一种快节奏增氮控制低氮钢水中氮含量的方法及其应用

技术领域

本申请涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种快节奏增氮控制低氮钢水中氮含量的方法及其应用。

背景技术

在生产普碳钢时，由于钢中氮元素形成的氮化物有细化晶粒，提高屈服极限、抗拉强度、硬度的作用而未对氮含量加以限制。但随着深冲钢、先进高强钢及高等级车轮等多用途产品的广泛生产，钢中氮含量增加，会使钢的屈服极限、强度极限和硬度提高，塑性下降，冲击韧性降低，并导致时效硬化。某些氮化物还会导致钢的热脆。

低氮钢冶炼过程中，转炉出钢后的钢水中氮含量波动大，严重影响了低氮钢钢材的质量，另外由于部分钢种中不含固氮元素，导致钢水中氮含量更不易控制，因此为了稳定低氮钢钢材的性能，需要提高低氮钢钢水氮的窄成分命中率。

发明内容

本申请提供了一种快节奏增氮控制低氮钢中氮含量的方法及其应用，该方法可以有效控制低氮钢水中的氮含量，满足低氮钢对氮含量的窄成分需要。

第一方面，本申请提供了一种快节奏增氮控制低氮钢水中氮含量的方法，包括以下步骤：

S10：提供转炉钢水，所述转炉钢水满足：[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm，其中，[P]表示磷在转炉钢水中含量，[B]表示硼在转炉钢水中含量，[V]表示钒在转炉钢水中含量，[Ti]表示钒在转炉钢水中含量；

S20：将转炉钢水在氩站进行吹氮处理，使钢水中氮含量为ω-(1～20)ppm，以得到增氮钢水；

S30：将增氮钢水以氮气为循环气体进行RH精炼处理，使钢水中氮含量为ωppm，以得到低氮钢水；其中，ω为100～110。

根据本申请，将固氮元素较低的转炉钢水不进行LF精炼处理，先在氩站进行吹氮处理以快速提高钢水氮含量，再在RH精炼过程中以氮气为循环气体进行增氮处理，利用氮气在真空条件下溶解度较小的原理，实现钢水持续稳定增氮，从而使低氮钢水中氮含量准确落入低氮钢要求的窄成分范围，提高低氮钢的质量，且有效避免LF精炼处理引入杂质，从而提高低氮钢水的洁净度，同时在氩站进行吹氮能够提高生产速率，以适应快节奏的连续生产工艺。

在一些实施方式中，所述步骤S30具体包括：

S31：在真空度为0.3～0.5kPa条件下，以氮气作为循环气体进行第一阶段精炼，精炼时间为10～20min；

S32：在真空度为3～5kPa条件下，以氮气作为循环气体进行第二阶段精炼，使钢水中氮含量为ωppm，以得到低氮钢水；其中，ω为100～110。

在一些实施方式中，所述步骤S31中，所述第一阶段精炼中氮气的流量为200～220Nm

在一些实施方式中，所述步骤S32中，所述第二阶段精炼中氮气的流量为130～150Nm

在一些实施方式中，所述步骤S10中，所述转炉钢水的温度为1620～1640℃。

在一些实施方式中，所述步骤S20中，所述吹氮处理中氮气的流量为600～700Nm

在一些实施方式中，所述步骤S20中，所述增氮钢水的温度为1580～1600℃。

在一些实施方式中，所述步骤S30中，所述低氮钢水的温度为1540～1560℃。

第二方面，本申请提供了一种低氮钢，根据第一方面任一实施方式所述的方法制备得到的低氮钢水经过连铸、轧制得到。

第三方面，一种低氮钢制品，根据第二方面任一实施方式所述的低氮钢经过加工得到。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请实施方式的流程示意图。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

本说明书中各实施例或实施方案采用递进的方案描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方案结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如上文中背景技术中所述，由于钢材中氮含量对其性能具有较大影响，部分固氮元素含量较低的钢水其中氮含量更不易控制，因此为了提高低氮钢材性能的稳定性，需要将低氮钢水中氮含量准确控制在目标范围内。

