CN111944953B - 一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法，本发明利用钢水中析出微小气泡去除夹杂的原理，充分考虑增氮和析氮的热力学和动力学条件，针对高品质特殊钢夹杂物高要求及小尺寸夹杂物的难以有效去除的问题，采用LF炉工序增氮，控制钢中氧、硫含量，RH工序脱氮的操作工艺，保证钢水的增氮和析氮反应速率的稳定，在有效降低高品质特殊钢中非金属夹杂物数量的同时，也满足低成本连续稳定生产的要求。

Description

一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，涉及一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法。

背景技术

非金属夹杂物是影响轴承、弹簧、帘线等冶金产品的疲劳寿命的重要因素，钢中非金属夹杂物的数量、尺寸是衡量产品质量的重要指标。在现有高品质特殊钢的生产工艺流程中，对非金属夹杂物的控制大多通过LF、RH或者VD工序精炼处理，而LF、RH或者VD等精炼环节在去除非金属夹杂物时需要很长的时间。而且，这些精炼工艺虽然能生产出高品质特殊钢，但是去除小尺寸(≤20μm)夹杂物的效率比较低。

钢水中气泡能够吸附并去除夹杂物已经被冶金学者研究和应用，但通过外部供入的气体在钢水中形成气泡尺寸较大，而且分布不均匀，吸附夹杂物能力有限，去除夹杂物效果不佳，尤其对小尺寸夹杂物去除效果较差。

目前有专利给出了利用在钢中析出微小气泡来去除非金属夹杂物的方法，主要操作要点是首先对钢液中预先增加氮元素或氢元素或氢氮混合元素，然后再通过对钢液进行真空处理，使钢液中析出气泡，以达到去除夹杂物的效果。主要涉及专利有：2015年3月11日公开的公开号CN104404205《一种增氮析氮法去除钢液中显微非金属夹杂物的方法》、2019年1月11日公开的公开号CN105779699B《利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置》、2018年4月24日公开的公开号CN106086315《一种在钢液中生成微小气泡的方法》。以上专利虽然可以起到降低钢中非金属夹杂物的效果，但存在以下几个方面的问题：1、对高温液态钢水增氢(吹入氢气、焦炉煤气、天然气等含氢气体)的操作存在较大的安全隐患，对设备的密封性能和日常的气体管道捡漏要求严格，对企业来说管理成本较大，在工业大生产中应用适应性较差；2、未充分考虑钢水增氮和析氮反应的动力学因素，尤其是钢中氧和硫元素含量对钢中氮元素传质的影响，增氮和析氮的反应速率无法有效控制，导致增氮和析氮效果差异大，进而无法稳定夹杂物去除效果。3、以上专利中明确了增氮后钢中氮含量目标要求，但由于未对其他影响钢中增氮反应热力学和动力学因素做出要求，必然导致增氮析氮时间不稳定(未对钢水进行有效的脱氧控硫会导致钢水增氮、析氮的时间长短无法控制)。而目前全国90％以上钢企都是高效连续生产，增氮析氮时间不稳定容易造成生产节奏紊乱，影响稳定连续生产，造成吨钢成本升高。此外部分发明需要有专门的增压设备，成本投入很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法，利用钢水中析出微小气泡去除夹杂物的原理，充分考虑增氮和析氮的热力学和动力学条件，同时结合高效连续稳定生产对工艺设计的要求，综合考虑成本和质量，针对高品质特殊钢夹杂物高要求及小尺寸夹杂物的难以有效去除的问题，设计LF和RH工艺，有效控制钢中氧、硫含量，实现钢中稳定有效增氮和分级式高效脱氮，既能高效去除钢中小尺寸夹杂物，又能满足低成本稳定连续生产的要求。

