一种提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼的技术领域，具体的涉及一种提高钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法。

背景技术

钒氮合金是一种含钒和氮元素的的合金，在转炉炼钢工序中添加入钢水中时，氮元素能够与钒元素生成氮化物，从而显著提升钢材的强度和韧性，与单纯添加钒铁合金相比，钒的加入量可降低30％以上，具有显著的经济效益，因此在钢水中添加钒氮合金成为低成本生产高强钢的重要方式之一。

但现有的转炉炼钢生产工艺中，钒氮合金中氮的回收率偏低，仅有25％-78％，且波动范围大，不稳定，而为了保证产品性能，则钒氮合金的加入量较高，生产成本较高。

CN 108823355公开了一种提高钒氮微合金化钢中氮回收率的方法，包括电弧炉熔炼工序、钢包预脱氧及合金化工序和LF精炼工序，所述钢包预脱氧及合金化工序中，根据电弧炉终点碳含量控制脱氧剂加入量，使钢液中的溶解氧含量≤0.0005％；电弧炉出钢至总出钢量的1/5时，加入脱氧剂和增碳剂；电弧炉出钢至总出钢量的1/3时，加入钒氮合金；电弧炉出钢至总出钢量的2/5时，加入硅锰合金、高碳锰铁、预熔精炼渣、萤石和石灰；上述所有物料在出钢至总出钢量的2/3之前全部加完。该专利针对的是电弧炉冶炼工艺。

而目前亟需解决的是如何提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素的回收率和稳定性。

发明内容

本发明提供了一种提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法，该方法解决了转炉炼钢工序中钒、氮元素回收率低且不稳定的问题，不仅可以为后续产品性能的提高和稳定性提供基础，也能降低炼钢工序的合金消耗，降低合金使用成本。

具体的技术方案如下：

一种提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法，包括以下步骤：

(1)铁水预处理：

脱硫后铁水中的硫含量≤0.01％；铁水温度≥1250℃，脱硫完毕对铁水表面进行扒渣，保证在扒渣后铁水表面的裸露面积≥90％；硫含量≤0.01％有利于降低转炉脱硫强度。而铁水温度≥1250℃可以降低转炉吹氧提温，因此可以一定程度上降低转炉钢水的氧含量。

(2)转炉炼钢：

废钢采用重废钢物料；所采用的重废钢物料杂质较少，利于提高钢水质量，避免使用轻薄料压块、钢切屑压块等杂质含量高的废钢。

对炼钢所用的原材辅料进行干燥或烘烤，除去其中的水分；因为水分在受热后会分解成氧和氢，而氧会增加钢水的氧含量，进而会增加脱氧剂使用量，氢会增加钢水的氢含量，氢高则会导致钢存在氢裂和氢脆缺陷。

冶炼终点C含量控制在0.06-0.18％；出钢温度控制在1600-1625℃，终渣碱度控制在3.0-4.0；通过终点C含量的范围可见该方法所能适用的钢种范围广；而出钢温度较低，温度较低有利于降低钢水的氧含量，增加合金化中合金的回收率。

采用高拉一次补吹；高拉补吹是指终点按钢种所要求的碳含量稍高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与钢种要求的碳含量差值决定补吹时间。

渣料在终点前3min加完，确保渣料充分融化，全程渣子化好、化透。终点压枪时间≥1min，目的是降低钢水氧含量，确保渣料充分融化；

吹炼过程中，根据枪龄和碳氧积适时调整枪位，避免渣料和钢水混合反应过于激烈，从而降低钢水的过氧化(即氧含量高)，降低钢水纯净度。枪龄高，氧枪的磨损大；碳氧积低，降低氧流量。

吹炼末期，顶枪枪位下降95-105mm；以降低钢水氧含量。

冶炼后期吹氩≥3min；提高氩气对钢水的搅拌作用，进而提高钢水的均匀性。

采用硅锰进行脱氧；视钢水过氧化程度补加。

当钢水出至1/4时，根据钢种成分要求开始加入除钒氮合金以外的其他合金，比如硅锰、中锰/高锰、高铬、铌铁等合金，在钢水出至3/4时加完；所述的硅锰、中锰/高锰、高铬、铌铁符合国家标准和行业标准。比如GB/T 3795-2014规范了高锰和中锰的具体含量。

当钢水出至3/4时，开始加入钒氮合金，出钢结束前加完；所设计的加料顺序提高合金的回收率：先加其他相对便宜的合金，可以进一步降低钢水的氧含量，提高价格高的钒氮合金中钒的回收率，从而降低生产成本。

