CN116987840A - 一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：选取具有代表性铁水成分及温度作为标准铁水条件，步骤2：利用热平衡Q放＝Q吸,计算标准铁水条件及目标出钢温度1650℃的要求下采用废钢作为冷却剂的废钢装入量，即标准废钢比；步骤3：根据铁水实绩以及目标出钢温度的变化调整废钢比；步骤4：计算双渣前石灰加入量，使炉渣碱度维持在1.8～2；步骤5：倒炉排渣，排渣角度75°～85°之间，排渣时间90秒；步骤6：利用物平衡并根据不同复吹条件下的脱碳速率进行氧耗计算；步骤7：供氧结束，加入焦炭脱除炉渣中的部分氧，降低氧活度；步骤8：氧气切换成氮气，吹氮搅拌熔池，步骤9：出钢纯铝脱氧并合金化。

Description

一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法
技术领域
本发明涉及一种方法，具体涉及一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，属于转炉工艺技术领域。
背景技术
目前转炉炼钢厂冶炼高氮钢种一般采用RH炉氮气环流及氮化锰合金化两种手段增氮。生产时采用RH-LF双联工艺路径，通过RH炉吹氧升温和氮循环再到LF炉加入氮化锰合金增氮。精炼炉增氮效率低，周期长，冶炼成本高，工序周期与浇铸周期不匹配，氮化锰合金化时氮的收得率较低且不稳定，钢中氮含量不易控制。在转炉工序通过改变炉渣的碱度，降低炉渣的泡沫化程度；吹炼时选用废钢平衡富余热量保证恒枪操作，从而起到稳定过程炉渣氧化铁含量的效果；终点停吹氧后终渣脱氧再吹氮气；出钢过程纯铝脱氧并合金化固定氮元素在钢水中的含量，钢包底吹弱搅拌等方式,可实现转炉工序稳定增氮，大幅度降低含氮钢种的冶炼成本和匹配连铸机浇铸周期。
通过专利检索，目前公开的高氮钢生产的相关文献和专利，大都集中精炼炉钢包底吹使用氮气环流搅拌及氮合金化两种手段增氮。如授权号CN 103146875 B、申请号CN110438292 A是主要采用氮合金增氮；授权号CN 105112609 B、申请号CN 102851451 A出钢过程脱氧后钢包底吹氮增氮；授权号CN 102719611 A、授权号CN 101440420 B采用双联路径底吹氮增氮及氮合金增氮两种方式增氮；以上几种增氮方式都有氮成分波动大、温度损失大、处理周期长与连铸周期严重不匹配等缺陷；本申请专利出钢前期利用挡渣塞塞住内口使得钢流变细延长钢水与大气接触时间，增加氮铁反应面积，在出钢过程中完成部分增氮并且结合钢包全脱氧进行固化，氮合金过程高效率、低成本。申请号CN 102732665 A吹炼末期用Si系合金Al系合金进行炉内脱氧再吹氮方式可操作性差，首先Si系合金脱氧后生成二氧化硅进入炉渣会造碱度降低钢水回P；Si和Mn氧化后进入渣系，在精炼工序会发生回Si回Mn造成钢水成分超标；转炉炉渣氧化性强炉内脱氧烧损率很高，导致成本增加。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，该技术方案转炉工序强化氮元素与钢水合金化的物理及化学条件，达到快速冶炼、稳定增氮的目的方法。吹炼时选用废钢平衡富余热量保证恒枪操作，从而起到稳定过程炉渣氧化铁含量的效果；通过双渣操作提高炉渣碱度，降低炉渣泡沫化程度，增大炉气与钢水的接触面积；使用分段式供氧量计算保证终点钢水含氧量及温度的精确命中；利用焦炭降低炉渣中氧元素活度的同时吹氮促进氮气在钢水中的溶解，实现低成本高效率冶炼高氮钢种；出钢铝系脱氧剂脱氧并合金化，起到了固定钢水中氮含量的作用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选取具有代表性的铁水成分、温度并设定钢水目标温度(表1)作为标准，再依据热平衡原理确定标准废钢比。
标准铁水参数及目标温度表1
设定装入量为100kg，铁水85kg。
Q标准铁水物理热＝85*[0.745*(1085-25)+218+0.837*(1300-1085)]＝100951(KJ)。