针对上述问题，由于在固氮元素含量较低的钢水中固氮能力较差，因此转炉冶炼得到的钢水中氮含量较低，基于此一般需要额外的增氮步骤，例如直接向钢水中通入氮气，或在LF精炼过程中通入氮气进行增氮，但是问题在于，上述增氮方式的增氮速率较快，而氮含量对钢材的性能影响较大，一般需要控制在较窄的范围内，因此上述方法无法满足对固氮元素较少的钢水中氮含量的准确控制。

基于此，本申请提供了一种快节奏增氮控制低氮钢中氮含量的方法及其应用，该方法可以有效控制低氮钢水中的氮含量，满足低氮钢对氮含量的窄成分需要。以下对本申请的实施方式进行具体说明。

第一方面，本申请提供了一种快节奏增氮控制低氮钢水中氮含量的方法，包括以下步骤：

S10：提供转炉钢水，所述转炉钢水满足：[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm，其中，[P]表示磷在转炉钢水中含量，[B]表示硼在转炉钢水中含量，[V]表示钒在转炉钢水中含量，[Ti]表示钒在转炉钢水中含量；

S20：将转炉钢水在氩站进行吹氮处理，使钢水中氮含量为ω-(1～20)ppm，以得到增氮钢水；

S30：将增氮钢水以氮气为循环气体进行RH精炼处理，使钢水中氮含量为ωppm，以得到低氮钢水；其中，ω为100～110。

根据本申请，该方法的流程示例图如图1所示，步骤S10中，转炉钢水满足：[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm，磷、硼、钒和钛均是固氮能力较强的元素，部分钢种中要求不含上述元素，仅由于部分不可能避免的原因作为杂质存在于钢水中，其含量较低，因此该转炉钢水的固氮能力较差，在不额外进行增氮工艺的情况下，其中氮含量较低，一般在30～65ppm之间，而部分低氮钢需要将氮含量控制在70ppm以上，因此需要对转炉钢水进行增氮处理。

发明人发现，通过以氮气为循环气体进行RH精炼处理可以提高钢水中的氮含量，同时由于RH精炼处理过程中具有较高的真空度，因此使用RH精炼处理增氮过程中增氮速率较慢，其好处在于可以更加准确控制钢水中的氮含量，其误差在±5ppm之间，误差远小于相关技术中氮含量的控制方法，可以用于以氮含量间隔为10ppm的窄成分范围区分的多个牌号的低氮钢的制备。同时低氮钢钢水中氮含量不宜超过110ppm，由于RH精炼处理过程中真空度较高，增氮速率慢且氮溶解度低，同时钢水中固氮元素少，因此此方法不适合氮含量过高的钢水中氮含量的控制。

需要说明的是，相关技术中RH精炼处理工艺一般除了使钢水中成分更加均匀外，还有作用在于降低钢水中氧含量和氮含量，而没有将RH精炼处理用来提高固氮元素含量较低钢水中的氮含量。

进一步的，发明人发现虽然使用RH精炼处理增氮可以将氮含量准确控制在窄范围内，但是在制备100～110ppm的低氮钢时，由于增氮速度较慢，导致工艺时间过程，无法适应快节奏的连续生产工艺，基于此，发明人通过在RH精炼处理前将转炉钢水在氩站进行吹氮处理，由于氩站处理是在常压条件下，增氮速率较快，因此控制的准确度较差，但是可以快速提高其氮含量，由此可以通过氩站吹氮使钢水的氮含量达到目标值以下1～20ppm，以减少RH精炼处理中增氮的时间，同时由于在在氩站吹氮过程中，具有调整合金成分以及均质钢水成分的作用，因此也可以降低RH精炼处理均质钢水成分的时间，由此可以缩短整个增氮处理时间，以适应快节奏的连续生产工艺。

