CN118048498A - 一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业冶金技术领域，且公开了一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，包括以下步骤：选取废钢和低氮铁合金作为主要原料；在钢水转炉时加入造渣剂，充氮保护过程中使用减压装置减少氮气溶解；加入氧化钙，转炉升温；从顶部充入氧气溶解钢水中的氮，同时在底部使用氩气吹扫，转炉内部保持负压；加入钛铁合金；出钢过程全程密闭，在真空泵系统将管道处于负压状态下并控制钢水速率；冷轧过程控制参数，通过上述工艺控制，有效地管理了转炉内钢水的氮含量，这一举措不仅确保了钢材的质量，而且通过减少氩气的使用，降低了投入成本，达到了降低成本、提升钢材质量以及有效控制氮含量的有益效果。

Description

一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法

技术领域

本发明涉及工业冶金技术领域，具体为一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法。

背景技术

在炼钢过程中，氮含量的控制是一个复杂的技术问题，因为它受到多种因素的影响。例如，冶炼高附加值产品时，需要降低钢中的氮含量以保证钢材的深冲性能和表面光洁度。通常情况下，氮含量超过100ppm时，连铸坯中容易产生气孔，因此对于高级别钢种，氮含量的控制尤为重要。

在实际生产中，炼钢厂会通过研究不同工序对钢水氮含量的影响，选择合适的工艺来保证氮含量合格的前提下进行低成本生产。例如，全程吹氩可以降低钢中的氮含量，平均降低约0.00048%。此外，出钢时的不散流和时间控制也对氮含量有影响，出钢不散流且时间较短的炉次比出钢散流且时间较长的炉次氮含量低。总的来说，钢水氮含量的控制是确保钢材质量的关键因素之一，炼钢厂需要采取多种措施来精确控制这一参数。

钢水中氮含量过高会对钢材的机械性能产生不良影响，而使用氩气也存在一些缺点。首先，钢水中氮含量过高的危害主要包括：影响钢材性能：氮与钢中的其他元素如氧、碳等反应，可能导致钢材硬度增加，但同时也会使钢材的韧性和疲劳强度降低。这种老化现象会影响钢材的加工性能和使用寿命；形成气泡和夹杂物：在炼钢过程中，如果脱氧不充分，钢中的氮会与氧和碳反应生成一氧化碳等气体，形成气泡，从而影响钢材的内部质量。此外，氮还可能形成金属氧化物、硅酸盐、铝酸盐等夹杂物，这些夹杂物会削弱钢材的热加工或冷加工性能；其次，全程吹氩的缺点包括：成本问题：氩气是一种稀有气体，其价格相对较高，因此在炼钢过程中大量使用氩气会增加生产成本；设备要求：氩气的使用需要特定的设备和技术，这可能会增加炼钢厂的设备投资和维护成本；操作风险：氩气的储存和使用需要严格的安全措施，不当操作可能会导致安全事故。

钢水氮含量的控制对于保证钢材质量至关重要，而在使用氩气时，也需要考虑其成本和安全性等因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，具备氮含量控制精准和成本低等优点，解决了氮含量不可控和成本高的问题。

为实现上述氮含量控制精准和成本低的目的，本发明提供如下技术方案：包括以下步骤：

步骤一、选取废钢和低氮铁合金作为主要原料；

步骤二、在钢水转炉时加入造渣剂，充氮保护过程中使用减压装置减少氮气溶解；

步骤三、加入氧化钙，转炉升温；

步骤四、从顶部充入氧气溶解钢水中的氮，同时在底部使用氩气吹扫，转炉内部保持负压；

步骤五、加入钛铁合金；

步骤六、出钢过程全程密闭，在真空泵系统将管道处于负压状态下并控制钢水速率；

步骤七、冷轧过程控制参数。

优选的，所述步骤一低氮铁合金为低碳高锰合金钢，其锰含量为10%。

优选的，所述步骤二中：

S1.1、在转炉中加入造渣剂氟化钙、铁矿石和苏打粉；

S1.2、使用搅拌器设备不停搅拌，以确保混合物均匀反应；

S1.3、再使用蒸发冷却器充入氮气，以降低转炉温度至1300℃时，停止充氮；

S1.4、最后，在转炉顶部接入真空减压泵，进行真空抽压15分钟，此时氮元素含量为180-200ppm。

优选的，所述步骤三中，向转炉中加入氧化钙，与残留的硫元素进行反应，在此阶段，转炉的温度提升至1650℃，并保持反应10分钟，此操作使氮元素的含量降至150-170ppm。

