CN108330242A - 一种利用co2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于转炉炼钢质量控制领域，涉及一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮、改善冶炼后期脱氮动力学条件的炼钢方法，具体是一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，该方法在转炉冶炼后期的顶吹氧气中混入CO2气体，在控制CO2喷吹总量的前提下，顶吹气流中CO2的混入比例随时间线性增加，逐渐降低转炉炼钢火点区温度，提高表面活性元素氧和硫的表面活性，阻碍氮的吸入，同时弥补因脱碳速率降低而导致的气泡产生量减少，改善脱氮条件。本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，本发明可将转炉炼钢终点氮含量稳定控制在13ppm以内。

Description

一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法
技术领域
本发明属于转炉炼钢质量控制领域，主要涉及一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法。
背景技术
随着市场对钢材质量的要求日益严苛，钢水氮含量的控制问题正引起广泛关注。目前的转炉炼钢过程，通常采用顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气体搅拌的冶炼方式，即使在冶炼后期将底吹氮气切换为底吹氩气，终点钢水氮含量仍普遍高于30ppm，说明现有的转炉吹炼方法难以有效地控制终点氮含量。
钢水中的氧和硫是表面活性元素，通常富集于气液界面处，可以阻碍氮在气液界面处的传质，但是氧和硫的表面活性随温度的升高而降低。顶吹超音速氧气射流冲击金属熔池，形成2500℃左右的高温火点区，在如此高的温度下，表面活性元素氧和硫的表面活性基本消失，难以有效地占据气液界面，氧和硫对钢水吸氮的阻碍作用基本丧失，而转炉顶吹用氧气中仍含有少量的氮气，在高温火点区，顶吹氧气射流中的氮极易溶于钢水，导致钢水吸氮。
在转炉冶炼的中期，虽然火点区温度较高，但由于该阶段脱碳反应剧烈，产生大量的CO气泡，可有效吸附钢水中的氮，并将其脱除；然而，进入冶炼后期，随着碳含量的降低，脱碳速率下降，气泡产生量减少，而火点区温度逐渐升高，此时脱氮条件逐渐恶化，吸氮条件极佳，导致转炉冶炼后期的钢水氮含量呈上升趋势。
因此，如何在转炉冶炼后期抑制火点区吸氮，并适当增加气泡产生量，是转炉炼钢过程控制终点钢水氮含量的关键技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可以降低转炉火点区温度，提高氧和硫表面活性，从而抑制火点区吸氮，同时适当增加冶炼后期的气泡产生量，改善脱氮的炼钢方法。
本发明的技术原理是：(1)在炼钢温度下CO2与Fe、C反应均为吸热反应，与O2混合后作为顶吹气体可以降低火点区温度；(2)在转炉冶炼后期碳含量低时，大量的O2和Fe反应生成FeO，该反应不会生成气泡，而CO2无论是和C反应，还是和Fe反应，都可以生成气泡，与O2混合喷吹可以增加冶炼后期的气泡产生量；(3)转炉没有外部能量来源，而CO2与Fe、C等元素的反应为吸热反应，喷吹CO2将减少转炉的富余热量，为了满足转炉出钢温度要求，必须控制CO2的喷吹总量，转炉冶炼后期，随着碳含量的减少，脱碳速率逐渐下降，气泡产生量逐渐减少，火点区温度逐渐升高，因此应在控制CO2喷吹总量的前提下，逐渐提高CO2的混入比例，以达到最佳的脱氮效果。
本发明的技术方案是：转炉冶炼后期，在顶吹氧气中混入CO2气体，在限制CO2喷吹总量的前提下，顶吹气流中CO2的混入比例随时间线性增加，CO2混入比例由0逐渐增加至20～100％，通过逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，使转炉炼钢火点区温度由2300～2700℃逐渐下降至1500～2200℃，显著增加表面活性元素氧和硫的表面活性，阻碍顶吹气流中的氮进入钢水，有效地抑制转炉炼钢火点区吸氮，而且冶炼后期逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，可以弥补因脱碳速率降低而导致的气泡产生量减少，改善脱氮条件，终点钢水氮含量可稳定控制在13ppm以内；
所述顶吹气流中CO2的混入比例Φ随时间t的变化由下式计算：
其中：Φ为顶吹气流中CO2的混入比例，QT为顶吹气流的总流量，V为冶炼后期CO2喷吹总量，τ为冶炼后期的持续时间，t为时间，所述方法以冶炼后期的起始时间为时间零点。
所述方法通过采集转炉入炉的炉料信息、冶炼过程的加料信息和冶炼过程的喷吹信息，实时计算转炉炉内的富余热量，并基于炉内富余热量计算所述的冶炼后期CO2喷吹总量。
所述顶吹气流为氧气和CO2气体的混合气，通过顶吹氧枪喷入转炉。
所述方法使用的CO2气体中N2含量不高于1％。
本发明的有益效果是：通过在转炉冶炼后期的顶吹氧气中混入CO2气体，并在控制CO2喷吹总量的前提下，逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，使转炉炼钢火点区温度由2300～2700℃逐渐下降至1500～2200℃，显著增加表面活性元素氧和硫的表面活性，阻碍顶吹气流中的氮进入钢水，有效地抑制转炉炼钢火点区吸氮；冶炼后期逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，可以弥补因脱碳速率降低而导致的气泡产生量减少，改善脱氮条件；本发明可以在转炉冶炼后期抑制钢水吸氮和改善钢水脱氮，从而实现转炉炼钢终点氮含量的控制，高效低成本地降低出钢钢水氮含量，终点钢水氮含量可稳定控制在13ppm以内。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，所述方法具体步骤为：
