CN1329675A - 使熔钢在生产时脱氮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法,以吹的形式将碳和氧共同且分开注入将被处理的熔钢池内的相同的池区内,以便在池内的局部产生由这两种元素产生的CO泡,然后其被引入,以进行脱氮。化学计量法调整碳和氧的注入量,使池内碳恒定而进行脱氮。优选在电炉内,该方法最好是在电炉内,应用于低碳钢号的生产。

Description

使熔钢在生产时脱氮的方法

本发明涉及低氮钢的生产领域。本发明应用于低碳号钢和极低碳号钢的生产时具有优势。

根据多种不同的理由，已知钢中氮的存在会引起不良的效果。其中一个理由是这种元素影响钢的使用特性，如降低金属的延展性，从而影响其冲压性能，如果氮以氮化铝形式存在，那么由于氮在ZAC(受热区)中重新溶解，限制钢的可焊性，以致得到的钢局部易脆。另外仍然不希望有氮存在的原因是氮影响特定的生产步骤，如连续浇铸时，与可延性气眼连接的裂缝增加，或得到的产品的拔丝性能降低。

但生产过程中，或某些钢号，有时需要最终获得的产品的氮含量很低，例如用于汽车构造或包装的钢材中氮含量为15-25ppm，用于海上平台板的钢材中氮含量为约50ppm，在增强型钢丝中氮含量为40-60ppm等。在生产熔钢的所有阶段中，即从电炉或转炉直到连续浇铸时所述熔钢的固化，希望钢材中存在上述含量的氮。已知在电炉内的生产，尤其以金属和氮大量结合为其特征，这是因为空气中的氮分子在电弧加热区裂化，从而便于转移到液态金属内。这种方法是阻止由目前的“浇铸法”(在吹塑熔炉内熔融铁核减少熔化，然后用气动转炉内的氧气提纯)制备的部分钢号用“电学法”生产的一个重要因素，目前，通过浇铸法，可以获得氮含量为20ppm较低级的钢。

我们已知控制液态钢中的氮含量变化的物理-化学机理(如在1986年1月的PP25-42的CIT上的REVUE de METALLURGIE中的Gatellier和H.Gaye的文章)。氮气遵循表达式为 的“金属-气体”化学平衡式。这个反应的平衡常数即 轻微取决于反应容器内的操作温度(1550-1700℃)。a_N表示溶解的氮气的活性，其中溶解的氮气可被吸收为弱合金碳钢的金属中的氮，P_N2表示与液态金属接触的氮气的部分压力。即在大气N₂的存在下，金属中氮的含量会不断地增加，直到达到它的溶解极限，在熔钢温度(约1600℃)时，所述溶解极限在430ppm附近。

金属的脱氮过程是通过在液态金属内循环不包括氮气(P_N2＝O)的冲洗气体而完成的，以便上述反应(冲洗效果)向右转移。在工业上，注入的该气体可以为氩气或氦气，但这两种气体流动速率低，且成本高，或者为在注射氧气时，由金属的脱碳在原处形成的一氧化碳，在现有技术中以气体形式或颗粒形式注入氧气(如日本1987年ISIJ周刊中Shinme和T.Matsuo的文章“在减压条件下，由喷出的粉末状的氧化剂脱碳加速移去氮”)，实际注入的O₂的量与开始脱碳时的金属中的碳含量有关，从而迫使一定量的CO在反应时间内释放，因此金属可以脱氮，从而得到金属中的初始氮量及所需的氮量。

这种物理-化学方法必须通过金属的表面活性元素即氧和硫来完成，而这两种元素都具有阻止氮气在金属和气体之间转移的作用。所以，如超过溶解的氧气的特定活性值，即相应于碳含量的上限(重量0.1％级的碳钢)，那么可以完全抑制通过冲洗气体进行脱氮。

一直研究液态金属的脱氮技术，由电学法生产的钢的氮含量与由”浇铸“法获得的钢的氮含量相近，即在最终获得的产品中氮含量为20ppm级，甚至更少。

本发明的目的旨在改进熔融金属的脱氮，一方面，本发明最佳利用了冲洗气体的脱氮性能，另一方面，可以控制氮的最终含量，其中氮的最终含量与金属池中的初始碳含量无关，目前这是现有技术的脱碳法。