优选的，所述步骤四中，使用真空泵对转炉内部进行5分钟的真空抽气处理，以降低炉内压力，再通过氧管向炉内充入占比60%的氧气，控制氧气流速为30mm/s，并维持炉内压力在负压状态；同时，在转炉底部采用透气砖喷入40%的氩气进行吹扫，持续运行搅拌设备30分钟，均匀混合钢水以加速杂质的分离，此步骤氮元素含量控制在80-110ppm。

优选的，所述步骤五中加入占比1%的钛铁合金，转炉温度设置为1680℃，提供溶解反应时间为10min，反应完全后氮元素含量为70-100ppm。

优选的，所述步骤六的真空泵系统主要由真空泵、真空吸盘、真空压力开关、真空过滤器和真空安全阀组成。

优选的，所述步骤六负压过程：将钢管道完全封闭，采用真空泵系统抽取钢水，再结合电控液压伺服阀调控钢水流速，氮元素的含量被维持在70-100ppm。

优选的，所述步骤七热轧冷轧全程在温度20℃和湿度35%的恒温恒湿房中进行，在加热炉中加入5%的氩气，调节加热炉温度为1000℃，保持粗轧30min，冷却至室温后，再升温至800℃，保持细扎20min，冷却至室温后再重复一次，此时氮元素控制在50-80ppm。

优选的，所述精准控制转炉工序钢水氮含量的方法实施过程：采用了原料比为7:3的废钢和低氮铁合金作为原材料，原材料经过预处理，包括清洗、分类和剪切，再将预处理后的原材料投入到转炉中，开始了从步骤一至步骤七的炼钢全过程。

与现有技术相比，本发明提供了一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，具备以下有益效果：

1、本发明通过所述步骤二中钢水转炉加入造渣剂铁矿石、石灰和苏打粉除硫和磷，充氮保护降低污染，减压降温使氮气溶解少，也能起到保护作用，而通过步骤四中使用真空泵对转炉内部进行5分钟的抽气，能有效降低炉内的压力；这一步骤有助于去除炉内的氮气，为后续的精炼过程创造更理想的条件；在真空抽气后，通过氧管向炉内充入占比60%的氧气，其目的是促进脱碳反应和其他氧化反应，这有助于进一步减少钢水中的氮含量；将氧气流速控制在30mm/s，确保了氧气的供给既充足又平稳，从而有助于维持反应的稳定性，避免因氧气流速过快或过慢而导致的氮含量波动；在充入氧气的同时维持炉内压力在负压状态，这有助于防止空气中的氮气重新溶入钢水，从而保持低氮水平；在转炉底部采用透气砖喷入40%的氩气进行吹扫，氩气作为一种惰性气体，不参与化学反应，但能作为搅拌气体，帮助混合钢水；持续运行搅拌设备30分钟，均匀混合钢水，这不仅有助于加速杂质的分离，还使钢水中的氮气更均匀分布，便于精确控制其含量；通过精确的工艺控制，有效地管理了转炉内钢水的氮含量，这一举措不仅确保了钢材的质量，而且通过减少氩气的使用，降低了投入成本，达到了降低成本、提升钢材质量以及有效控制氮含量的有益效果。