同时本申请中先将转炉钢水在氩站进行吹氮，再进行RH精炼处理，而不通过LF精炼处理，由于LF精炼处理一般使用电弧加热，在电弧作用下，可以提高氮气溶解于钢水的速率，导致钢水中氮含量不易控制，同时可以避免LF精炼渣对钢水纯净度的影响，由此本申请提供的控制氮含量的方法不仅能够准确控制钢水中氮含量，将其控制在较窄的范围内，还能有效提高钢水的纯净度。

需要说明的是，循环气体具有本领域公知的含义，是指在RH精炼处理过程中，为带动钢水在真空室中循环流动所通入的气体。

在一些实施方式中，所述步骤S30具体包括：

S31：在真空度为0.3～0.5kPa条件下，以氮气作为循环气体进行第一阶段精炼，精炼时间为10～20min；

S32：在真空度为3～5kPa条件下，以氮气作为循环气体进行第二阶段精炼，使钢水中氮含量为ωppm，以得到低氮钢水；其中，ω为100～110。

在上述一些实施方式中，具体限定了RH精炼处理的过程中，主要分为两个阶段的精炼处理，在第一阶段精炼过程中，将真空度控制在较高范围内，此时由于压强很小，钢水的增氮速率较低，但是可以促进钢水的循环，从而使钢水中各组分更加均匀，同时减少钢水中的氧含量，提高钢水的品质，因此在第一精炼过程中，氮含量以较低的速率增加，为钢水调整合金成分、均匀混合以及去除杂质预留时间，另外，由于在RH精炼处理之前在氩站吹氮过程中，同样具有调整合金成分以及均质钢水成分的作用，因此在此第一阶段精炼过程中无需过长，处理10～20min即可较好均质钢水组分，提高钢材质量的稳定性；第二精炼阶段，由于此时钢水中氮含量较高，因此可以将真空度降低，使氮气的溶解性增加，此时由于依然具有一定真空度，因此此时增氮速率同样较慢，以此增氮速率将钢水中氮含量控制到目标范围，其误差小，可以将氮含量控制在较窄范围内。

另外需要说明的是，由于在步骤S31中，虽然其主要作用在于促进钢水合金化以及均质各组分，但是在此过程中钢水中氮含量同样会以较小速率增加，因此若第一阶段精炼得到的钢水的氮含量已经满足低氮钢要求，可以无需第二阶段精炼。可以理解的是，由于第一阶段精炼过程和第二阶段精炼过程中由于真空度较高，因此增氮速率均较低，同样可以保证对钢水中氮含量的精确控制。

在一些实施方式中，步骤S31中，第一阶段精炼中氮气的流量为200～220Nm

在上述一些实施方式中，具体限定了第一阶段精炼中氮气的流量，可以理解的是，氮气的流量越大，促进钢水在真空室循环流动的效果越好，可以更快使组分均匀且去除杂质，同时虽然增加氮气流量会使增氮速率增加，但是由于第一阶段精炼时真空度高，流量对增氮速率的影响较小，不会使钢水中氮含量在第一阶段精炼过程中增加过多，因此可以将第一阶段精炼中氮气的流量控制在200～220Nm

在一些实施方式中，可以在氩站吹氮处理过程中加入合金元素，也可以在第一阶段精炼过程中加入合金元素；同样可以在上述两个过程中分批加入合金元素，以使钢水合金化。

在上述一些实施方式中，可以在氩站吹氮处理过程中加入合金元素，在此过程中吹氮可以促进合金溶解、均质钢水；也可以在第一阶段精炼过程中加入合金元素，如上文中所述，第一阶段精炼的目的在于为钢水调整合金成分、均匀混合以及去除杂质，因此也可以在第一阶段精炼过程中加入合金元素；另外同样可以在上述两个过程中分批加入合金元素，同样可以达到促进合金溶解、均质钢水的目的，以可以有效保证钢水质量的稳定。

另外需要说明的是，合金元素在本申请中不做进一步限定，可以根据钢种的需要进行添加，可以理解的是，本申请控制氮含量得到的低氮钢水后续还需经过连铸、轧制得到钢材，在连铸过程中钢水会与空气中氮气接触，可能会导致氮含量增加，因此为了保证后续过程中氮含量的稳定，合金元素可避免添加固氮元素，如硼、磷、钒、钛等，使得到的低氮钢水中[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm。

