CN109136467B - 硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，包括如下步骤：1)钢水经转炉吹炼出钢，出钢过程加入硅铁和锰铁进行脱氧合金化，根据出钢碳含量加入低氮碳粉，并加入终渣改质剂，出钢终点采用挡渣出钢；2)LF炉化渣升温后补加硅铁进行渣面脱氧，加入量为0.17～0.35kg/吨钢；加入石灰2～4kg/吨钢，造高碱度还原渣，渣中FeO+MnO≤2.0％，碱度≥2；3)根据精炼钢水成分调整合金，加入石英砂调整碱度≤1.2，化渣后软吹15～20min后，加入硼铁进行合金化；4)硼铁加入后吹氩搅拌至少5min，钢水离站。本发明通过在O、N均较稳定的精炼后期进行硼合金化，将钢中硼含量波动控制在6ppm以内，硼收得率提高15％，硼铁加入量减少30％。

Description

硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种钢水精炼过程中硼元素含量的控制方法，特别是指一种硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法。

背景技术

钢中B可溶于Fe，形成间隙式和置换式固熔体，同时与Fe、C、N、O等形成化合物，硼元素主要靠降低奥氏体相变核的成核率推迟相变，使钢的s曲线向右平移，提高钢的淬透性。加入0.001％的硼可以成倍提高钢材的淬透性。含硼钢中硼含量较低，若钢中硼含量过多，钢在热处理过程中易产生“硼相”，对钢的性能产生不利影响，因此，硼成份控制范围比较窄，大多控制在0.001％～0.0035％左右。

硼元素是一种非常活泼的金属元素，在炼钢的温度范围内，硼的氧化能力仅次于铝、钛、硅，与氧、氮能形成稳定的化合物，酸不溶硼的产生是由于炼钢时脱氧不足与固氮引起的，对钢的淬透性无益，又叫无效硼，其稳定性随温度的下降而增加。

传统工艺采用投入法添加硼铁合金，冶炼过程中易氧化烧损，收得率非常不稳定。钢水经转炉出钢至连铸平台浇注，钢中硼含量随着钢水精炼过程复杂的氧化还原反应而变化，通过定量加入硼铁无法准确控制钢水的硼含量。对于炼钢厂而言，相邻炉次间成分波动大将严重影响钢材的使用性能。

钢水在精炼过程造碱性渣或造酸性渣是由钢种特性来决定的，通过渣的碱度来控制钢水成分、夹杂等特性，两种不同的精炼处理方式导致精炼过程钢水的氧化性差异较大。铝脱氧钢或在精炼过程炉造碱性渣的钢种，因在精炼过程钢水氧化性低且较稳定，硼元素含量相对容易控制，已有多篇论文和专利进行报导。

中国专利申请CN201410722212.0公开了一种真空感应炉冶炼含硼钢时硼含量的精确控制方法，该方法使用碳粉进行初脱氧，使用铝进行终脱氧，加入硼铁后迅速浇钢，避免了冶炼过程中炉衬增硼。

中国专利申请CN201010033821.7公开了一种硼收得率高的含硼合金冶炼方法，该方法先在电炉内熔炼含硼合金，当合金的温度高于液相线温度以上180～230℃时，加入0.2％～0.5％的硅钙合金预脱氧，再加入0.12％～0.18％的铝终脱氧，然后加入0.2％～0.3％的钛铁固定金属溶液中的氮，最后将用铝板包裹严实的硼铁和钛铁一起加入金属液体中，当含硼合金的温度高于液相线温度以上200～260℃时，含硼合金液体出炉即可用于铸件或铸锭的浇注。

上述专利文献中，对于硼元素的控制涉及钢种均为含铝钢，方法为通过强脱氧元素铝平衡钢中氧，造高碱度、还原性炉渣，使得钢水氧化性稳定在极低水平(一般定氧氧活度在10ppm以下)。但对于酸性渣精炼的钢水，钢水氧化性偏高，熔渣氧化性和流动性不如碱性渣，导致精炼过程准确硼元素含量控制不稳定，波动较大。

