CN109234493A - 一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，通过在LF炉精炼及VD炉抽真空脱气阶段喷吹氮气并合理控制工艺参数，实现含氮钢生产过程的稳定增氮。该方法采用吹氮技术，完全取代氮合金增氮，降低了增氮成本，减少了喂丝设备稳定性对生产的影响。根据钢种氮含量要求，采用两种不同的控制工艺，实现在VD炉抽真空脱气处理后一次命中目标范围要求，提高含氮钢种的质量稳定性。同时，通过吹氮实现了氮、硫的窄范围控制，避免真空后续的钢水污染，提高了钢种的纯净度和品种质量。

Description

一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法

技术领域

本发明涉及一种炼钢方法，具体涉及一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法。

背景技术

氮对大多数钢种而言是有害元素，但在部分不锈钢、非调质钢以及一些高韧性结构钢中却是有益的合金元素。氮的性质与碳类似，是作为间隙原子的主要元素，这是由它较小的原子尺寸及电子层结构所决定的。他在钢中的作用主要是可以在轧后或镦后冷却过程中析出细小合金氮化物，达到弥散强化的目的。

增氮对炼钢过程来说是个难题，不同的冶炼装备和条件需要有与之相匹配的增氮工艺才能满足生产需要。目前，绝大多数钢铁企业采用的是通过在合适工序使用含氮合金或者含氮合金丝线的方式来实现增氮，这种方式增氮是比较有效的方式，但是也存在着弊端：1)含氮合金单价较为昂贵，氮的收得率不高并且生产过程中氮波动比较大；2)含氮合金丝线在生产现场使用过程中会由于喂丝机出口堵塞或者设备异常等诸多因素而无法及时调整钢水氮含量，因而，生产含氮钢过程中常常出现氮含量波动而导致钢水跟不上连浇而导致断浇现象，给生产带来很大的被动。随着品种质量的提升和用户对材料使用性能要求的提高，部分钢种采用老的方式增氮已经没有办法满足用户对材料纯净度的要求。因此，必须想办法创新，去寻求新的增氮工艺。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法。实现了全流程取代含氮合金增氮，保证含氮钢的含氮量。

技术方案：本发明所述的一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，工艺流程包括：LF炉精炼→VD炉抽真空脱气→连铸；步骤如下：

(1)LF炉精炼：

(1.1)对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，在钢包抵达LF工位时即通入氮气底搅，控制氮气流量为100～250L/min；精炼时间控制在45～120min，根据渣况加入活性石灰100～150kg，并采用高纯碳化硅扩散脱氧；精炼终点控制炉渣碱度范围3.5～7，按质量百分比计FeO≤1％，钢水成分中S≤0.008％；

对于冶炼含氮低于100ppm的钢种，在LF工位全程采用吹氩搅拌，控制氩气流量100～250L/min；精炼时间控制≥35min；根据渣况或S含量加入活性石灰，并使用高纯碳化硅扩散脱氧；

(1.2)送入VD工位前喂入纯钙棒包芯线100～150m，过热度控制在130℃～150℃，静搅至目标温度；

(2)VD炉抽真空脱气：

(2.1)对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，钢包进入真空罐时吹入氮气底搅，流量控制在100～150L/min；VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥20min；

对于冶炼含氮低于100ppm的钢种，钢包进入真空罐时吹入氮气底搅，流量控制在120～250L/min；VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥15min；

(2.2)破真空前将氮气切换为氩气直至静搅结束，静吹氩时间≥5min；

其中，所述步骤(1)中，对于冶炼含Alt钢，根据取样Alt含量，实时调整喂入铝线，使精炼结束Alt的质量百分比含量≥0.020％；其他元素按目标值调整。

所述步骤(1.1)中，对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，精炼终点控制炉渣碱度范围4～6。

所述步骤(2)中，控制VD炉的氮损失率≤40％，损失速率3～4ppm/min。

所述步骤(2.1)中，对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，达到目标真空度的时间控制在≤16min。

有益效果：该方法采用吹氮技术，完全取代氮合金增氮，降低了增氮成本，减少了喂丝设备稳定性对生产的影响。根据钢种氮含量要求，采用两种不同的控制工艺，实现在VD炉抽真空脱气处理后一次命中目标范围要求，提高含氮钢种的质量稳定性。同时，通过吹氮实现了氮、硫的窄范围控制，避免真空后续的钢水污染，提高了钢种的纯净度和品种质量。

