CN102230051A - 一种半钢冶炼控制钢中氮含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半钢冶炼控制钢中的氮含量的方法。根据本发明的半钢冶炼控制钢中的氮含量的方法包括转炉氧气顶吹、出钢前调渣处理，挡渣出钢，其中，根据钢种对氮含量的要求，在转炉氧气顶吹过程中采用不同的底吹模式，并在吹炼末期加入发泡剂，在出钢前1～3min提前对钢包进行吹氩，出钢过程对钢包进行软吹氩操作。本发明能将转炉终点钢中氮含量控制在11ppm以内，出钢过程增氮量控制在1～3ppm以内。根据本发明的方法能有效地降低转炉终点氮含量和减少出钢过程的增氮量，为低氮钢和超低氮钢的生产提供技术支持。

Description

一种半钢冶炼控制钢中氮含量的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别涉及一种半钢冶炼控制钢中氮含量的方法。

背景技术

钢中的氮含量对钢的性能有一定的影响，对于大多数钢种，氮元素会降低钢的韧性和焊接等性能，所以应尽可能将其从钢中去除。通常，在铁水预处理阶段，通过添加由钛渣和碳酸钠组成的脱氮剂可以从铁水中脱除60％左右的氮，但是碳酸钠的使用会带来设备腐蚀等问题，因此目前很少采用这种方法来脱氮。在二次精炼阶段，LF精炼过程由于在电弧区发生氮气分解而使钢水增氮，RH真空精炼过程能够脱去钢水中一部分氮，但是当钢中氮的质量分数低于0.004％时，脱氮效果不显著。因此，冶炼低氮钢种时，转炉吹炼过程是控制钢中氮含量最重要的环节。

文章“IF钢氮含量控制技术研究”(《钢铁》，2010年第7期)对可降低转炉冶炼终点的氮含量的方法进行了讨论，其中，通过提高入炉铁水比，冶炼过程控制返干，冶炼终点减少补吹次数和时间等方法可降低转炉冶炼终点的氮含量，从而生产出氮含量在20ppm以内的IF钢。但是此方法工艺较繁琐，且没有考虑转炉底吹对钢中氮含量的影响。公开号为CN101469356A的中国专利申请公开了一种利用转炉出钢弱脱氧降低钢中氮含量的炼钢方法，所述方法通过将铁水预处理后，将其硫含量控制在0.004％以下，进行氩气软吹，在转炉终点用氩气搅拌5～10分钟，挡渣出钢，出钢不加脱氧剂，实现了在不需添加新设备或改造旧设备的情况下，能将钢材中的氮含量控制在20～30ppm之间。但是该专利申请主要是在出钢过程控制钢中氮含量，没有对冶炼过程氮含量控制进行阐述。

半钢炼钢由于其碳质量百分数较一般铁水低(3.4％～4.0％)，半钢中硅、锰发热成渣元素含量为痕迹，因此半钢冶炼具有吹炼过程中酸性成渣物质少、渣系组元单一、并且热量不足等特点，这使得半钢炼钢比铁水炼钢更加困难，同时根据钢中氮含量的溶解度公式可知：w_[N]＝0.044-0.01w_[C]-0.025w_[Mn]-0.003w_[Si]-0.0043w_[P]-0.001w_[S]+0.0069w_[Cr]+0.013w_[V]-0.001w_[Ni]-0.01w_[Al]+0.1w_[Ti]+0.0015w_[Mo]+0.0102w_[Nb]-0.0004w_[Cu]，w_[*]指相应的元素在钢中的百分含量，如：钢中的碳含量为0.09％，则w_[C]＝0.09。因为钢中含有V、Ti，且Si和Mn含量少，所以会增加钢水中氮含量的理论溶解度。因此，半钢冶炼时控制钢水中的氮含量比控制铁水中的氮含量要更加困难。

发明内容

为克服上述已有技术存在的问题和不足，本发明通过采用不同的底吹模式，并在吹炼末期加入发泡剂控制增氮，避免补吹，出钢前进行调渣处理，并挡渣出钢，从而控制在半钢冶炼过程中控制钢中氮含量的方法。

本发明提供了一种半钢冶炼控制钢中氮含量的方法，所述方法包括转炉氧气顶吹、出钢前调渣处理，挡渣出钢，其中，根据钢种对氮含量的要求，在转炉氧气顶吹过程中采用不同的底吹模式，并在吹炼末期加入发泡剂，在出钢前1～3min提前对钢包进行底吹氩，出钢过程对钢包进行软吹氩操作。