2、本发明通过在第六步骤的负压过程中，首先确保钢管道完全封闭，然后使用真空泵系统抽取钢水，在此过程中，结合电控液压伺服阀来精确调控钢水的流速，以确保钢水能够平稳且连续地抽出，并能够在需要时迅速停止，通过这种控制方式，氮元素的含量被维持在70-100ppm的理想范围内，从而优化了炼钢过程，使用封闭管道隔绝大部分空气，减少了二次污染，达到了稳固钢水中氮元素的有益效果。

3、本发明通过步骤七的热轧过程中，确保恒温恒湿房内的温度和湿度分别维持在20℃和35%，这有助于创造一个稳定的环境，减少材料在加热前的温差和湿度差，从而减少因温度和湿度波动引起的氮气扩散；在加热炉中加入5%的氩气，氩气作为一种惰性气体，能减少氧气与钢材的接触，降低氧化反应的可能性，从而减少氮氧化物的形成，保持钢水中氮的含量；将加热炉温度调节至1000℃并进行粗轧，这个高温有助于促进钢材中的氮气扩散和逸出，同时高温下的轧制可以促进材料的塑性变形，有助于氮气的均匀分布；粗轧和细扎后的冷却过程有助于固定钢材中的氮含量，因为低温下氮的扩散速率减慢，从而减少了，细扎过程：再次将钢材升温至800℃并进行细扎，这一步骤不仅保证了钢材的精确尺寸和良好的表面质量，同时也有助于进一步稳定氮含量；重复过程：整个过程需要重复一次，这样的重复操作有助于确保钢材的性能达到预期标准，同时也有助于通过多次加热和冷却来控制和稳定氮含量，使钢材的氮含量达到了精准控制的有益效果。

附图说明

图1为本发明精准控制转炉工序钢水氮含量的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，包括以下步骤：

步骤一、选取废钢和低氮铁合金作为主要原料；

步骤二、在钢水转炉时加入造渣剂，充氮保护过程中使用减压装置减少氮气溶解；

步骤三、加入氧化钙，转炉升温；

步骤四、从顶部充入氧气溶解钢水中的氮，同时在底部使用氩气吹扫，转炉内部保持负压；

步骤五、加入钛铁合金；

步骤六、出钢过程全程密闭，在真空泵系统将管道处于负压状态下并控制钢水速率；

步骤七、冷轧过程控制参数。

具体的，所述步骤一低氮铁合金为低碳高锰合金钢，其锰含量为10%。

具体的，所述步骤二中：

S1.1、在转炉中加入造渣剂氟化钙、铁矿石和苏打粉；

S1.2、使用搅拌器设备不停搅拌，以确保混合物均匀反应；

S1.3、再使用蒸发冷却器充入氮气，以降低转炉温度至1300℃时，停止充氮；

S1.4、最后，在转炉顶部接入真空减压泵，进行真空抽压15分钟，此时氮元素含量为180-200ppm。

优点是，本发明通过所述步骤二中钢水转炉加入造渣剂铁矿石、石灰和苏打粉除硫和磷，充氮保护降低污染，减压降温使氮气溶解少，也能起到保护作用，而通过步骤四中使用真空泵对转炉内部进行5分钟的抽气，能有效降低炉内的压力；这一步骤有助于去除炉内的氮气，为后续的精炼过程创造更理想的条件；在真空抽气后，通过氧管向炉内充入占比60%的氧气，其目的是促进脱碳反应和其他氧化反应，这有助于进一步减少钢水中的氮含量；将氧气流速控制在30mm/s，确保了氧气的供给既充足又平稳，从而有助于维持反应的稳定性，避免因氧气流速过快或过慢而导致的氮含量波动；在充入氧气的同时维持炉内压力在负压状态，这有助于防止空气中的氮气重新溶入钢水，从而保持低氮水平；在转炉底部采用透气砖喷入40%的氩气进行吹扫，氩气作为一种惰性气体，不参与化学反应，但能作为搅拌气体，帮助混合钢水；持续运行搅拌设备30分钟，均匀混合钢水，这不仅有助于加速杂质的分离，还使钢水中的氮气更均匀分布，便于精确控制其含量；以上操作通过一系列的工艺措施，有效地控制了转炉内钢水的氮含量，从而保证了钢材的质量，达到了提高钢材质量和控制氮含量的有益效果