具体实施方式

下面，结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例公开了一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，主要的工艺流程为EAF电炉初炼→偏心炉底出钢、脱氧合金化→LF炉精炼→VD炉抽真空脱气→连铸浇铸。在不改变目前设备及其布局的前提下，只需要将LF、VD工序的气体管道改造，使其满足氩气、氮气自由切换即可。通过管道向钢水中吹入氮气以实现增氮。向钢液吹氮时，钢液会激烈沸腾，提高钢液内氮的传质速度，一方面是合理控制钢液的搅拌强度，另一方面是控制钢液成分，提高氮的扩散系数。氮在钢液表面的吸附反应受温度、氧、硫等物质的影响。从熔池底部向钢液中吹入氮气，弥散的氮气泡会大大改善气体氮合金化的动力学条件，可更加明显地加快钢水的传质、传热，加快反应速度，另一方面使钢水温度和成分均更加匀。吹入的氮气靠动能推动钢水循环流动，所以氮气流量虽然不直接影响钢液吸氮速度，但它影响着钢液的搅拌功率和钢液中氮气泡的弥散程度，即可增大搅拌功率，提高氮气泡的弥散程度，氮气与钢液的界面也增大，从而提高传质系数，增加钢液的吸氮速率。

对于SAE5120、30MnVS、S45CVS、C38MnNS5(SY800)、48MnV等含氮要求100～200ppm的钢种，冶炼按如下要求进行：

在钢包抵达LF工位时即两路通入氮气底搅，控制氮气流量为100～250L/min，在电极供电稳定的提前下可根据钢水搅拌效果适当增减氮气流量。由于钢液吸氮为液相传质控制，液相传质系数受氧、硫含量影响较大，随着精炼过程氧、硫含量的降低，传质系数增大，钢液吸氮的阻力减小，提高了钢液的吸氮速率。

钢水的精炼时间控制在45～120min，根据前期渣况加入活性石灰100～150kg，并采用少量、多批次高纯碳化硅加入渣面扩散脱氧。

如果是含Alt钢，根据取样Alt含量，实时调整喂入铝线，使精炼后期Alt的重量百分比含量≥0.020％，并尽量满足进入VD前控制Alt在0.020％～0.040％；其它元素如Mn、Cr等元素按目标值调整，不需要预留空间。

精炼终点控制炉渣碱度范围3.5～7，按质量百分比计FeO≤1％，钢水成分中S≤0.008％。更进一步的，控制炉渣碱度范围在4～6，以提高成分命中率。

送入VD工位前喂入纯钙棒包芯线100～150m，过热度控制在130℃～150℃，静搅至合适的目标温度后吊包至VD炉。精炼处理阶段氮的转化速率在2.5～3.5ppm/min，每炉在精炼吊包前取终点渣样、氮样分析并记录。

VD真空脱气工序中，钢包进入真空罐时开始两路吹入氮气作为底搅，流量控制在100～150L/min。由于在高真空度时，氮气泡内的氮分压与钢液中高氮含量相平衡的氮分压相差很大，脱氮反应驱动力大，脱氮反应速度快，脱氮量大；使用氮气搅拌，虽然氮的分压也很低，但在脱氮的同时，也在不断的向钢液补充氮气，相比之下，使用氮气搅拌的脱氮量要比使用氩气搅拌的小很多，有利于提高VD处理后钢液的氮含量，总体测试该阶段氮在钢水中的含量会有一定的损失。控制VD炉的氮损失率≤40％，损失速率3～4ppm/min。

VD真空处理前取氮样分析，真空处理时，真空罐炉盖残渣应清理干净。保持VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥20min。进一步将达到目标真空度的时间控制≤16min，使其尽快进入高真空度状态。

破真空前2～3min将两路氮气切换为氩气，氩气静搅阶段流量控制在10～35L/min。此时可取样分析全成分。为防止出现皮下气孔，吊包浇铸前保证≥5min的静吹氩时间。