根据本发明的方法，当成品钢中氮含量为40ppm～70ppm时，采用在氧气顶吹8～10min内底吹氮气，接着吹氩气直到出钢结束的底吹模式；所述底吹氮气的强度为0.016～0.089m³/(min·t)，底吹氩气的强度为0.026～0.062m³/(min·t)。

根据本发明的方法，当成品钢中氮含量小于40ppm时，采用氧气顶吹过程同时底吹氩气的底吹模式，所述底吹氩气的强度为0.041～0.077m³/(min·t)。

根据本发明的方法，出钢过程中对钢包进行吹氩的强度为吹氩的强度为0.003～0.007m³/(min·t)，底吹氩压力为0.6～1.3MPa。

根据本发明的方法，发泡剂的组分为：28wt％～45wt％的FeO，7wt％～10wt％的Fe₂O₃，18wt％～22wt％的CaO，6wt％～9wt％的SiO₂，8wt％～11wt％的MgO，3wt％～5wt％的C，余量为杂质；发泡剂的加入量为3～7Kg/t_钢。

在本发明中，在出钢前1～3min提前对钢包进行吹氩，出钢过程对钢包进行软吹氩操作，出钢过程对钢水进行预脱氧。本发明能将转炉终点钢中氮含量控制在11ppm以内，出钢过程增氮量控制在1～3ppm以内。本发明的方法能有效地降低转炉终点氮含量和减少出钢过程的增氮量，为低氮钢和超低氮钢的生产提供技术支撑，具有很好的推广应用前景。

具体实施方式

转炉冶炼脱氮主要是在碳氧反应最激烈的中期，此时碳氧反应产生大量的CO，由于气泡中氮气分压很低，对钢液中溶解的气体来说，气泡就相当于小真空室的作用。因此，钢液中的[N]原子就能自发地进入气泡内形成N₂分子，并且随CO气泡从钢液中排出。而钢液增氮主要发生在末期，此时炉内碳氧反应减缓，碳氧反应产生的CO量少，氧气射流将炉渣吹开，使钢水暴露在空气中，从而使钢水吸氮。

因此，本发明提供了一种转炉冶炼半钢时控制钢中氮含量的方法。这里，需要指出的是，半钢为含钒铁水经过提取钒渣后，钢水中的硅、锰元素几乎完全被氧化，碳也被氧化了一部分，硅、锰含量为痕迹的一种金属液体。在本发明中，根据钢种对氮含量的要求，在转炉氧气顶吹过程中采用不同的底吹供气模式，并在吹炼末期(可根据吹炼时间判断吹炼末期，一般为吹炼9-14min时)，加入发泡剂以促进脱氮并控制吹炼末期增氮，从而避免了补吹，可以在出钢前进行调渣处理，并挡渣出钢。根据本发明，在出钢前提前(例如，在出钢前1～3min内)对钢包进行底吹氩，出钢过程对钢包进行软吹氩操作。根据本发明的方法，能够将转炉终点氮含量控制在11ppm以内，出钢过程增氮量控制在1ppm～3ppm。

根据钢种对氮含量的要求可将钢种分为低氮钢和超低氮钢，其中，低氮钢要求成品钢中氮含量为40ppm～70ppm，超低氮钢要求成品钢中氮含量小于40ppm。

根据本发明的方法，对于低氮钢而言，即，当成品钢中氮含量为40ppm～70ppm时，采用在氧气顶吹8min～10min内底吹氮气，接着吹氩气直到出钢结束的底吹模式；所述底吹氮气的强度为0.016～0.089m³/(min·t)，底吹氩气的强度为0.026～0.062m³/(min·t)。具体地讲，冶炼低氮钢时，冶炼前期是碳的剧烈氧化，炉内剧烈的反应使得钢水中的氮都能随反应产生的气体排出炉内，故采用底吹氮气，而不采用底吹氩气，这样能降低吨钢冶炼成本。而在冶炼后期，炉内反应相对平缓，反应产生的气泡减少，脱氮效果很差，炉内压力的减少会使空气进入炉内与钢水接触，造成钢水吸氮。如果底吹仍然采用氮气则会使钢水严重吸氮，影响转炉脱氮效果。

根据本发明的方法，对于超低氮钢而言，即，当成品钢中氮含量小于40ppm时，采用氧气顶吹过程同时底吹氩气的底吹模式，所述底吹氩气的强度为0.041～0.077m³/(min·t)。与冶炼低氮钢的原理几乎相同，不同之处在于，冶炼超低氮钢时后期底吹氩气的供气强度有所增加，这样有利于冶炼后期脱氮。后期高强度的底吹氩气可以使炉内的氮气随着底吹氩气泡的上浮而被排除，增强冶炼后期的脱氮效果。