硼铁中硼含量不高，且价格高，因此，寻找一种合理的硼元素控制方法既可以降低成本，又能稳定产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，以实现酸性渣钢水精炼过程中硼元素含量的稳定控制。

为实现上述目的，本发明所提供的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，包括如下步骤：

1)钢水经转炉吹炼出钢，出钢过程加入硅铁(Si＝74％～80％)和锰铁(Mn>97％)进行脱氧合金化，根据出钢碳含量加入低氮碳粉，并加入终渣改质剂(主要成分为CaO)覆盖钢水表面并降低钢渣氧化性，出钢终点采用挡渣出钢；低氮碳粉用于控制钢水碳含量，同时控制钢水增氮；终渣改质剂可覆盖钢水表面并降低钢渣氧化性；

2)LF炉化渣升温后补加硅铁进行渣面脱氧，加入量为0.17～0.35kg/吨钢；加入石灰2～4kg/吨钢，造高碱度还原渣，渣中FeO+MnO≤2.0％，碱度：1.5～4.0(优选为2.0～3.0)；精炼前期补加硅铁进行渣面脱氧，造高碱度还原渣，目的是控制钢渣氧化性的稳定性；

3)根据精炼钢水成分调整合金(所加合金由钢产品元素含量要求而定)，加入石英砂，调整碱度≤1.2(即造酸性渣)，化渣后进行软吹；软吹15～20min后，加入硼铁进行合金化；精炼中期添加石英砂降低熔渣碱度，以满足钢种特性要求，软吹促进夹杂物改性后，钢水、熔渣的氧化性以及钢中氮含量均趋于稳定，再进行硼合金化有利于稳定硼收得率；

4)硼铁加入后吹氩搅拌至少5min，钢水离站。

工艺原理：B可与N、O反应生成化合物，为保证钢中酸溶硼的含量，应尽量减少钢中的N、O含量。结合钢厂实际生产，控制钢水氮含量已有成熟经验，在此不作赘述，重点分析B与O的反应。对脱氧反应ΔG⁰-T进行计算，比较钢中主要脱氧元素在1600℃时的氧化行为，可以得出，脱氧能力依次为Al>Ti>Si>B>Mn。本发明所涉及钢种精炼过程采用酸性渣，属于硅脱氧钢，理论上不存在B的氧化物，但对钢中自由氧活度进行测定，在25-35ppm之间，远高于铝脱氧钢中的氧活度，因此，存在硅、硼竞争氧化反应。在整个炼钢过程，自由氧含量先降低，再升高，最后趋于稳定。由于所涉及钢种不能采用强脱氧元素将钢中氧脱至极低水平(<10ppm)，因此在精炼过程不可避免产生硼的损耗。如硼铁过早加入，硼会发生三个方面的氧化损耗：1)钢水吹氩搅拌使与空气接触；2)钢、渣界面的氧化反应；3)钢水内部的硼氧反应，且规律不确定。因此选择在软吹阶段调整硼含量。

步骤2)～4)中，在LF炉精炼过程中，氩气氩花直径全程控制在50cm以下，以减少空气中的N、O进入钢水，导致钢水中硼元素烧损。

优选地，所述步骤1)中，低氮碳粉的含氮量≤200ppm，加入量为5～12kg/吨钢，终渣改质剂的加入量为2.5～3.5kg/吨钢。

优选地，所述步骤1)中，出钢过程钢水罐全程底吹氩，出钢完毕后吹氩5～8min，氩花直径50～100cm。

优选地，所述步骤2)中，化渣采取长弧流档位，化渣3～5min后调至短弧流档位加热，化渣与加热期间采用埋弧操作，加热过程中氩花直径控制在30～50cm；硅铁在加热10～15min后(不计化渣时间)补加，硅铁粒径≤25mm。该方案在LF炉加热前期长弧化渣，埋弧操作，控制过程氩气，以减少钢水吸氮。

优选地，所述步骤3)中，硼铁加入比例＝(目标硼含量-初始硼含量)/(硼铁含硼量*硼收得率)，其中硼铁加入比例、目标硼含量、初始硼含量均为相对于钢水的质量比例(单位需要一致，均为ppm或kg/吨钢)，硼铁含硼量为质量百分含量，硼收得率按55％～65％计算。