本发明具体技术方案如下：

一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法，包括以下步骤：

1)出钢过程对钢水进行脱氧处理；

2)出钢后的钢水经过LF精炼；

3)RH工序进行脱氮，先进行低真空处理，提升气体为氮气；再进行高真空处理，提升气体为氩气。

进一步的，步骤1)中，在出钢过程对钢水进行脱氧处理，使LF炉进站钢水中[O]含量≤30ppm，且要求钢中[S]≤0.030％。

步骤2)中，在LF精炼过程中，控制钢中氧、硫含量以及增氮处理，具体为：顶渣转变为白渣前底吹气体为氩气，优选的，底吹气体流量为150-450NL/min；顶渣转变为白渣时，底吹气体为氩气，优选的，底吹气体流量为250-550NL/min，并保持4-8min，钢水进站S含量偏高时保持时间长、S含量偏低时保持时间短；随后底吹气体切换为氮气，优选的，流量调整为150-450NL/min，保持时间为15-20min；LF炉出站前5-8min，底吹气体切换为氩气。此过程操作综合考虑了脱硫、脱氧(防止二次氧化)、增氮三方面的因素。使LF出站时钢水中[O]小于15ppm、[S]小于20ppm以及钢水中氮含量稳定在200-250ppm，顶渣中TFeO+MnO质量分数≤0.8％。

进一步的，步骤2)中，若钢中氮含量没达到目标范围，可用含氮合金或者喂含氮线进行氮含量调整。

步骤3)中，采用分级式两段脱气，先是低真空浅处理阶段：浸渍管提升气体为氮气，优选的，真空槽真空度控制在200-500帕，提升气体流量300-500NL/min，该阶段主要以脱氢、脱氧为主，处理时间8-12min；然后，高真空深处理阶段：浸渍管提升气体切换成氩气，优选的，真空度小于100帕，提升气体流量在800-1000NL/min，处理时间15min以上。

分级步进式处理脱气目的在于两点：a)避免真空前期同时脱钢水中的N、H、O气体元素，浅处理阶段主要脱H和O，深处理阶段主要脱N，防止喷溅的情况发生；b)分阶段脱气操作延长了真空处理过程钢水中有气泡上浮的时间，强化了利用钢水中析出微小气泡去除夹杂的效果。

本发明方法处理后，20μm及其以上尺寸的夹杂物去除率达99％以上，尺寸小于20μm夹杂物去除率达到85％以上。

本发明利用钢水中析出微小气泡去除夹杂的原理，充分考虑增氮和析氮的热力学和动力学条件，针对高品质特殊钢夹杂物高要求及小尺寸夹杂物的难以有效去除的问题，采用LF炉工序增氮，控制钢中氧、硫含量，RH工序脱氮的操作工艺，保证钢水的增氮和析氮反应速率的稳定，在有效降低高品质特殊钢中非金属夹杂物数量的同时，也满足低成本连续稳定生产的要求。

本发明用于对夹杂物要求很高的高品质特殊钢，包括轴承钢、弹簧钢、帘线钢等的生产过程中，显著降低钢中小尺寸夹杂物的数量，提升产品的质量，同时也能满足低成本连续稳定生产的要求。

与现有技术相比，本发明充分考虑LF精炼过程中氧、硫元素含量以及底吹气体流量和时间等因素对钢水增氮热力学和动力学条件影响，RH真空处理过程提升气体种类、流量、时间及真空度等因素对钢水脱氮热力学和动力学条件影响，结合高效连续稳定生产对工艺设计的要求，综合考虑成本和质量，针对高品质特殊钢夹杂物高要求及小尺寸夹杂物的难以有效去除的问题，设计了LF和RH工艺，稳定有效控制了钢中氧、硫含量，实现钢水稳定和精确的增氮以及持续有效的分级式脱氮，充分发挥了析出微小弥散氮气泡的吸附去除夹杂物效果。可使RH工序前后钢水中夹杂物数量稳定降低90％以上，其中20μm及其以上尺寸的夹杂物去除率达99％以上，尺寸小于20μm夹杂物去除率达到85％以上，显著提高钢水的洁净度，同时实现了低成本稳定连续生产。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