确保放钢后在2min内完成钢包加盖；当放钢1/2时开始随钢流加入预熔渣、合成渣；放钢至3/4时加完；

(3)精炼：

精炼时，控制氩气的压力和流量，保证渣面轻微翻动而不露钢水；

出站前确保顶渣为白渣；

加热制度：通电开始时，采用高电压、低电流的长弧操作；炉渣化好后，采用低电压、高电流的埋弧作业；

(4)连铸：

大包水口采用长水口氩气全保护；

中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好。采用“碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖”是为了提高中间包保温效果，且尽可能避免中间包内的钢水从空气中吸氮。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性方法的步骤(2)转炉炼钢中重废钢物料为钢筋压块、重型压块、厂内棒材、厚板或型钢。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法的步骤(2)转炉炼钢中的原材辅料包括废钢、脱氧剂、合金。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法的步骤(2)转炉炼钢的冶炼终点C含量控制在0.08-0.12％。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法的步骤(2)转炉炼钢的吹炼末期顶枪的枪位下降100mm。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法的步骤(2)转炉炼钢中预熔渣加入量：合成渣加入量为1:3。

进一步的，所述提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法的步骤(2)转炉炼钢中预熔渣加入量为200kg/炉，合成渣加入量为600kg/炉。

本发明的有益效果为：本发明提供一种提高钒氮合金氮元素回收率和稳定性的方法，包括以温度和扒渣控制的铁水预处理，保证一次倒炉率、脱氧后加钒氮合金、降低出钢吸氮、提高出钢后钢水保温的转炉生产，降低电弧加热和钢水裸露吸氮的精炼，以及提高全保护浇注效果的连铸工艺等一系列措施。

在现有生产流程条件下，无需做出任何调整，便能够提高并稳定生产过程中的合金中氮元素的收得率，采用本发明所述方法使得钒氮合金的氮回收率在78.0％～92.6％，平均85.4％，且氮回收率稳定，波动范围在7.2％-7.4％。

在保证产品性能不降低的条件下，降低钒氮合金的加入量，本发明钒氮合金的加入量与现有技术相比，减少了35％-37％；有利于钢铁行业整体的节能减排绿色发展，从而降低炼钢生产过程合金成本，合金成本相较于现有技术降低了36％-37％。

具体优势如下：

(1)通过提高铁水预处理的扒渣效果，使得铁水罐的扒渣裸露面积为90％以上，降低铁水带渣量。因为多孔渣吸附空气会导致铁水中氮含量的增加，且该部分吸氮量不可控。可见铁水渣量的增加会影响铁水的吸氮效果，且因铁水渣的吸氮量不可控则增加后续生产的氮含量控制难度。

(2)通过一次拉碳法，降低钢水氧含量，为后续降低脱氧合金和合金化合金的加入提供基础，从而降低合金加入引起的氮含量波动。

(3)降低钢水出钢过程中的吸氮。

(4)脱氧采用硅锰合金，可以降低含铝合金脱氧引起的氮含量波动。

(5)出钢后期添加钒氮合金，有利于提高钒氮合金中钒和氮的收得率。

出钢前期加脱氧剂和合金可以降低钢水中氧含量，降低钒氮合金中钒被氧化的量，因此能够提高钒的回收率。氧含量低，有利于提高氮的回收率，因为氧在钢水中是表面活性元素，当钢水中氧含量降低时，会增加氮在钢水溶解的传质系数，为钢水中氮含量增加提供动力学条件。

(6)优化流程，减少钢包加盖时间，有助于提高对钢水的保温效果，降低钢水在进入精炼前的温降，降低电弧加热导致的钢水氮含量不稳定。

(7)优化精炼的加热制度和埋弧操作，降低电弧引起的空气电离造成的钢水吸氮；优化氩气压力和流量，减少渣面波动导致的钢液裸露，降低钢水中氮含量波动。

(8)连铸过程采用大包长水口氩气保护浇注和碱性覆盖剂结合碳化稻壳中间包钢水保护，降低钢水从空气中吸氮，可以进一步降低钢水中氮含量波动。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

某炼钢厂生产Q355B钢种时，采用本发明所述方法提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性的具体生产步骤和关键工艺点控制如下所述。