根据本发明的方法，出钢过程中对钢包进行吹氩的强度为0.003～0.007m³/(min·t)，底吹氩压力为0.6～1.3MPa。

为了解决了转炉冶炼钢液末期增氮的技术问题，本发明通过在后期加入发泡剂来控制钢中的氮含量，从而避免了补吹，如果补吹氧气，会将渣面吹开，使得钢水严重增氮。氧气补吹是指在冶炼快接近终点时，停止吹氧并对钢水的温度和碳含量进行测量，如果碳和温度达不到出钢要求则要进行补吹氧气以使碳温满足要求。根据本发明，发泡剂的组分为：28wt％～45wt％的FeO，7wt％～10wt％的Fe₂O₃，18wt％～22wt％的CaO，6wt％～9wt％的SiO₂，8wt％～11wt％的MgO，3wt％～5wt％的C和13wt％～15wt％的其它杂质。冶炼末期碳氧反应减缓，反应产生的CO量少，氧气射流将炉渣面吹开，使钢水暴露在空气中，容易使钢水吸氮。发泡剂中由于含有较高的FeO和Fe₂O₃，有利于降低炉渣的粘度，使炉渣流动性增强，并完全将钢水表面覆盖，防止钢水从空气中吸氮。加入后炉内产生大量的CO气泡，CO气泡的排出的同时将钢液中氮脱去，同时大量的CO气泡排出时炉渣发泡，起到隔绝空气的作用，能防止后期钢液从空气中吸氮。因此，在吹炼末期加入发泡剂能够脱氮及防止末期增氮。

根据本发明，调渣处理即向转炉内加入调渣剂，出钢前向转炉内加入调渣剂是目前转炉调渣的一种方式，主要目的是以稠化炉渣防止出钢过程下渣。

根据本发明，出钢前1～3min提前对钢包底吹氩，目的在于清除钢包中的空气，防止空气中的氮溶解于钢液中，减少出钢过程增氮。

根据本发明，出钢过程对钢包进行软吹氩操作，即在保证对钢水的搅拌作用的前提下钢包底部供气采用相对较小的氩气流量，以钢水不裸露在空气中为标准。

根据转炉的容量在转炉底部设置不同数量的透气砖，通过透气砖实现转炉的底吹。

实施例1：

以提钒后的半钢为原料冶炼无间隙原子钢(IF钢)，该钢种要求钢中氮含量≤25ppm。

提钒后的半钢经铁水预处理后，半钢直接兑入转炉进行冶炼，转炉公称容量为120t。入炉半钢重量为138.26t，温度为1356℃，碳含量为3.76％，硫含量为0.005％。经检测分析，入炉半钢氮含量为40ppm。半钢兑入转炉后开始吹氧冶炼，此时转炉底吹采用全程供氩模式：转炉底部为四块透气砖，从吹氧开始到吹炼11min单砖供气流量为50Nm³/h，总供气强度为0.026m³/(min·t)；9min～13min单砖供气流量为供氩流量为80Nm³/h，总供气强度为0.041m³/(min·t)；13min后供氩流量为120Nm³/h，总供气强度为0.062m³/(min·t)。

在冶炼时间为12min时向转炉内加入发泡剂3Kg/t_钢，冶炼一次成功，没有补吹。所述发泡剂的组分为：28wt％的FeO，10wt％的Fe₂O₃，22wt％的CaO，9wt％的SiO₂，11wt％的MgO，5wt％的C，余量为不可避免的杂质。

出钢前加入调渣剂调整炉渣粘度，出钢前2min提前对钢包吹氩，钢包进行吹氩的强度为0.003m³/(min·t)，底吹氩压力为0.6MPa，出钢后期挡渣出钢，减少出钢过程下渣量，出钢过程软吹氩。

出钢前取转炉内钢样一个，出钢后取钢包中钢样一个。经检验分析，转炉终点钢水中氮含量为9.2ppm，钢包中氮含量为12.2ppm，出钢过程增氮3ppm。

对比示例1：

除了在吹炼末期不加发泡剂和不提前对钢包吹氩之外，采用与实施例1中的方法相同的方法以提钒后的半钢为原料冶炼IF钢。转炉终点钢水中氮含量为15.2ppm，钢包中钢液氮含量为21.7ppm，出钢过程增氮6.5ppm。

将根据本发明的实施例1与对比示例1进行对比，可知，根据对比示例1的方法得到的转炉终点氮含量要比根据本发明的实施例1的方法得到的转炉终点氮含量高出6ppm，并且根据对比示例1的方法出钢时不提前对钢包吹氩要比根据本发明的实施例1的方法提前对钢包吹氩的方法出钢过程钢水增氮高出3.5ppm。