具体的，所述步骤三中，向转炉中加入氧化钙，与残留的硫元素进行反应，在此阶段，转炉的温度提升至1650℃，并保持反应10分钟，此操作使氮元素的含量降至150-170ppm。

具体的，所述步骤四中，使用真空泵对转炉内部进行5分钟的真空抽气处理，以降低炉内压力，再通过氧管向炉内充入占比60%的氧气，控制氧气流速为30mm/s，并维持炉内压力在负压状态；同时，在转炉底部采用透气砖喷入40%的氩气进行吹扫，持续运行搅拌设备30分钟，均匀混合钢水以加速杂质的分离，此步骤氮元素含量控制在80-110ppm。

具体的，所述步骤五中加入占比1%的钛铁合金，转炉温度设置为1680℃，提供溶解反应时间为10min，反应完全后氮元素含量为70-100ppm。

具体的，所述步骤六的真空泵系统主要由真空泵、真空吸盘、真空压力开关、真空过滤器和真空安全阀组成。

具体的，所述步骤六负压过程：将钢管道完全封闭，采用真空泵系统抽取钢水，再结合电控液压伺服阀调控钢水流速，氮元素的含量被维持在70-100ppm。

优点是，本发明通过在第六步骤的负压过程中，首先确保钢管道完全封闭，然后使用真空泵系统抽取钢水，在此过程中，结合电控液压伺服阀来精确调控钢水的流速，以确保钢水能够平稳且连续地抽出，并能够在需要时迅速停止，通过这种控制方式，氮元素的含量被维持在70-100ppm的理想范围内，从而优化了炼钢过程，使用封闭管道隔绝大部分空气，减少了二次污染，达到了稳固钢水中氮元素的有益效果。

具体的，所述步骤七热轧冷轧全程在温度20℃和湿度35%的恒温恒湿房中进行，在加热炉中加入5%的氩气，调节加热炉温度为1000℃，保持粗轧30min，冷却至室温后，再升温至800℃，保持细扎20min，冷却至室温后再重复一次，此时氮元素控制在50-80ppm。

优点是，本发明通过步骤七的热轧过程中，确保恒温恒湿房内的温度和湿度分别维持在20℃和35%，这有助于创造一个稳定的环境，减少材料在加热前的温差和湿度差，从而减少因温度和湿度波动引起的氮气扩散；在加热炉中加入5%的氩气，氩气作为一种惰性气体，能减少氧气与钢材的接触，降低氧化反应的可能性，从而减少氮氧化物的形成，保持钢水中氮的含量；将加热炉温度调节至1000℃并进行粗轧，这个高温有助于促进钢材中的氮气扩散和逸出，同时高温下的轧制可以促进材料的塑性变形，有助于氮气的均匀分布；粗轧和细扎后的冷却过程有助于固定钢材中的氮含量，因为低温下氮的扩散速率减慢，从而减少了，细扎过程：再次将钢材升温至800℃并进行细扎，这一步骤不仅保证了钢材的精确尺寸和良好的表面质量，同时也有助于进一步稳定氮含量；重复过程：整个过程需要重复一次，这样的重复操作有助于确保钢材的性能达到预期标准，同时也有助于通过多次加热和冷却来控制和稳定氮含量，使钢材的氮含量达到了精准控制的有益效果。

实施例1：

具体的，所述精准控制转炉工序钢水氮含量的方法实施过程：采用了原料比为7:3的废钢和低氮铁合金作为原材料，原材料经过预处理，包括清洗、分类和剪切，再将预处理后的原材料投入到转炉中，开始了从步骤一至步骤七的炼钢全过程。

