CN115595397A

CN115595397A - 一种含氮高强钢的精准控氮方法

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Publication number: CN115595397A
Application number: CN202211262945.1A
Authority: CN
Inventors: 李萍; 周昊; 李四军; 刘俊宝; 李少帅; 王建立; 邹春锋; 赵璐; 付常伟; 胡滨; 郝帅; 杜金科; 石红燕
Original assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2042-10-14
Also published as: CN115595397B

Abstract

本发明属于冶金技术领域，本发明提供一种含氮高强钢的精准控氮方法，包括以下步骤：(1)转炉：转炉冶炼过程中采用底吹氮气转炉出钢过程中先添加脱氧剂，再添加增氮剂；(2)LF精炼：钢液进入所述LF精炼炉内，LF炉采用氮/氩交替喷吹模式，LF前中期采用底吹氮气，白渣精炼结束后取样测定钢中氮含量，并通过喂入氮线精确控制氮含量，同时底吹切换为氩气；(3)连铸：连铸过程采用气体保护浇注，结合LF出站时钢液氮含量控制切换保护气种类。本发明通过精准控制转炉冶炼温度、转炉终点碳、氧含量，增氮剂添加量，精炼渣成分等多途径控氮，可有效解决钢中氮含量不稳定的问题，实现含V和Cr的高强含氮钢的精准控氮。

Description

一种含氮高强钢的精准控氮方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种转炉和LF精炼工艺中含氮高强钢的精准控氮的方法。

背景技术

氮作为钢中重要元素之一，对钢材性能有重要影响，可促进奥氏体区V(C,N)的析出，为亚微米析出相提供非均匀形核中心等有益作用，因此精准控制钢中氮含量有利于提高含氮钢的综合力学性能。

目前针对含氮钢的冶炼工艺主要包含：用转炉冶炼预处理后的铁水，钢液在精炼炉中经过搅拌、渣洗、加热、真空、喷吹等手段后加入含氮合金，或通过钢包底吹氮气控制氮含量，基本能满足目前含氮钢中氮含量的控制。但真空处理后钢液纯净度较高，加入增氮材料将会二次氧化污染钢液；仅依靠底吹氮气，难以实现氮含量稳定控制，处理周期长，影响炼钢效率。

申请公布号为CN 104962683 A的中国专利公开了一种含氮钢的冶炼方法，包含电炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空处理和浇注过程，通过在VD炉真空处理过程中底吹氮气搅拌钢液，真空处理结束后，底吹氮气至钢液达到浇注温度，吊包浇注。能实现氮含量为0.010％～0.030％的含氮钢生产，但此法底吹氮气的控氮效果不稳定。

申请公布号为CN 103320577 A的中国专利公开了一种真空循环脱气炉生产汽车面板控碳控氧的方法，通过在RH炉内采用四级真空泵抽真空，并选用氮气作为循环气体使钢液增氮，7-9min后定氧；抽真空15-16min后再次定氧，按脱碳终点氧值加脱氧铝；再按2.8-3.0kg/吨钢比例加入低碳锰铁，不足碳用金属锰调至目标碳含量；净循环期间，将提升气体由自动改为手动，将氩气切换成氮气。根据氩站检测的样氮成分和总氮量，按吹氮50-60s增加氮含量0.0003％调整；吹氮结束，将提升气体改回自动。本发明RH处理结束搬出碳成分在0.0024-0.0026％，氮成分为0.0022-0.0025％；成品碳成分控制在0.0025-0.0030％，氮控制在0.0024-0.0029％，使汽车面板的性能得到极大提高，交货率明显上升。该工艺可实现氮含量为0.0023-0.0024％的含氮钢控制，不适用于氮含量为0.01％～0.015％的含氮高强钢的精准控制。

申请公布号为CN 101168817 A的中国专利公开了一种含氮纯净钢的增氮方法，在含氮纯净钢钢液二次精炼末期，采用钢包底吹氮气进行钢液增氮，吹氮结束后，向钢液吹入氩气，对钢液进行清洗。该工艺在精炼末期进行钢液增氮方法处理时间较长且不稳定，不利于铸坯的稳定生产。

申请公布号为CN 103451350 A的中国专利公开了一种控制钢水中氮含量的方法，采用顶底复合吹氮的供气模式使钢中氮含量控制在100～230ppm间，其中，不同的顶底复吹供气模式包括吹炼开始后先采用顶吹氧同时底吹氮气的供气模式，当转炉顶吹氧气的吹氧量达到整个转炉冶炼过程中吹氧总量的90％时，采用顶底复合吹氮的供气模式至吹炼结束；在转炉出钢过程中转炉底吹氮气，同时在转炉出钢前就开始对钢包底吹氮气，该工艺同时需加入脱氧剂使钢包中氧活度降到10ppm以下，对脱氧剂要求加入量过大，生产成本有所增加，适合生产氧含量较低的钢种，不适用于含氮高强钢的生产。