优选地，开浇炉因中包氧化性偏高导致硼含量损失，在计算硼铁加入比例时，目标硼含量需加上2～6ppm进行计算。

优选地，所述步骤3)中，加入硼铁前，钢水中O≤25ppm，N≤40ppm。

优选地，所述步骤3)中，石英砂加入量为3.4～4.5kg/吨钢。

优选地，所述步骤3)和4)的软吹合计时间不小于20min，氩花直径10～30cm。

优选地，所述步骤4)中，钢水离站时取渣样，熔渣碱度在0.8～1.2，FeO+MnO≤3.0％。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)通过出钢造渣、使用低氮碳粉等，可将氮含量控制在40ppm以下，减少了与硼反应的几率；

2)钢水从出钢开始到精炼结束，钢与渣中氧化性的变化规律为先降低再缓慢升高，通过在精炼前期造高碱度还原渣，使得钢、渣氧化性降低并趋于一致，减少了波动；

3)LF炉精炼全程氩气氩花直径<50cm，减少了钢水中硼元素与空气烧损；

4)在O、N均较稳定的精炼后期进行硼合金化，钢中硼含量波动可控制在6ppm以内，硼收得率提高约15％，硼铁加入量减少约30％。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例所提供的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，包括如下步骤：

1)开浇炉，转炉吹炼完毕出钢，出钢至约1/3时，加入硅铁3kg/t(每吨钢水加入量，下同)，锰铁4.3kg/t，后加入低氮碳粉8.3kg/t，终渣改质剂2.6kg/t，采用滑板挡渣出钢，吹氩6min后离站，氩花直径约70cm；

2)LF炉到站接氩带，调节氩花至30～50cm，下电极长弧流化渣，5min后调至短弧流档位升温，12min后测温取样，渣面撒小颗粒硅铁(粒径≤25mm)0.348kg/吨钢，继续加热，加热过程加入2.5kg/t石灰，取渣样化验结果：碱度1.8，FeO：1.23％，MnO：0.65％；

3)根据精炼钢水成分调整合金，根据生产节奏进行造酸性渣，加入石英砂4kg/t，使用电极长弧化渣，渣化透后进行软吹，调低氩气流量，氩花直径<30cm，取第二组样。软吹18min定氧，定氧活度22ppm，氮含量：36ppm，初始硼6ppm，加入硼铁比例＝(目标硼含量-初始硼含量)/(硼铁含硼量*硼收得率)＝(17ppm-6ppm)/(19％*55％)＝105ppm＝0.105kg/t。

4)继续软吹8min后，离站上连铸机浇注。离站实际钢中硼含量18ppm，收得率60％，熔渣碱度0.86，FeO：1.68％，MnO：1.3％。

实施例2

本实施例所提供的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，包括如下步骤：

1)连浇炉，转炉吹炼完毕出钢，出钢至约1/3时，加入硅铁3kg/t，锰铁4.3kg/t，后加入低氮碳粉9.2kg/t，终渣改质剂3.5kg/t，采用滑板挡渣出钢，吹氩7min后离站，氩花直径约80cm；

2)LF炉到站接氩带，调节氩花至30～50cm，下电极长弧流化渣，4min后调至短弧流档位升温，15min后测温取样，渣面撒小颗粒硅铁(粒径≤25mm)0.25kg/吨钢，继续加热，加热过程加入2.5kg/t石灰，取渣样化验结果：碱度2.6，FeO：1.19％，MnO：0.59％。

3)根据精炼钢水成分调整合金，根据生产节奏进行造酸性渣，加入石英砂4.3kg/t，使用电极长弧化渣，渣化透后进行软吹，调低氩气流量，氩花直径<30cm，取第二组样。软吹15min定氧，定氧活度21ppm，氮含量：38ppm，初始硼5ppm，加入硼铁比例＝(目标硼含量-初始硼含量)/(硼铁含硼量*硼收得率)＝(14ppm-5ppm)/(19％*55％)＝86ppm＝0.086kg/t。