经过实验室对实施例1几个阶段进行氮含量实际采样检测得到表1，如下：

通过数据在这个表格中，能看到从步骤二到步骤七的氮含量逐步降低，这表明在炼制钢水和钢材热轧过程中采取的措施有效地控制了钢水中的氮含量。

为了更清晰地展示氮含量的变化趋势，我们可以计算每一步的氮含量降低量：

从步骤二到步骤三：190ppm-150ppm=40ppm；

从步骤三到步骤四：150ppm-88ppm=62ppm；

从步骤四到步骤五：88ppm-79ppm=9ppm；

从步骤五到步骤六：79ppm-77ppm=2ppm；

从步骤六到步骤七：77ppm-60ppm=17ppm。

以上数据表明，在步骤三和步骤四之间，氮含量有最大的降低，而在步骤五和步骤六之间，氮含量的降低较为平缓；说明在炼制钢水的过程中，通过加入氧化钙以及在负压环境下加入氧气和氩气的阶段，能够更为有效地控制氮含量，上述工艺优化不仅显著降低了钢水中的氮含量，提高了最终产品的质量，同时也带来了生产成本的降低，这些措施确保了氮含量控制的更稳定性和高效率，实现了生产效益与成本控制的双重提升。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取废钢和低氮铁合金作为主要原料；

步骤二、在钢水转炉时加入造渣剂，充氮保护过程中使用减压装置减少氮气溶解；

步骤三、加入氧化钙，转炉升温；

步骤四、从顶部充入氧气溶解钢水中的氮，同时在底部使用氩气吹扫，转炉内部保持负压；

步骤五、加入钛铁合金；

步骤六、出钢过程全程密闭，在真空泵系统将管道处于负压状态下并控制钢水速率；

步骤七、冷轧过程控制参数。

2.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤一低氮铁合金为低碳高锰合金钢，其锰含量为10%。

3.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤二中：

S1.1、在转炉中加入造渣剂氟化钙、铁矿石和苏打粉；

S1.2、使用搅拌器设备不停搅拌，以确保混合物均匀反应；

S1.3、再使用蒸发冷却器充入氮气，以降低转炉温度至1300℃时，停止充氮；

S1.4、最后，在转炉顶部接入真空减压泵，进行真空抽压15分钟，此时氮元素含量为180-200ppm。

4.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤三中，向转炉中加入氧化钙，与残留的硫元素进行反应，在此阶段，转炉的温度提升至1650℃，并保持反应10分钟，此操作使氮元素的含量降至150-170ppm。

5.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤四中，使用真空泵对转炉内部进行5分钟的真空抽气处理，以降低炉内压力，再通过氧管向炉内充入占比60%的氧气，控制氧气流速为30mm/s，并维持炉内压力在负压状态；同时，在转炉底部采用透气砖喷入40%的氩气进行吹扫，持续运行搅拌设备30分钟，均匀混合钢水以加速杂质的分离，此步骤氮元素含量控制在80-110ppm。

6.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤五中加入占比1%的钛铁合金，转炉温度设置为1680℃，提供溶解反应时间为10min，反应完全后氮元素含量为70-100ppm。

7.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤六的真空泵系统主要由真空泵、真空吸盘、真空压力开关、真空过滤器和真空安全阀组成。

8.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于，所述步骤六负压过程：将钢管道完全封闭，采用真空泵系统抽取钢水，再结合电控液压伺服阀调控钢水流速，氮元素的含量被维持在70-100ppm。

9.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于：所述步骤七热轧冷轧全程在温度20℃和湿度35%的恒温恒湿房中进行，在加热炉中加入5%的氩气，调节加热炉温度为1000℃，保持粗轧30min，冷却至室温后，再升温至800℃，保持细扎20min，冷却至室温后再重复一次，此时氮元素控制在50-80ppm。

10.根据权利要求1所述的一种精准控制转炉工序钢水氮含量的方法，其特征在于，所述精准控制转炉工序钢水氮含量的方法实施过程：采用了原料比为7:3的废钢和低氮铁合金作为原材料，原材料经过预处理，包括清洗、分类和剪切，再将预处理后的原材料投入到转炉中，开始了从步骤一至步骤七的炼钢全过程。