申请公布号为CN 110628988 A的中国专利公开了一种含氮钢的冶炼方法，含氮钢的氮含量为80～200ppm，其工艺路线为：电炉—LF精炼—RH—连铸；电炉采用转炉；连铸采用模铸。RH真空全过程采用氮气作为提升气体，氮气压力为1.0～2.0MPa。通过氮气强度的精确控制实现钢液增氮的效果。与钢水充分接触，形成有效的循环，钢水的流场更加稳定；钢水的平衡氮含量远远超过80ppm，真空过程中使用氮气作为提升气体，增氮与真空脱氮的平衡随着钢水氮含量的提高逐步平稳，30～300mbar的真空度下钢水氮含量无法超过钢种的判钢要求，避免了氮含量超标带来的损失。但该工艺复杂不易操作，且真空后通气容易造成钢液吸氢，造成钢液氢超标，不适用于含氮钢的广泛应用。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供了一种含氮高强钢的精准控氮方法。该方法在转炉冶炼过程中采用底吹氮，出钢过程中先添加脱氧剂，再添加增氮剂；LF精炼炉采用氮/氩交替喷吹模式，精炼初期配加发泡剂；连铸过程保护气采用氮/氩切换控制。具有冶炼工艺简单、成本低廉，提高金属收得率，同时可精准控制钢中氮含量等优点。

本发明提供一种含氮高强钢的精准控氮方法，包括以下步骤：

(1)转炉：转炉冶炼过程中采用底吹氮气转炉出钢过程中先添加脱氧剂，再添加增氮剂；

(2)LF精炼：钢液进入所述LF精炼炉内，LF炉采用氮/氩交替喷吹模式，LF前中期采用底吹氮气，白渣精炼结束后取样测定钢中氮含量，并通过喂入氮线精确控制氮含量，同时底吹切换为氩气；

(3)连铸：连铸过程采用气体保护浇注，结合LF出站时钢液氮含量控制切换保护气种类。

作为优选，所述步骤(1)中，增氮剂包括氮化钒铁、钒氮合金和氮化铬铁中一种或多种组合；在转炉出钢1/5～1/4时，先加入脱氧剂，并在出钢约2/5～3/5时，开始添加增氮剂，并在出钢末期加完增氮剂和微合金调整。

作为优选，所述步骤(1)中，所述增氮剂加入量可用下式表示：

A＝(w_a-w_s)×1000×m/(w_N×S)

式中，A为增氮剂的加入量；w_s为钢液初始氮含量；w_N为增氮剂中氮含量；m为转炉出钢质量；S为增氮剂的收得率；w_a为钢种氮含量下限值a及低于下限10ppm(a-10ppm)之间的范围值，转炉出钢氮含量控制在(a-10pm)～a范围内。

作为优选，所述步骤(1)中，预处理后的铁水兑入转炉内进行碳氧反应，在所述转炉冶炼过程中底吹氮气的强度为0.03～0.30Nm³/min/t；转炉终点碳含量稳定控制在0.06％～0.12％，终点氧含量控制为0.020％～0.040％，转炉出钢温度控制为1620～1640℃范围内。

作为优选，所述步骤(1)中，所述脱氧剂为常用脱氧剂，例如有硅铁、锰铁、铝铁、铝锰铁、硅钙合金、硅锰合金等。

作为优选，所述步骤(2)中，LF前中期采用底吹氮气，破壳阶段喷吹氮气强度为6.5～8NL/min/t，送电加热期间喷吹氮气强度为2～2.5NL/min/t，合金化期间喷吹氮气强度为2.5～3NL/min/t，喷出氩气的强度为1～1.67NL/min/t。

作为优选，所述步骤(2)中，在精炼开始配加发泡剂，造白渣精炼阶段通过电极加热调整钢液温度。

作为优选，所述步骤(2)中，发泡剂加入量为1～3kg/t钢，所述发泡剂为CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃的组合，CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃比例为(10～13):

(4～5):3。

作为优选，所述步骤(2)中，精炼出站温度控制为1550～1565℃，精炼渣成分满足CaO(40％～49％)-SiO₂(20％～25％)-Al₂O₃(8％～10％)-MgO(5％～7％)-CaF₂(8％～14％)-BaO(5％～6％)-V₂O₅(2％～3％)-MnO+FeO(＜1.0％)，渣系氮容量为9×10^-14～1.8×10^-13。