实施例2：

以提钒后的半钢为原料冶炼50PW800L钢，该钢种成品内控要求钢中氮含量≤45ppm。

提钒后的半钢经铁水预处理后直接兑入转炉进行冶炼，转炉公称容量为120t。入炉半钢碳含量为3.52％，硫含量为0.006％，半钢重量为137.66t，温度为1369℃，经检测分析，入炉半钢氮含量为43ppm，半钢兑入转炉后开始吹氧。此时转炉底吹采用前期供氮后期供氩模式，转炉底部设置四块透气砖，吹炼前期单砖氮气流量为80Nm³/h，总供气强度为0.041m³/(min·t)，9min～13min单砖供气流量为供氩流量为120Nm³/h，总供气强度为0.062m³/(min·t)，13min后供氩流量为150Nm³/h，总供气强度为0.077m³/(min·t)。

在冶炼时间为12min时向转炉内加入发泡剂4.5Kg/t_钢，冶炼一次成功，没有补吹。所述发泡剂的组分为：45wt％的FeO，7wt％的Fe₂O₃，18wt％的CaO，6wt％的SiO₂，8wt％的MgO，3wt％的C，余量为不可避免的杂质。

出钢前对加入调渣剂调整炉渣粘度，出钢前3min提前对钢包吹氩，钢包进行吹氩的强度为0.007m³/(min·t)，底吹氩压力为1.5MPa，出钢后期挡渣出钢，减少出钢过程下渣量，出钢过程软吹氩。

出钢前取转炉内钢样一个，出钢后取钢包中钢样一个，经检验分析，转炉终点钢水中氮含量为10.5ppm，钢包中氮含量为12.8ppm，出钢过程增氮2.3ppm。

对比示例2：

除了在吹炼末期不加发泡剂和不提前对钢包吹氩之外，采用与实施例2中的方法相同的方法以提钒后的半钢为原料冶炼50PW800L钢。转炉终点钢水中氮含量为15.6ppm，钢包中钢液氮含量为20.8ppm，出钢过程增氮5.2ppm。

将根据本发明的实施例2与对比示例2进行对比，可知，根据对比示例2的方法得到的转炉终点氮含量要比根据本发明的实施例2的方法得到的转炉终点氮含量高出5.1ppm，并且根据对比示例2的方法出钢时不提前对钢包吹氩要比根据本发明的实施例2的方法提前对钢包吹氩的方法出钢过程钢水增氮高出2.9ppm。

实施例3：

以提钒后的半钢为原料冶炼重轨钢，该钢种成品内控要求钢中氮含量≤60ppm。

提钒后的半钢经铁水预处理后直接兑入转炉进行冶炼，转炉公称容量为120t。入炉半钢碳含量为3.35％，硫含量为0.003％，半钢重量为136.82t，温度为1368℃，经检测分析，入炉半钢氮含量为39ppm，半钢兑入转炉后开始吹氧。此时转炉底吹采用前期供氮后期供氩模式：转炉底部设置六块透气砖，吹炼前期单砖氮气流量为30Nm³/h，总供气强度为0.023m³/(min·t)，9min～11min单砖供气流量为供氩流量为50Nm³/h，总供气强度为0.037m³/(min·t)，11min后供氩流量为80Nm³/h，总供气强度为0.060m³/(min·t)。

在冶炼时间为10min时向转炉内加入发泡剂6Kg/t_钢，冶炼一次成功，没有补吹。所述发泡剂的组分为：40wt％的FeO，8wt％的Fe₂O₃，20wt％的CaO，6wt％的SiO₂，9wt％的MgO，4wt％的C，余量为不可避免的杂质。

出钢前对加入调渣剂调整炉渣粘度，出钢前1min提前对钢包吹氩，钢包进行吹氩的强度为0.004m³/(min·t)，底吹氩压力为0.8MPa，出钢后期挡渣出钢，减少出钢过程下渣量，出钢过程软吹氩。

出钢前取转炉内钢样一个，出钢后取钢包中钢样一个，经检验分析，转炉终点钢水中氮含量为10.8ppm，钢包中钢样氮含量为11.8ppm，出钢过程增氮1ppm。

对比示例3：

除了在吹炼末期不加发泡剂和不提前对钢包吹氩之外，采用与实施例3中的方法相同的方法以提钒后的半钢为原料冶炼重轨钢。转炉终点钢水中氮含量为15.7ppm，钢包中钢液氮含量为20.6ppm，出钢过程增氮4.9ppm。