计算标准铁水成分的元素氧化热(表2)。
金属中各元素氧化热见表2
步骤2：利用热平衡Q放＝Q吸，计算标准铁水条件及目标出钢温度1650℃的要求下采用废钢作为冷却剂的废钢装入量，即标准废钢比；
Q热量总收入＝Q标准铁水物理热+Q标准铁水金属中各元素氧化热≈173794(KJ)；
热量总支出主要是钢水物理热占比80％，钢水收得率为88％；
Q热量总支出＝Q标准钢水物理热/0.80＝88*[0.669*(1517-25)+272+0.837*(1650-1517)]/0.80≈151965(KJ)；
根据Q热量总收入＝Q热量总支出确定标准废钢比；
f标准废钢比＝(Q热量总收入—Q热量总支出)/[0.669*(1517-25)+272+0.837*(1650-1517)]*10-2＝(173794-151965)/1381.5≈15.8％
步骤3：根据铁水实绩以及目标出钢温度的变化调整废钢比；
设定标准炉次后，冶炼时当前炉次与标准炉次之间热量差异通过调整废钢比平衡富余热量。分段式计算吹炼总耗氧量，总耗氧＝过程耗氧+临界碳耗氧(碳量的5％)。
步骤4：计算双渣前石灰加入量，使炉渣碱度维持在1.8～2；
根据铁水硅元素含量确定前期排渣前的石灰加入量使得CaO/SiO2二元碱度为1.5～2之间即头批石灰加入量为：M头批灰＝M铁水质量*[Si]％*60/32*1.8(kg)。
开吹后加入头批石灰，使炉渣碱度达到1.8；开吹抢位1.6m,1min后1.7m维持，当烟气中Co浓度大于15％炉渣开始发泡时提枪。
氮气打渣促使泡沫渣裹夹的金属铁珠下沉，促进炉渣碳氧反应避免排渣时渣罐溢出。
步骤5：摇炉倒渣，初始角度75°，终止角度85°，放渣时间90秒，排渣量约为总渣量的1/3。
步骤6：利用物平衡并根据不同复吹条件下的脱碳速率进行氧耗计算；依据氧化铁与碳的反应式(FeO)+(C)＝(CO)+Fe计算去除渣中5％(FeO)含量所需的焦炭量。
采用P平衡法计算总渣量；
步骤7：供氧结束，加入焦炭脱除炉渣中的部分氧，降低氧活度；加入焦炭脱除炉渣中有5％的(FeO)氧含量。(在选用废钢作为冷却剂并双渣、恒枪的操作模式下，终渣的氧化铁含量约(FeO)％＝17％；炉渣氧与钢水氧达到平衡时炉渣的氧化铁含量为(FeO)％＝12％。)
步骤8：氧气切换成氮气，吹氮搅拌熔池，促进氮铁反应；顶枪切换氮气，流量30000m3/h，枪位1.8m，供氮20秒进行熔池搅拌。改善氮气与铁反应的动力学条件并使熔池氮气分压增加，氮元素在钢水中的溶解量也相应增加，同时碳铁反应促进了渣中氧化铁还原。
步骤9：出钢纯铝脱氧并合金化，钢水中全铝含量大于0.020％，铝脱氧合金化加入量：M钢*[O]％*54/48*2+M钢*0.01-2。
相对于现有技术，本发明的优点如下：转炉工艺主要化学反应是氧化反应，不利于氮元素溶于钢水，冶炼时通过本方案的实施有效实现了转炉工序稳定增氮的目的，缩短了含氮钢种的处理周期，减少了高氮钢工艺路径；降低了合金成本、各工序能源介质消耗、耐材消耗；减少了钢水中铝系夹渣，提高了钢水纯净度，钢水可浇性以及板坯质量得到了改善；提升了工序协同生产效率，降低了劳动强度。
附图说明
图1为本发明整体流程示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选取具有代表性的铁水成分、温度并设定钢水目标温度(表1)作为标准，再依据热平衡原理确定标准废钢比。
标准铁水参数及目标温度表1
设定装入量为100kg，铁水85kg。
Q标准铁水物理热＝85*[0.745*(1085-25)+218+0.837*(1300-1085)]＝100951(KJ)。
计算标准铁水成分的元素氧化热(表2)。
金属中各元素氧化热见表2
步骤2：利用热平衡Q放＝Q吸，计算标准铁水条件及目标出钢温度1650℃的要求下采用废钢作为冷却剂的废钢装入量，即标准废钢比；
Q热量总收入＝Q标准铁水物理热+Q标准铁水金属中各元素氧化热≈173794(KJ)；
热量总支出主要是钢水物理热占比80％，钢水收得率为88％；