(1)铁水预处理：

脱硫后铁水中的硫含量≤0.006％；铁水温度为1365℃，脱硫完毕后，铁水罐扒渣裸露面积为95％。

(2)转炉炼钢：

废钢采用重型压块和型钢的重废钢物料。原材辅料使用前在200℃下进行烘烤30min；

冶炼终点C含量为0.08％，出钢温度为1600℃，终渣碱度控制在3.0；

采用一次拉碳法；渣料在终点前3min加完，全程渣子化好、化透；终点压枪时间≥1min；

吹炼过程中，根据枪龄和碳氧积，适时调整枪位；

吹炼末期，顶枪枪位下降100mm；

冶炼后期吹氩3min。

采用吨钢加入3kg/t的硅锰进行脱氧，钢水中含氧量控制在0.0151％。

钢水出至1/4时，按照9.17kg/t加入硅锰、按照11.85kg/t加入高锰，钢出至3/4时加完；

钢水出至3/4时，按照0.265kg/t加入VN16(GB/T20567-2020钒氮合金)，出钢结束前加完；

优化流程，在放钢后2min完成钢包加盖。

(3)精炼：

精炼时，氩气压力控制在0.3-0.5MPa，保证渣面轻微翻动不露钢水为宜；

出站前顶渣必须为白渣；

加热制度：通电开始时，采用208V高电压、12500A低电流的长弧操作；炉渣化好后，采用108V低电压、19100A高电流的埋弧作业。

(4)连铸：

大包水口采用长水口氩气全保护；

中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好。其中碱性覆盖剂的组分配比如下：4.8％C，36.5％CaO，2.8％Al

(5)轧制：

加热制度：加热温度1285℃，加热时间2h。

轧制制度：开轧温度1150℃，终轧温度860℃，轧材在冷床自然冷却，轧制规格为H350×350×12×19。

实施例2

某炼钢厂生产Q355B钢种时，具体生产步骤和关键工艺点控制除以下区别外，其他与实施例1所述的相同。

(1)铁水预处理：

脱硫后铁水中的硫含量≤0.008％；铁水温度为1370℃。

(2)转炉炼钢：

冶炼终点C含量为0.10％，出钢温度为1625℃；

采用吨钢加入3.5kg/t的硅锰进行脱氧；

放钢后1min完成钢包加盖。

(3)精炼：

精炼时，控制氩气压力在0.2-0.4MPa，保证渣面轻微翻动不露钢水为宜。

实施例3

某炼钢厂生产Q355B钢种时，具体生产步骤和关键工艺点控制除以下区别外，其他与实施例1所述的相同。

(1)铁水预处理：

脱硫后铁水中的硫含量≤0.010％；铁水温度为1380℃。

(2)转炉炼钢：

冶炼终点C含量为0.12％，出钢温度为1615℃；

采用吨钢加入3.2kg/t的硅锰进行脱氧；

放钢后1.5min完成钢包加盖。

(3)精炼：

精炼时，氩气压力为0.2-0.4MP，保证渣面轻微翻动不露钢水为宜。

对比例1

某炼钢厂生产Q355B钢种时，该对比例在提高转炉炼钢中钒氮合金氮元素回收率和稳定性时所进行的具体生产步骤和关键工艺点控制如下所述。

(1)铁水预处理：

脱硫后铁水中的硫含量≤0.015％；温度1250℃，脱硫完毕后，铁水罐扒渣裸露面积为85％。

(2)转炉炼钢：

废钢采用钢筋切头和钢筋压块，未对原料进行烘干或烘烤；

冶炼终点C含量为0.08％，出钢温度为1640℃，终渣碱度控制在4.2。

渣料于终点前5分钟加完，终点压枪时间2分钟。与实施例1相比，缺少了吹炼过程、吹炼末期和冶炼后期的工序。

采用铝锰铁，吨钢加入2.5kg/t。

钢水出至1/4时，按照9.17kg/t加入硅锰、11.85kg/t加入高锰，0.420kg/t加入钒氮合金，钢出至3/4时加完。

放钢后5min完成钢包加盖。

(3)精炼：

精炼时，氩气压力控制在0.5-0.7MPa。

与实施例1相比，该对比例未要求出站前顶渣必须为白渣。

加热制度：通电开始时，采用高电压、低电流长弧操作，炉渣化好后，采用低电压、高电流埋弧作业。

(4)连铸：

大包水口采用长水口全保护，但未采用氩气。

中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好。

表1各实施例和对比例所述方法中的氮收得率以及所用钒氮合金的成本

表2各实施例和对比例最终所得成品钢的成分表

表3各实施例和对比例所得产品成品钢的性能

通过表1和表3的数据分析可知，在产品强度和冲击性能基本一致的情况下，采用本发明所述方法其钒氮合金的氮回收率在78.2％～92.6％，平均85.4％，较对比例的氮回收率提高32.6％，而吨钢成本则较对比例降低了23.3元，表明本发明所述方法在提高钒氮合金氮回收率、降低转炉合金生产成本方面均具有较好的效果，具有良好的经济效益。