将根据本发明的实施例3与对比示例3进行对比，可知，根据对比示例3的方法得到的转炉终点氮含量要比根据本发明的实施例3的方法得到的转炉终点氮含量高出4.9ppm，并且根据对比示例3的方法出钢时不提前对钢包吹氩要比根据本发明的实施例3的方法提前对钢包吹氩的方法出钢过程钢水增氮高出3.9ppm。

实施例4：

以提钒后的半钢为原料冶炼管线钢，该钢种成品内控要求钢中氮含量≤40ppm。

提钒后的半钢经铁水预处理(主要是脱S)后直接兑入转炉进行冶炼，转炉公称容量为120t。入炉半钢碳含量为3.82％，硫含量为0.003％，半钢重量为136.82t，温度为1342℃，经检测分析，入炉半钢氮含量为46ppm，半钢兑入转炉后开始吹氧。此时转炉底吹采用全程供氩模式：转炉底部设置六块透气砖，吹炼前期单砖氮气流量为50Nm³/h，总供气强度为0.037m³/(min·t)，9min～11min单砖供气流量为供氩流量为80Nm³/h，总供气强度为0.060m³/(min·t)，11min后供氩流量为120Nm³/h，总供气强度为0.089m³/(min·t)。

在冶炼时间为10min时向转炉内加入发泡剂7Kg/t_钢，冶炼一次成功，没有补吹。所述发泡剂的组分为：36wt％的FeO，8wt％的Fe₂O₃，20wt％的CaO，8wt％的SiO₂，10wt％的MgO，4wt％的C，余量为不可避免的杂质。

出钢前对加入调渣剂调整炉渣粘度，出钢前1min提前对钢包吹氩，钢包进行吹氩的强度为0.006m³/(min·t)，底吹氩压力为1.0MPa，出钢后期挡渣出钢，减少出钢过程下渣量，出钢过程软吹氩。

出钢前取转炉内钢样一个，出钢后取钢包中钢样一个，经检验分析，转炉终点钢水中氮含量为9.4ppm，钢包中钢样氮含量为12.2ppm，出钢过程增氮2.8ppm。

对比示例4：

除了在吹炼末期不加发泡剂和不提前对钢包吹氩之外，采用与实施例4中的方法相同的方法以提钒后的半钢为原料冶炼重轨钢。转炉终点钢水中氮含量为14.6ppm，钢包中钢液氮含量为19.8ppm，出钢过程增氮5.2ppm。

将根据本发明的实施例4与对比示例4进行对比，可知，根据对比示例4的方法得到的转炉终点氮含量要比根据本发明的实施例4的方法得到的转炉终点氮含量高出5.2ppm，并且根据对比示例4的方法出钢时不提前对钢包吹氩要比根据本发明的实施例4的方法提前对钢包吹氩的方法出钢过程钢水增氮高出2.4ppm。

由实施例1至4和对比例1至4可知，与现有技术相比，根据本发明的方法能免将转炉终点钢中氮含量控制在11ppm以内，出钢过程增氮量控制在1ppm～3ppm。因此，本发明的方法能有效地降低转炉终点氮含量和减少出钢过程的增氮量。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (8)

1.一种半钢冶炼控制钢中氮含量的方法，包括转炉氧气顶吹、出钢前调渣处理，挡渣出钢，其特征在于根据钢种对氮含量的要求，在转炉氧气顶吹过程中采用不同的底吹模式，并在吹炼末期加入发泡剂，在出钢前1min提前对钢包进行底吹氩，出钢过程对钢包进行软吹氩操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当成品钢中氮含量为40ppm～70ppm时，采用在氧气顶吹8～10min内底吹氮气，接着吹氩气直到出钢结束的底吹模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述底吹氮气的供气强度为0.016～0.089m³/(min·t)，底吹氩气的供气强度为0.026～0.062m³/(min·t)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当成品钢中氮含量小于40ppm时，采用氧气顶吹过程同时底吹氩气的底吹模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述底吹氩气的强度为0.041～0.077m³/(min·t)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于出钢过程中对钢包进行吹氩的强度为0.003～0.007m³/(min·t)，底吹氩压力为0.6～1.3MPa。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于发泡剂的组分为：28wt％～45wt％的FeO，7wt％～10wt％的Fe₂O₃，18wt％～22wt％的CaO，6wt％～9wt％的SiO₂，8wt％～11wt％的MgO，3wt％～5wt％的C，余量为不可避免的杂质。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于发泡剂的加入量为3Kg/t_钢～7Kg/t_钢。