至此，为实现本发明目的，提供了一种在生产熔钢时，通过吹进氧气，使所述熔钢脱氮的方法，其特征是同样地以吹的形式引入碳(粉末状碳)，共同注入碳和氧，但分别进入相同的金属池区(如彼此相距约20cm)。

在碳和氧的注入区，局部产生了利于脱氮的条件。实际上，在仅注入氧气的情况下(现有技术的脱碳法)，注入区(喷嘴)迅速地被转换，这是由于碳的消耗及溶解的氧气的相应的高活性，而碳的消耗将延缓CO的形成，所述的高活性将阻止通过形成的CO泡使金属脱氮。

在同一区内，结合注入的碳，通过注入的碳和氧之间的反应将更快地形成CO泡，并减少溶解的氧气的局部活性。所以由于CO的放出，脱氮效率将更高，从而取代通过与表面的空气中的氮气的接触，钢被自然氮化的倾向，因此可以全面地减少金属中氮的含量。

实际上，在电弧熔炉中与在生产金属的任何金属容器中一样，相对于外面的大气，围绕物不能而且也不可能非常地紧密。所以，获得的产品中的氮的最终含量必然是恢复的氮气(如空气的污染)和在液态下生产时进行脱氮二者之间的综合。

而且，优选通过化学计量法调整进入量(即1千克的C对应于0.9Nm3的O₂)，从而金属池中碳的含量没有该变。通过这种方法，CO的放出起到保持“池内恒定的碳”的作用，它的持续适于进行脱氮(根据初始氮含量预计的氮含量)。

参考附图及下列描述可容易地理解本发明的其它特点及优势，其中：

图1是表示在碳重量含量大于0.15％的电炉内，钢池内的氮的重量含量变化的比较图，其为从池内放出的CO容积的函数，根据本发明，所述CO为单一注射氧气时从池中放出的CO(曲线a)和共同注入碳-氧时从池中放出的CO(曲线b)。

图2是一幅与上图相似的图，但在脱碳池内，即金属池内碳的重量含量较低，其值小于0.1％。

图3是表示氮的重量含量变化的比较图，其为CO容积的函数，其中所述CO是根据碳-氧共注射法从池内放出的CO，但碳-氧共注射法取决于气体的性质和注入的碳的输送。

在工业条件下，并在体积为6吨的小炉内，实验并实施本发明的共注射法，通过两个独立的喷嘴同时引入碳和氧，喷嘴的输出端按相同高度并排放在将要处理的熔钢池内，它们彼此相距约20厘米。含有低量的硫和氮的煤影响碳的注入(这两种元素的重量含量小于0.1％)，使用氩气或氮气做载体气体。通过注入O₂或铁核(1公斤的铁核相当于0.2Nm₃的O₂)引入氧。

获得的数量结果首先是在图1和2中表示的结果，其中碳和氧的共注入(曲线b)与仅脱碳的结果相比较(曲线a)，而这通过为CO容积的函数的金属的氮量的变化来表示，其中CO为从池内放出的CO，钢中碳的含量分别大于0.15％(图1)和小于0.10％(图2)。

如上所述，对相对不脱碳的钢来说，溶解的O₂总是很少，从而无法阻止溶解的氮气冲向冲洗气体泡，而CO是由池内脱碳形成的CO(曲线a)或注入本发明池内的碳和氧之间的反应产生的CO(曲线b)。实际上，我们观察到这两种脱氮动力学曲线具有很相似的进程，而且彼此很相近，因为它们都是积聚的CO的函数，而CO随着时间从池内放出，但应注意到效率稍高的5ppm级利于本发明的混合注射。

另一方面，对于脱碳的或低碳的钢来说，即边界值设定重量为0.10％，我们知道在临界值下不可能用简单的常用脱碳法进行脱氮，在图3中，我们观察到共注射的脱氮的动力学曲线具有与上述情况相同的进程，因此其与池内的初始碳含量无关。另一方面，在现有的单一注射O₂的情况下(曲线a)，我们观察到体系重获得氮，而且随着脱碳CO的放出，氮含量有规律的增加。如前所述，重获得氮是两种机理按相反方向同时作用的结果，而且也清楚地表明，在低碳的情况下，在高活性的氧化阶段的气泡附近的局部形成阻止通过CO的脱碳进行脱氮，所以重获得大气中的氮是主要的机理，而且冒出的气泡搅拌池的表面(曲线a)。另外，图1的曲线b表明，在本发明的共注射情况下，主要机理总是通过冲洗CO而进行脱氮，与碳的初始含量无关，即使碳含量很低。