转炉冶炼后期，基于炉内富余热量计算所述的冶炼后期CO2喷吹总量，在顶吹氧气中混入CO2气体，以冶炼后期的起始时间为时间零点，顶吹气流中CO2的混入比例随时间线性增加，O2混入比例由0逐渐增加，至冶炼终点时达到最大值，通过逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，使转炉炼钢火点区温度由2300～2700℃逐渐下降至1500～2200℃，显著增强表面活性元素氧和硫的表面活性，阻碍顶吹气流中的氮进入钢水，有效地抑制转炉炼钢火点区吸氮，而且冶炼后期逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，以弥补因脱碳速率降低而导致的气泡产生量减少，改善脱氮条件，终点钢水氮含量可稳定控制在13ppm以内。
所述顶吹气流中CO2的混入比例Φ随时间t的变化由下式计算：
其中：Φ为顶吹气流中CO2的混入比例，QT为顶吹气流的总流量，V为冶炼后期CO2喷吹总量，τ为冶炼后期的持续时间，t为时间。
所述转炉炉内的富余热量通过采集转炉入炉的炉料信息、冶炼过程的加料信息和冶炼过程的喷吹信息，实时计算转炉炉内的富余热量。
所述顶吹气流为氧气和CO2气体的混合气，通过顶吹氧枪喷入转炉。
所述CO2气体中N2含量不高于1％。
实施例1
本发明应用在100吨顶底复吹转炉上。采用四孔超音速氧枪将O2-CO2混合气喷入转炉内，顶吹流量为20000～23000Nm3/h。为了保证富余热量、更多地喷吹CO2，从而达到更好的脱氮效果，该转炉冶炼过程中严格控制冷却剂加入量，吨钢冷却剂加入量不超过20kg/t。
在转炉冶炼后期，由于冷料加入量少，且前、中期均未喷吹CO2，炉内富余热量较多，吨钢的CO2喷吹总量控制在5～6Nm3/t，冶炼后期持续时间约为4min；顶吹气流的总流量基本保持23000Nm3/h，顶吹气流中CO2的流量从0逐渐增加至15000～18000Nm3/h，即顶吹气流中CO2的混入比例从0逐渐增加至65％～78％。
实施结果表明：100吨顶底复吹转炉采用本发明的方法后，终点氮含量可稳定控制在11ppm以内，较传统吹炼方式平均降低22ppm。
实施例2
本发明应用在300吨顶底复吹转炉上。采用六孔超音速氧枪将O2-CO2混合气喷入转炉内，顶吹流量为60000～65000Nm3/h。该转炉的为了改善脱磷效果，在冶炼前期通过顶吹氧枪向炉内喷吹O2-CO2混合气，底吹CO2。
在转炉冶炼后期，由于冶炼前期已喷入部分CO2，根据富余热量计算，冶炼后期允许喷入的CO2总量为2～3Nm3/t，冶炼后期持续时间约为4.5min；顶吹气流的总流量基本保持65000Nm3/h，顶吹气流中CO2的流量从0逐渐增加至16000～24000Nm3/h，即顶吹气流中CO2的混入比例从0逐渐增加至25％～37％。
实施结果表明：300吨顶底复吹转炉采用本发明的方法后，终点氮含量可稳定控制在13ppm以内，较常规工艺平均降低19ppm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果做了定量的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，其特征在于，所述方法具体步骤为：
转炉冶炼后期，基于炉内富余热量计算所述的冶炼后期CO2喷吹总量，在顶吹氧气中混入CO2气体，以冶炼后期的起始时间为时间零点，顶吹气流中CO2的混入比例随时间线性增加，CO2混入比例由0逐渐增加，至冶炼终点时达到最大值，通过逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，使转炉炼钢火点区温度由2300～2700℃逐渐下降至1500～2200℃，显著增强表面活性元素氧和硫的表面活性，阻碍顶吹气流中的氮进入钢水，有效地抑制转炉炼钢火点区吸氮，而且冶炼后期逐渐增加顶吹气流中CO2的混入比例，弥补因脱碳速率降低而导致的气泡产生量减少，改善脱氮条件，终点钢水氮含量可稳定控制在13ppm以内。
2.根据权利要求1所述的一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，其特征在于，所述顶吹气流中CO2的混入比例Φ随时间t的变化由下式计算：
其中：Φ为顶吹气流中CO2的混入比例，QT为顶吹气流的总流量，V为冶炼后期CO2喷吹总量，τ为冶炼后期的持续时间，t为时间。
3.根据权利要求1所述的一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，其特征在于，所述转炉炉内的富余热量通过采集转炉入炉的炉料信息、冶炼过程的加料信息和冶炼过程的喷吹信息，实时计算转炉炉内的富余热量。
4.根据权利要求1所述的一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，其特征在于，所述顶吹气流为氧气和CO2气体的混合气，通过顶吹氧枪喷入转炉。
5.根据权利要求1所述的一种利用CO2抑制转炉炼钢火点区吸氮的方法，其特征在于，所述CO2气体中N2含量不高于1％。
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