4)继续软吹6min后，离站上连铸机浇注。离站钢中硼含量15ppm，收得率61％，熔渣碱度0.93，FeO：1.56％，MnO：1.13％。

实施例3

本实施例所提供的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，包括如下步骤：

1)连浇炉，转炉吹炼完毕出钢，出钢至约1/3时，加入硅铁3kg/t，锰铁4.3kg/t，后加入低氮碳粉5.2kg/t，终渣改质剂2.6kg/t，采用滑板挡渣出钢，吹氩5min后离站，氩花直径约70cm；

2)LF炉到站接氩带，调节氩花至30～50cm，下电极长弧流化渣，4min后调至短弧流档位升温，10min后测温取样，渣面撒小颗粒硅铁(粒径≤25mm)0.20kg/吨钢，继续加热，加热过程加入3.5kg/t石灰，取渣样化验结果：碱度2.1，FeO：1.19％，MnO：0.59％。

3)根据精炼钢水成分调整合金，根据生产节奏进行造酸性渣，加入石英砂3.5kg/t，使用电极长弧化渣，渣化透后进行软吹，调低氩气流量，氩花直径<30cm，取第二组样。软吹15min定氧，定氧活度24ppm，氮含量：38ppm，初始硼4ppm，加入硼铁比例＝(目标硼含量-初始硼含量)/(硼铁含硼量*硼收得率)＝(14ppm-4ppm)/(19％*62％)＝85ppm＝0.085kg/t。

4)继续软吹5min后，离站上连铸机浇注。离站钢中硼含量13ppm，收得率55.8％，熔渣碱度0.93，FeO：1.56％，MnO：1.13％。

通过以上实施例可以看出，按本发明实施后，钢中实际硼含量控制在预期范围内，与目标硼含量偏差很小，硼收得率达到55％以上。

Claims (10)

1.一种硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)钢水经转炉吹炼出钢，出钢过程加入硅铁和锰铁进行脱氧合金化，根据出钢碳含量加入低氮碳粉，并加入终渣改质剂，出钢终点采用挡渣出钢；

2)LF炉化渣升温后补加硅铁进行渣面脱氧，加入量为0.17～0.35kg/吨钢；加入石灰2～4kg/吨钢，造高碱度还原渣，渣中FeO+MnO≤2.0％，碱度：1.5～4.0；

3)根据精炼钢水成分调整合金，加入石英砂，调整碱度≤1.2，化渣后进行软吹；软吹15～20min后，加入硼铁进行合金化，

4)硼铁加入后吹氩搅拌至少5min，钢水离站；

步骤2)～4)中，在LF炉精炼过程中，氩气氩花直径全程控制在50cm以下。

2.根据权利要求1所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，低氮碳粉的含氮量≤200ppm，加入量为5～12kg/吨钢，终渣改质剂的加入量为2.5～3.5kg/吨钢。

3.根据权利要求1所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，出钢过程钢水罐全程底吹氩，出钢完毕吹氩5～8min，氩花直径50～100cm。

4.根据权利要求1所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，化渣采取长弧流档位，化渣3～5min后调至短弧流档位加热，加热过程中氩花直径控制在30～50cm；硅铁在加热10～15min后补加，硅铁粒径≤25mm。

5.根据权利要求1所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，硼铁加入比例＝(目标硼含量-初始硼含量)/(硼铁含硼量*硼收得率)，其中硼铁加入比例、目标硼含量、初始硼含量均为相对于钢水的质量比例，硼铁含硼量为质量百分含量，硼收得率按55％～65％计算。

6.根据权利要求5所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：开浇炉在计算硼铁加入比例时，目标硼含量需加上2～6ppm进行计算。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，加入硼铁前，钢水中O≤25ppm，N≤40ppm。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，石英砂加入量为3.4～4.5kg/吨钢。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤3)和4)的软吹合计时间不小于20min，氩花直径10～30cm。

10.根据权利要求1～6中任一项所述的硅脱氧钢造酸性渣精炼过程中硼元素含量的控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，钢水离站时取渣样，熔渣碱度在0.8～1.2，FeO+MnO≤3.0％。