碳输送气体对获得的结果的影响列于图3中。该图表明，在氮气流动下注射煤(曲线1)，脱氮的动力学较低，导致金属内含有有限的氮(平台p)，在p以下，我们无法估计，但在氩气流动下注射，脱氮的动力学较高。但无论怎样，都可以进行脱氮，与预计的氮量的客观平均值相符(目前平台p值为35ppm)。

足以简单灵活地实施本发明的脱氮方法，从而进行多个变化的实施例，以下描述一些实施例：

使用注入的任何类型的碳和氧

实际上，任何氧化气体或氧化粉末(铁核，但也可是镁核，二氧化硅粉末等)可作为氧气的提供体。同样地，任何类型的含碳的产品可用于引入碳。

还可以同时使用含有这两种元素的产品，甚至可以使用预先配好的混合物(如煤/铁核混合物)在这种情况下，自动装置的已知方法影响局部进入。

使用任何注入技术，以保证在此观察到的“局部”条件

现有技术的喷嘴，无论冷却与否，实际上都可以使用；还可使用浸没的边缘喷嘴或任何其它形式的注射器，无论是分别注射氧和碳，还是单一注射氧和碳，都可以使用中心管或连接管。

在任何金属容器内使用这种技术

在电炉内可以进行本发明的共注射，而无特殊的困难，但也可在转炉内，从顶部或从底部吹入O₂；此外还可以在小炉内或在型号为RH的真空装置内进行，其中真空有益于脱氮(P_N2峰超过金属池)。

根据化学计量法调整碳/氧的比率

以上我们已看到根据化学计量法调整O₂和C的进入量的优势。如上解释，可以在喷嘴内保持脱氮条件，同时可以轻微地改变碳/氧的比率，以便在脱氮阶段，同时继续进行金属的脱碳。

下面将详细地描述本发明的突出优势：

使用低碳量进行氮化的可能性

由于局部条件的变化(碳含量、溶解的氧气的活性)，可以使用上述方法使金属脱氮，而金属池内的碳的平均含量小于0.1％(在此极限下，不能用简单的脱碳法进行脱氮)。通过CO放出进行脱氮，同时池内碳含量恒定，即池内碳的重量平均含量在0.05％-0.1％之间。

简单灵活地实施本发明的方法

使用本发明的方法，不必进行大量的投资。尤其是使用电炉时，一般在工厂内就可以获得所需的装置，即：与向金属内注入氧的装置(通常用于脱碳)偶合的系统，和与注入煤于金属内的装置联系的粉末分配器(通常用于注入炉渣内的煤)。如果希望同时注入碳和氧于金属内，并同时在金属池内形成泡沫炉渣，那么必须分离这后一种装置。如果在其它容器内进行生产，那么必须提供一种装置，以便将碳引入与注入的氧相同的区内。

这种氮化技术的成本概括为可消费的成本：即用于注入碳和氧的产品、和在注入固体产品时的输送气体。

在“屏蔽时间”内可以进行脱氮

在有双箱的电炉内，本发明的技术方法特别适用，其中在屏蔽时间内，可以同时注入碳和氧而进行脱氮，在此时间内，在另一个箱内的生金属变熟。至此，在负载生产结束后，可以进脱氮的操作，而没有使用电压，电能被转移到另一个箱，以熔化随后的负载，但钢材的生产率没有损失。

至此，根据本发明的方法具有的多个相同的或变化的实施例，其均可根据所附的权利要求得出，这是无需再说的。

Claims (4)

1.一种在生产熔钢时，通过引入氧使池内的熔钢脱氮的方法，其特征是以吹的形式将碳引入池，并且共同注射碳和氧，但分别进入金属池的相同区。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是用化学计量法调整碳和氧的注入量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是借助于输送气体，以粉末固体态注入碳。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是在具有双箱的电气钢结构装置内实施本发明的方法。