作为优选，所述步骤(3)中，连铸过程长水口、浸入式水口和钢包上部均采用气体保护浇注。

作为优选，所述步骤(3)中，LF出站时钢液氮含量控制切换保护气体种类，若氮含量偏下限，则采用氮封保护浇注增氮；若氮含量偏中限以及以上，则采用氩封保护浇注。

本发明提供了一种精准控制钢中氮含量的方法，所述方法包括以下步骤：

本发明的工艺路线为：转炉-LF精炼-连铸。在转炉冶炼过程全程采用底吹氮气，强度为0.03～0.30Nm³/min/t；在转炉出钢初期1/5～1/4时，先加入脱氧剂，并在出钢约2/5～3/5时开始添加增氮剂，所述增氮剂为氮化钒铁、钒氮合金和氮化铬铁中一种或多种组合，所述增氮剂添加量按A＝(w_a-w_s)×1000×m/(w_N×S)计算确定；转炉终点碳含量稳定控制在0.06％～0.12％，终点氧含量控制为0.020％～0.040％，转炉出钢温度控制为1620～1640℃范围内。LF炉采用氮/氩交替喷吹模式，LF前中期采用底吹氮气，白渣精炼结束后取样测定钢中氮含量，并通过喂入氮线精确控制氮含量，同时底吹切换为氩气；在精炼过程中配加发泡剂，发泡剂为CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃的组合，加入量为1～3kg/t钢；精炼渣成分满足CaO(40％～49％)-SiO₂(20％～25％)-Al₂O₃(8％～10％)-MgO(5％～7％)-CaF₂(8％～14％)-BaO(5％～6％)-V₂O₅(2％～3％)-MnO+FeO(＜1.0％)；LF精炼出站温度严格控制在1550～1565℃范围内。连铸过程长水口、浸入式水口和钢包上部均采用气体保护浇注，LF出站时测定钢中氮含量，若氮含量偏下限，则采用氮封保护浇注增氮；若氮含量偏中限以及以上，则采用氩封保护浇注，防止氮含量进一步增加。本发明控氮方法适用于含V和Cr的高强钢，可实现终点氮含量±0.0010％的精准控制。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明转炉冶炼过程中采用底吹氮气模式，氮气具有低成本、冷却效果强于氩气，提高转炉脱磷能力，并减少后续工序中增氮剂的加入量。LF精炼炉采用氮/氩交替喷吹模式，精炼前期喷吹氮气可有效增氮、降低冶炼成本，软吹阶段喷吹氮气，可实现钢中氮含量的精准控制。氧吸附在钢液表面，阻碍钢液吸氮和脱氮界面反应进行，氮含量随氧含量增加而降低，本发明在出钢过程先脱氧，再添加增氮剂，可有效提高增氮剂和合金化的收得率。

2)本发明所采用发泡剂产生的气体可提高精炼渣的发泡性，产物BaO可显著增强精炼渣脱氮能力，改善炉渣结构和钢-渣平衡分配比，精准控制钢液氮含量。同时，具有较好的脱硫效果，且脱硫能力比CaO强，提高精炼脱硫能力。渣中所含氧化钒，有利于炉渣快速熔化，减少萤石消耗，促进合金钒的微合金化，提高冶金效果。

3)本发明通过精准控制转炉冶炼温度、转炉终点碳、氧含量，增氮剂添加量，精炼渣成分等多途径控氮，可有效解决钢中氮含量不稳定的问题，实现含V和Cr的高强含氮钢的精准控氮。

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种含氮钢经LF精炼精准控氮的工艺。为了克服现有技术的缺陷，实现精准控制钢中氮含量的目标，本发明具体实施例如下。

实施例1：

步骤1：本发明冶炼方法应用于含氮高强钢Q550钢的控氮工艺，该方法由预处理后的铁水兑入120t转炉内进行碳氧反应，转炉冶炼中全程采用底吹氮气，强度为0.10～0.20Nm³/min/t。转炉出钢1/5～1/4时，加入脱氧剂；出钢约2/5～3/5时，添加钒氮合金，并在出钢末期完成转炉钢液增氮及微合金化，钒氮合金添加量按照公式A＝(w_a-w_s)×1000×m/(w_N×S)计算确定。

按上述工艺要求转炉终点碳含量稳定控制在0.06％～0.08％，终点氧含量控制为0.030％～0.040％，转炉出钢温度控制为1620～1630℃范围内。

步骤2：钢液进入LF精炼炉内，LF前中期采用底吹氮气，破壳阶段喷吹氮气强度为7～8NL/min/t，送电加热期间喷吹氮气强度为2～2.5NL/min/t，合金化期间喷吹氮气强度为2.5～3NL/min/t，白渣精炼结束后取样测定钢中氮含量，并通过喂入氮线精确控制氮含量，同时底吹切换为软吹氩气，强度为1～1.5NL/min/t。在精炼开始配加发泡剂，发泡剂加入量为2kg/t钢，发泡剂为CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃的组合，其添加比例为13:4:3。精炼渣成分为CaO(40％～49％)-SiO₂