实施例1

在某厂电炉-LF精炼-RH真空处理-连铸的工艺流程中生产一组6炉轴承钢过程中使用本发明，采用LF炉工序增氮，控制钢中氧、硫含量，RH工序脱氮的操作工艺，具体为：

一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法，包括以下步骤：

1)出钢过程对钢水进行脱氧处理：在出钢过程对钢水进行脱氧处理，使LF炉进站钢水中[O]含量≤30ppm，且要求钢中[S]≤0.030％。

2)出钢后的钢水经过LF精炼：顶渣转变为白渣前底吹气体流量为150-450NL/min，底吹气体为氩气；顶渣转变为白渣时，底吹气体流量为250-550NL/min，底吹气体为氩气，并保持4-8min；钢水进站S含量偏高时保持时间长、S含量偏低时保持时间短；随后底吹气体切换为氮气，流量调整为150-450NL/min，保持时间为15-20min；LF炉出站前5-8min，底吹气体切换为氩气。使LF出站时钢水中[O]小于15ppm、[S]小于20ppm以及钢水中氮含量稳定在200-250ppm，顶渣中TFeO+MnO质量分数≤0.8％。

3)RH真空脱气处理：RH工序进行脱氮，采用分级式两段脱气，先是低真空浅处理阶段，真空槽真空度控制在200-500帕，浸渍管提升气体为氮气，提升气体流量300-500NL/min，该阶段主要以脱氢、脱氧为主，处理时间8-12min；然后，高真空深处理阶段：真空度小于100帕，浸渍管提升气体切换成氩气，提升气体流量在800-1000NL/min，处理时间15-20min。

具体过程控制参数见下表，其中LF工序情况见表1，RH工序情况见表2。生产过程中对钢水RH前后钢水中不同尺寸的夹杂物去除情况进行检验对比分析，对比结果见表3。

表1 LF精炼工序工艺实施情况

表中5号和6号作为对比，全程中吹入钢水中的气体均为氩气。

表中流量单位均为NL/min，6炉钢水在LF出站时顶渣中TFeO+MnO质量分数均≤0.8％。

表2 RH精炼工序工艺实施情况

表中5号和6号作为对比，全程中吹入钢水中的气体均为氩气。

表中流量单位均为NL/min。

表3 RH精炼工序前后夹杂物去除情况表

序号	≥20μm夹杂物去除比例	﹤20μm夹杂物去除比例
			1	100％	93％
2	100％	88％
			3	100％	85％
4	99％	90％
			5	35％	30％
6	40％	35％

由实施例的过程控制情况和RH精炼工序前后夹杂物去除的情况可得，本发明的过程控制和夹杂物去除效果良好，钢水洁净度和产品质量改善效果明显。

Claims (1)

1.一种降低钢中小尺寸非金属夹杂物数量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)出钢过程对钢水进行脱氧处理；

2)出钢后的钢水经过LF精炼；

3)RH工序进行脱氮，先进行低真空处理，提升气体为氮气；再进行高真空处理，提升气体为氩气；

步骤1)中，在出钢过程对钢水进行脱氧处理，使LF炉进站钢水中[O]含量≤30ppm，且要求钢中[S]≤0.030％；

步骤2)中，顶渣转变为白渣前底吹气体为氩气，底吹气体流量为150-450NL/min；顶渣转变为白渣时，底吹气体为氩气，底吹气体流量为250-550NL/min，并保持4-8min；随后底吹气体切换为氮气，流量调整为150-450NL/min，保持时间为15-20min；LF炉出站前5-8min，底吹气体切换为氩气；LF出站时钢水中[O]小于15ppm、[S]小于20ppm以及钢水中氮含量稳定在200-250ppm，顶渣中TFeO+MnO质量分数≤0.8％；

步骤3)中所述低真空处理，真空槽真空度控制在200-500帕，提升气体流量300-500NL/min，处理时间8-12min；

步骤3)中所述高真空处理，真空度小于100帕，提升气体流量在800-1000NL/min，处理时间15min以上；

步骤3)处理后，20μm及其以上尺寸的夹杂物去除率达99％以上，尺寸小于20μm夹杂物去除率达到85％以上。