钢水真空处理总时长可根据钢种的含氮目标值、真空处理前氮值以及真空过程的氮损失率来调整。若VD处理结束后钢水浇铸温度不够，可以吊包返回LF炉进行升温处理。采用LF炉进行升温处理时，若氮含量不足，则通入氮气搅拌，氮气流量控制在50～100L/min。

对于20Cr～1、QB360等含氮要求低于100ppm的钢种，冶炼按如下要求进行：

在LF工位精炼全程采用吹氩搅拌，根据钢水的搅拌效果控制氩气流量100～250L/min。精炼时间控制≥35min；根据渣况或S含量加入活性石灰，并使用高纯碳化硅扩散脱氧。

如果是含Alt钢，根据取样Alt含量，实时调整喂入铝线，使精炼后期Alt的重量百分比含量≥0.020％，并尽量满足进入VD前控制Alt在0.020％～0.040％；其它元素如Mn、Cr等元素按目标值调整，不需要预留空间。

送入VD工位前喂入纯钙棒包芯线100～150m，过热度控制在130℃～150℃，静搅2～3min至合适的目标温度后吊包至VD炉。钢水进入VD真空位后，控制VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥15min。同时，把氩气改吹氮气底搅，流量控制在120～250L/min。这样，氮气进入钢水的转化效率可达1.5～2.5ppm/min；15min高真空保持时间达到后，在破真空前2～3min转化为氩气直至VD静搅结束后吊包。为防止出现皮下气孔，吊包浇铸前保证≥5分钟的静吹氩时间。在破真空后，及时取氮样分析，与此同时，根据钢种对[H]的要求，及时测定钢水含[H]值。如果取样分析的氮含量超标，可继续采用VD抽真空处理或者采取大流量氩气搅拌几分钟后重新取氮样分析直至氮含量达标。

Claims (10)

1.一种通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，工艺流程包括：LF炉精炼→VD炉抽真空脱气→连铸；步骤如下：

(1)LF炉精炼：

(1.1)对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，在钢包抵达LF工位时即通入氮气底搅，控制氮气流量为100～250L/min；精炼时间控制在45～120min，根据渣况加入活性石灰100～150kg，并采用高纯碳化硅扩散脱氧；精炼终点控制炉渣碱度范围3.5～7，按质量百分比计FeO≤1％，钢水成分中S≤0.008％；

对于冶炼含氮低于100ppm的钢种，在LF工位全程采用吹氩搅拌，控制氩气流量100～250L/min；精炼时间控制≥35min；根据渣况或S含量加入活性石灰，并使用高纯碳化硅扩散脱氧；

(1.2)送入VD工位前喂入纯钙棒包芯线100～150m，过热度控制在130℃～150℃，静搅至目标温度；

(2)VD炉抽真空脱气：

(2.1)对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，钢包进入真空罐时吹入氮气底搅，流量控制在100～150L/min；VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥20min；

对于冶炼含氮低于100ppm的钢种，钢包进入真空罐时吹入氮气底搅，流量控制在120～250L/min；VD炉真空度≤1mbar，保持时间≥15min；

(2.2)破真空前将氮气切换为氩气直至静搅结束，静吹氩时间≥5min。

2.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对于冶炼含Alt钢，根据取样Alt含量，实时调整喂入铝线，使精炼结束Alt的质量百分比含量≥0.020％；其他元素按目标值调整。

3.根据权利要求2所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，控制精炼结束Alt的质量百分比含量为0.020％～0.040％。

4.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中，对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，精炼终点控制炉渣碱度范围4～6。

5.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制VD炉的氮损失率≤40％，损失速率3～4ppm/min。

6.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中，对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，达到目标真空度的时间控制在≤16min。

7.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，所述步骤(2.2)中，破真空前2～3min将氮气切换为氩气，流量控制在10～35L/min。

8.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，对于冶炼含氮100～200ppm的钢种，当步骤(2)的处理结束后钢水浇铸温度不足，则采用LF炉进行升温处理。

9.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，采用LF炉进行升温处理时，若氮含量不足，则通入氮气搅拌，氮气流量控制在50～100L/min。

10.根据权利要求1所述的通过喷吹氮气稳定增氮的炼钢方法，其特征在于，对于冶炼含氮低于100ppm的钢种，当步骤(2)的处理结束后，取样分析若氮含量超标，继续采用VD炉抽真空脱气处理或者采取吹氩气搅拌直至氮含量达标。