(20％～25％)-Al₂O₃(9％～10％)-MgO(5.0％～5.5％)-CaF₂(8％～14％)-BaO(5％～6％)-V₂O₅(2％～3％)-FeO+MnO(0.8％)。精炼出站温度控制为1555～1560℃，此时钢液温度对钢液氮含量影响较小。

步骤3：LF出站时测定钢液氮含量，若钢液氮含量低于含氮高强钢Q550钢氮含量中限0.0126％，则连铸过程长水口、浸入式水口和钢包上部均采用氮气保护浇注用以增氮；若钢液氮含量偏中限0.0126％及以上，则采用氩气保护浇注，防止钢液进一步增氮。

实施例2：

步骤1：本发明适用于Q690B高强钢的精准控氮工艺，该发明在转炉冶炼中采用底吹氮气，强度为0.05～0.15Nm³/min/t。转炉出钢约1/4时，加入脱氧剂；出钢约2/5～3/5时，添加氮化钒铁，并在出钢末期完成转炉钢液增氮及微合金化，氮化钒铁添加量按公式A＝(w_a-w_s)×1000×m/(w_N×S)计算确定。转炉终点碳含量稳定控制在0.08％～0.10％，终点氧含量控制为0.025％～0.030％，转炉出钢温度控制为1630～1640℃范围内。

步骤2：钢液进入LF精炼炉内，LF前中期采用底吹氮气，破壳阶段喷吹氮气强度为6.5～7.5NL/min/t，送电加热期间喷吹氮气强度为2～2.4NL/min/t，合金化期间喷吹氮气强度为2.5～3NL/min/t，白渣精炼结束后取样测定钢中氮含量，并通过喂入氮线精确控制氮含量，同时底吹切换为软吹氩气，强度为1.2～1.6NL/min/t。在精炼开始配加发泡剂，发泡剂加入量为1.5kg/t钢，发泡剂为CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃的组合，其添加比例为12:5:3。精炼渣成分为CaO(40％～49％)-SiO₂(20％～25％)-Al₂O₃(9％～10％)-MgO(5.0％～5.5％)-CaF₂(8％～14％)-BaO(5％～6％)-V₂O₅(2％～3％)-FeO+MnO(0.6％)。精炼出站温度严格控制为1560～1564℃。

步骤3：LF出站时测定钢液氮含量，若钢液氮含量低于Q690B高强钢氮含量中限0.012％，则连铸过程长水口、浸入式水口和钢包上部均采用氮气保护浇注用以增氮；若钢液氮含量偏中限0.012％及以上，则采用氩气保护浇注，防止钢液进一步增氮。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种含氮高强钢的精准控氮方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(1)中，增氮剂包括氮化钒铁、钒氮合金和氮化铬铁中一种或多种组合；在转炉出钢1/5～1/4时，先加入脱氧剂，并在出钢约2/5～3/5时，开始添加增氮剂，并在出钢末期加完增氮剂和微合金调整。

3.根据权利要求1或2所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述增氮剂加入量可用下式表示：

A＝(w_a-w_s)×1000×m/(w_N×S)

4.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(1)中，预处理后的铁水兑入转炉内进行碳氧反应，在所述转炉冶炼过程中底吹氮气的强度为0.03～0.30Nm³/min/t；转炉终点碳含量稳定控制在0.06％～0.12％，终点氧含量控制为0.020％～0.040％，转炉出钢温度控制为1620～1640℃范围内。

5.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(2)中，LF前中期采用底吹氮气，破壳阶段喷吹氮气强度为6.5～8NL/min/t，送电加热期间喷吹氮气强度为2～2.5NL/min/t，合金化期间喷吹氮气强度为2.5～3NL/min/t，喷出氩气的强度为1～1.67NL/min/t。

6.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在精炼开始配加发泡剂，造白渣精炼阶段通过电极加热调整钢液温度。

7.根据权利要求6所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：发泡剂加入量为1～3kg/t钢，所述发泡剂为CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃的组合，CaCO₃、BaCO₃和MgCO₃比例为(10～13):(4～5):3。

8.根据权利要求6所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：精炼出站温度控制为1550～1565℃，精炼渣成分满足CaO(40％～49％)-SiO₂(20％～25％)-Al₂O₃(8％～10％)-MgO(5％～7％)-CaF₂(8％～14％)-BaO(5％～6％)-V₂O₅(2％～3％)-MnO+FeO(＜1.0％)，渣系氮容量为9×10^-14～1.8×10^-13。

9.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(3)中，连铸过程长水口、浸入式水口和钢包上部均采用气体保护浇注。

10.根据权利要求1所述的含氮高强钢的精准控氮方法，其特征在于：所述步骤(3)中，LF出站时钢液氮含量控制切换保护气体种类，若氮含量偏下限，则采用氮封保护浇注增氮；若氮含量偏中限以及以上，则采用氩封保护浇注。