Q热量总支出＝Q标准钢水物理热/0.80＝88*[0.669*(1517-25)+272+0.837*(1650-1517)]/0.80≈151965(KJ)；
根据Q热量总收入＝Q热量总支出确定标准废钢比；
f标准废钢比＝(Q热量总收入—Q热量总支出)/[0.669*(1517-25)+272+0.837*(1650-1517)]*10-2＝(173794-151965)/1381.5≈15.8％
步骤3：根据铁水实绩以及目标出钢温度的变化调整废钢比；
设定标准炉次后，冶炼时当前炉次与标准炉次之间热量差异通过调整废钢比平衡富余热量。分段式计算吹炼总耗氧量，总耗氧＝过程耗氧+临界碳耗氧(碳量的5％)。
步骤4：计算双渣前石灰加入量，使炉渣碱度维持在1.8～2；
根据铁水硅元素含量确定前期排渣前的石灰加入量使得CaO/SiO2二元碱度为1.5～2之间即头批石灰加入量为：M头批灰＝M铁水质量*[Si]％*60/32*1.8(kg)。
开吹后加入头批石灰，使炉渣碱度达到1.8；开吹抢位1.6m,1min后1.7m维持，当烟气中Co浓度大于15％炉渣开始发泡时提枪。
氮气打渣促使泡沫渣裹夹的金属铁珠下沉，促进炉渣碳氧反应避免排渣时渣罐溢出。
步骤5：摇炉倒渣，初始角度75°，终止角度85°，放渣时间90秒，排渣量约为总渣量的1/3。
步骤6：利用物平衡并根据不同复吹条件下的脱碳速率进行氧耗计算；依据氧化铁与碳的反应式(FeO)+(C)＝(CO)+Fe计算去除渣中5％(FeO)含量所需的焦炭量。
采用P平衡法计算总渣量；
步骤7：供氧结束，加入焦炭脱除炉渣中的部分氧，降低氧活度；加入焦炭脱除炉渣中有5％的(FeO)氧含量。(在选用废钢作为冷却剂并双渣、恒枪的操作模式下，终渣的氧化铁含量约(FeO)％＝17％；炉渣氧与钢水氧达到平衡时炉渣的氧化铁含量为(FeO)％＝12％。)
步骤8：氧气切换成氮气，吹氮搅拌熔池，促进氮铁反应；顶枪切换氮气，流量30000m3/h，枪位1.8m，供氮20秒进行熔池搅拌。改善氮气与铁反应的动力学条件并使熔池氮气分压增加，氮元素在钢水中的溶解量也相应增加，同时碳铁反应促进了渣中氧化铁还原。
步骤9：出钢全脱氧，钢水中全铝维持大于0.020％，铝脱氧合金化加入量：M钢*[O]％*54/48*2+M钢*0.01-2。
具体实施案例1：梅钢150冶炼含氮钢生产案例；
实施步骤：
1)比较当前炉次铁水条件与标准铁水条件并得出变动量(表3):
表3
2)计算成分变动对终点温度的影响(表4)：
表4
3)根据热平衡Q放＝Q吸；
[0.699*(1517-25)+272+0.837(1640-1517)]M废＝0.837ΔtM钢
4)铁水温度及目标温度变化调整废钢比为：
f废钢比＝[0.699*(1517-25)+272+0.837(1640-1517)]/[0.837*(50-10)]≈2.4％
5)成分变动调整废钢比为：
M废/M钢＝f废钢比＝[0.699*(1517-25)+272+0.837(1640-1517)]/[0.837*40.5]≈2.4％
6)当前炉废钢比调整为：15.8％+2.4％*2＝20.6％
7)计算过程耗氧变量(表5)：
表5
8)梅钢150吨顶底复吹转炉临界碳耗氧量(表6)：
表6
9)当前转炉碳氧积为0.0025则当前炉总耗氧：
V氧气＝6268-93+500＝6675(m3)；
10)不留渣双渣：上一炉炉渣在溅完渣后全部排出，当前炉不采用留渣操作
11)计算头批料石灰加入量即排渣前加入石灰：
170*81.72％*0.4％*2.14*1.8＝2140kg。
12)开吹抢位1.6m，吹氧总量达500NM3时枪位1.7m维持，当总氧量达1500NM3左右且烟气中C0含量12％～15％时停吹放渣。
13)氮气打渣：供氮压力1.5mpa、流量3000m3/h、枪位5.2m～8.2m，当炉口有零星片状炉渣飞出时提枪停吹倒炉放渣：快档倾动至75°，缓慢摇炉至88°进行排渣，排渣量为渣量的1/3。
14)再吹枪位1.7m，开氧后加入剩余石灰，恒枪至吹炼终点。
15)转炉吹炼至终点，提枪关氧后加焦炭进行炉渣脱氧，并开氮搅拌。
16)采用P平衡计算总渣量
