发明的有益效果是：利用钢液中显微夹杂物作为钢中氢气泡析出时的异质形核核心，促进氢气泡在夹杂物表面形核；在钢中大量细小气泡，绝大部分尺寸小于1mm；这些大量细小气泡可发挥良好的脱氮和去除夹杂物功能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种在钢液中生成细小气泡的方法，首先向钢液中通入焦炉煤气或天然气。通入焦炉煤气或天然气的时机尽可安排在钢液脱氧前后，但必须安排在真空脱氮和真空脱夹杂物之前。因此，可吹氩站、或CAS处理站、或LF处理工位、或RH处理、VD或VOD处理工位，通过钢包底吹系统向钢包内钢液吹入焦炉煤气或天然气。
也可在转炉或电炉炼钢时通过转炉或电炉底部透气元件向钢液中通入焦炉煤气或天然气，也可通过电炉的浸入钢液的喷枪吹入。
也可在AOD精炼过程，通过AOD的顶吹和侧吹系统向钢液通入焦炉煤气或天然气。
为了保障后期在钢液中能形成大量细小气泡，通入钢液的焦炉煤气总量需大于50标升每吨钢，或通入天然气的总量大于25标升每吨钢。
焦炉煤气或天然气通入钢液后，将与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，具体反应主要有：
H2＝2[H]
CH4＝[C]+4[H]
为了使真空脱氮和真空去夹杂物处理时钢液中能形成大量细小气泡，真空处理前钢中氢含量需达到8×10-6以上。
在钢液真空脱氮和真空去夹杂物处理前，还需对钢液脱氧。脱氧根据钢种现实生产工艺的要求，可采用铝脱氧，也可以采用硅锰复合脱氧等工艺，本方法对脱氧方式没有特殊要求。
钢液脱氧后，钢中很快形成大量细微夹杂物，这些夹杂物可为真空处理时氢气泡在钢液内部析出提供异质形核核心，促进气泡的形成。
钢液吹入焦炉煤气或天然气并脱氧后，对钢液进行真空处理。真空处理可采用RH处理、VD或VOD设备处理。真空处理时，真空室的真空度最终要求小于200Pa。为了促进气泡的析出，并最终脱氮和脱氢，最终真空室压力越低越好，一般可控制真空室压力低于60Pa。
真空处理时，为了促进细小气泡在钢液内部的形成，需快速抽真空，要求真空室达到极限真空的时间小于6min。如果真空室压力下降太慢，氢将大量从钢液上表面向真空蒸发，使钢液中细小气泡难以形成，或形成的气泡少。
为了使钢中夹杂物、氮和氢均得到良好去除，真空处理时间需大于10min。实例1
采用转炉-LF处理-RH处理-连铸工艺流程生产轴承钢GCr15。转炉容量为100吨。
转炉出钢时出钢量为100吨。LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分工艺操作，LF处理出站前将钢包底吹氩改成底吹焦炉煤气，吹入量为5000标升，吹入流量为500标升每分钟。通入焦炉煤气后，钢中氢含量为8ppm。
RH处理时，极限真空度控制为60Pa，RH真空处理开始后3分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理10min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空室钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为5ppm，氮为50ppm，氢为1.0ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例2
采用转炉-LF处理-VD处理-连铸工艺流程生产轴承钢GCr15。转炉容量为100吨。
转炉出钢时出钢量为100吨。LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作，LF处理出站前将钢包底吹氩改成底吹天然气，吹入量为2500标升，吹入流量为500标升每分钟。通入天然气后，钢中氢含量为8ppm。
VD处理时，极限真空度控制为50Pa，VD真空处理开始后4分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理12min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空罐内钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为5ppm，氮为40ppm，氢为1.5ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例3
采用电炉-LF处理-VD处理-连铸工艺流程生产轴承钢GCr15。电炉容量为100吨。
电炉出钢时出钢量为100吨。LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作，LF处理出站前将钢包底吹氩改成底吹天然气，吹入量为5000标升，吹入流量为500标升每分钟。通入天然气后，钢中氢含量为12ppm。
VD处理时，极限真空度控制为40Pa，VD真空处理开始后4分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理15min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空罐内钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为4.5ppm，氮为55ppm，氢为1.8ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例4
采用转炉-LF处理-RH处理-连铸工艺流程生产帘线钢。转炉容量为150吨。
转炉出钢时出钢量为150吨。LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作，LF处理出站前将钢包底吹氩改成底吹焦炉煤气，吹入量为15000标升，吹入流量为750标升每分钟。通入焦炉煤气后，钢中氢含量为12ppm。