17)出钢量按160t计算：M总渣＝(150*0.08*10-2)/(3.5*10-2*3/7)＝8t
计算渣中氧化铁5％的含量：8*5*10-2＝0.4t
18)计算焦炭加入量，根据(FeO)+(C)＝(CO)+Fe；
19)M焦炭＝[(0.4t*12)/(56+16)]/0.82≈82Kg；
20)氧枪切换氮气，流量30000m3/h，降至6m时开氮，枪位至1.8m维持吹氮20S，增氮速率10ppm/10S。
21)出钢开始钢包底吹气体介质切换氮气，设定流量为700～800NL/min,管道出口压力0.7～0.8mpa进行强搅。
22)出钢量至1/4时用纯铝进行包内脱氧合金化。
23)根据定氧(500ppm)计算纯铝加入量:
160*103*0.05％*54/48*3+160*103*0.02％＝302(㎏)
附当日该方案冶炼高氮钢转炉增氮效果:
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选取具有代表性铁水成分及温度作为标准铁水条件，即：T铁＝1300℃，[Si]％＝0.3％,[P]％＝0.1％；设定目标出钢温度T出钢＝1650℃；
步骤2：利用热平衡Q放＝Q吸,计算标准铁水条件及目标出钢温度1650℃的要求下采用废钢作为冷却剂的废钢装入量，即标准废钢比；
步骤3：根据铁水实绩以及目标出钢温度的变化调整废钢比；
步骤4：计算双渣前石灰加入量，使炉渣碱度维持在1.8～2；
步骤5：倒炉排渣，排渣角度75°～85°之间，排渣时间90秒；
步骤6：利用物平衡并根据不同复吹条件下的脱碳速率进行氧耗计算；
步骤7：供氧结束，加入焦炭脱除炉渣中的部分氧，降低氧活度；
步骤8：氧气切换成氮气，吹氮搅拌熔池，促进氮铁反应；
步骤9：出钢纯铝脱氧并合金化，钢水中全铝含量大于0.020％，铝脱氧合金化加入量：M钢*[O]％*54/48*3+M钢*0.01-2。
2.根据权利要求1所述的一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，步骤2具体如下，根据设定的标准计算出标准废钢比：f标准废钢比＝(Q热量总收入—Q热量总支出)/[0.669*(1517-25)+272+0.837*(1650-1517)]*10-2＝(173794-151965)/1381.5≈15.8％。
3.根据权利要求1所述的一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，步骤5具体如下：
51)分段计算供氧量，总耗氧＝过程耗氧+临界碳(碳量的5％)耗氧；
52)、以碳氧积为0.0025时的耗氧量为标准耗氧量M标准；碳氧积为0.0015时耗氧量为0.6M标准；碳氧积为0.0020时耗氧量为0.8M标准；碳氧积为0.0030时耗氧量为1.2M标准；碳氧积为0.0035时耗氧量为1.4M标准。
4.根据权利要求1所述的一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，步骤6具体如下：吹炼至终点关氧后开氮搅拌并加入焦炭进行终渣脱氧，以总渣量的5％含量(FeO)并依据化学式(FeO)+(C)＝(CO)+Fe计算焦炭加入量。
5.根据权利要求1所述的一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，步骤7具体如下：吹炼终点停止供氧且炉渣脱氧后，氧气切换氮气再吹改善氮气与铁化合的动力学条件，枪位1.8m,供氮强度3.2m3/t.min。
6.根据权利要求1所述的一种短周期转炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于，步骤9具体如下：铝脱氧合金化加入量：M钢水量*[O]％*54/48*3+M钢水量*0.01-2。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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