RH处理时，极限真空度控制为30Pa，RH真空处理开始后4分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理10min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空室钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为15ppm，氮为40ppm，氢为1.2ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例5
采用电炉-LF处理-VD处理-连铸工艺流程生产齿轮钢20CrMnTi。电炉容量为100吨。
电炉出钢时出钢量为100吨。LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作，LF处理出站前将钢包底吹氩改成底吹天然气，吹入量为6000标升，吹入流量为500标升每分钟。通入天然气后，钢中氢含量为13ppm。
VD处理时，极限真空度控制为40Pa，VD真空处理开始后4分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理15min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空罐内钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为10ppm，氮为40ppm，氢为1.8ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例6
采用转炉炉-LF处理-VD处理-连铸工艺流程生产齿轮钢20CrMnTi。转炉容量为100吨。
转炉冶炼出钢前，通过底吹系统向钢液吹入焦炉煤气，吹入量为20000标升，吹入流量为3000标升每分钟。通入天然气后，钢中氢含量为20ppm。出钢时出钢量为100吨。
LF精炼时进行脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作。
VD处理时，极限真空度控制为30Pa，VD真空处理开始后5分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理15min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空罐内钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为8ppm，氮为35ppm，氢为2.0ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。
实例7
采用转炉-AOD处理–VOD处理-连铸工艺流程生产不锈钢SUS 316L。转炉容量为50吨。
转炉出钢时出钢量为50吨。AOD精炼时进行脱碳、脱氧、脱硫、调整温度和成分等工艺操作，精炼结束前通过侧吹系统天然气，吹入量为3000标升，吹入流量为1500标升每分钟。通入天然气后，钢中氢含量为16ppm。
VOD处理时，对钢液进一步脱氧和去除夹杂物。极限真空度控制为123Pa，VOD真空处理开始后4分钟达到极限真空度，在极限真空度下处理15min，停止真空处理。真空处理过程中，钢中产生大量细小气泡，大部分气泡尺寸处于5μm-1mm，真空罐内钢液沸腾剧烈。真空处理后钢中氧含量为20ppm，氮为150ppm，氢为2ppm，钢中氮、氢和夹杂物都得到良好控制。

Claims (6)

1.一种在钢液中生成微小气泡的方法，其特征在于，包括：向钢液中通入焦炉煤气或天然气；焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8ppm以上；钢液精炼脱氧后，对该钢液进行真空处理，使钢中氢从钢液中析出，通过控制真空处理工艺，促进钢液中氢在钢液内部形成细小气泡析出，抑制氢从钢液上表面向真空蒸发析出；借助钢中非金属夹杂物，提供氢从钢液内部析出形成气泡的核心，降低氢气泡从钢液内部析出的形核自由能，促进氢气泡在钢液内部的形成。
2.根据权利要求1所述的在钢液中生成细小气泡的方法，其特征在于，所述方法具体为：
步骤1.在转炉或电炉中、经吹氩站、或CAS处理站、或LF处理工位、或AOD处理、或RH处理、VD或VOD处理工位、向钢液通入焦炉煤气或天然气；焦炉煤气或天然气与钢液相互作用，其中的氢组元溶解于钢液中，使钢液中氢含量达到8×10-6以上；
步骤2.脱氧后，在真空处理工位，包括RH处理、VD或VOD处理工位，对脱氧后钢液进行真空处理，使真空室真空度最终小于200Pa，使钢液中氢气析出；真空处理时，迅速提高真空度，使真空系统在6min内达到极限真空；真空处理时间大于10min，真空处理温度1550℃-1730℃。
3.根据权利要求1或2所述的在钢液中生成微小气泡的方法，其特征在于，通过转炉或电炉底部透气元件向钢液中通入焦炉煤气或天然气，或通过电炉的浸入钢液的喷枪吹入，或通过AOD侧吹或顶吹系统向钢液吹入，每吨钢通入大于50NL焦炉煤气，或每吨钢通入大于25NL天然气。
4.根据权利要求1或2所述的在钢液中生成微小气泡的方法，其特征在于，如在转炉、或电炉、或AOD冶炼工序没有向钢液中通入焦炉煤气或天然气，则在吹氩站、或CAS处理站、或LF处理工位、或RH处理、VD或VOD处理工位，通过钢包底吹系统，向钢液通入焦炉煤气或天然气；或者在VOD处理时，通过顶枪向钢液吹入焦炉煤气或天然气；每吨钢通入大于50NL焦炉煤气，或每吨钢通入大于25NL天然气。
5.根据权利要求1或2所述的在钢液中生成微小气泡的方法，其特征在于，钢液精炼脱氧后，对钢液进行真空处理，通过利用钢中细微夹杂物提供氢气泡析出时的形核核心，降低氢气泡从钢液内部析出的形核自由能，促进钢中氢在钢液内部形成细小气泡析出，抑制钢中氢从钢液上表面向真空析出；钢中夹杂物与钢液的润湿性越差，夹杂物尺寸越大，越有利于氢气泡形核。
6.根据权利要求1或2所述的在钢液中生成微小气泡的方法，其特征在于，钢中形成的气泡尺寸小于1mm，可显著促进钢液中氮和夹杂物的去除。
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