在一些实施方式中，步骤S32中，第二阶段精炼中氮气的流量为130～150Nm

在上述一些实施方式中，进一步限定了第二阶段精炼中氮气的流量，可理解得是，在RH精炼处理过程中，钢水中增氮速率与真空度和氮气的流量相关，在第二阶段精炼过程中，真空度较低，氮气在钢水中溶解度增加，有利于提高钢水中氮含量，同时为了更加精准控制钢水中氮含量准确落入目标的窄范围内，且兼顾增氮效率，可以将第二阶段精炼中氮气的流量控制在130～150Nm

另外需要说明的是，在氩站吹氮过程中，钢水中的增氮速率主要与钢水的组分以及氮气的流量相关，因此基于上述方法，可以计算在不同条件下(即特定钢水中一定流量氮气的条件下)钢水的增氮速率，经过计算可以预估增氮所需时间；在RH处理过程中，钢水中的增氮速率主要与钢水的组分、真空度以及氮气的流量相关，因此基于上述方法，可以计算在不同条件下(即特定钢水中一定真空度和一定流量氮气的条件下)钢水的增氮速率，经过计算可以预估增氮所需时间；通过预估时间可以减少各步骤中检测钢水中氮含量的次数，进一步提高钢水中氮含量的准确度，提高生产效率。

在一些实施方式中，步骤S32中，第二阶段精炼中精炼时间可以为0～30min。

在一些实施方式中，步骤S10中，转炉钢水的温度为1620～1640℃。

在上述一些实施方式中，具体限定了转炉钢水的温度，这是由于本申请中钢水不经过LF精炼处理，因此需要将转炉钢水的温度控制较高，预留一些合金材料熔化所需的热量，以保证在氩站吹氮、RH精炼处理结束后，钢水的温度在液相线之上，保证后续工艺的顺利进行，由此转炉钢水的温度可以为1620～1640℃。

在一些实施方式中，步骤S20中，增氮钢水的温度为1580～1600℃。

在上述一些实施方式中，具体限定了增氮钢水的温度，由于RH精炼处理过程中钢水的温度会降低，因此为了避免RH精炼处理后钢水的温度过低影响连铸，增氮钢水的温度可以为1580～1600℃，可以为后续精确控制氮含量预留充足的时间，以保证后续工艺的顺利进行。

在一些实施方式中，步骤S20中，吹氮处理中氮气的流量为600～700Nm

在上述一些实施方式中，具体限定了吹氮处理中氮气的流量，由于氩站吹氮是在常压下进行，因此为了充分搅拌钢水，促进钢水的均质，因此需要使用较大的流量进行吹氮，同时大流量的氮气有利于提高增氮速率，从而减少处理时间，以适应快节奏的连续生产工艺。

在一些实施方式中，步骤S30中，低氮钢水的温度为1540～1560℃。

在上述一些实施方式中，具体限定了低氮钢水的温度，低氮钢水的温度在1540～1560℃时有利于后续连铸工艺的顺利进行。另外可以理解的是，由于钢水中固氮元素含量较少，因此钢水的温度对氮气溶解度影响较大，保证低氮钢水的温度在1540～1560℃，可以提高钢水中氮含量的稳定性。

在一些实施方式中，在氩站吹氮处理中，使用底吹的方式通入氮气。

在上述一些实施方式中，在氩站吹氮处理中，使用底吹的方式通入循环氮气，底吹的氮气可以促进钢水的均质，同时底吹的方式也有利于氮气在钢水中的溶解，从而可以提高增氮速率，提高生产效率。

在一些实施方式中，在RH精炼处理中，使用底吹的方式通入循环气体。

在上述一些实施方式中，在整个RH精炼处理中，使用底吹的方式通入循环气体，底吹的循环气体可以提高钢水的循环速率，同时底吹的方式也有利于氮气在钢水中的溶解，从而可以提高RH精炼处理的速率，提高生产效率。

第二方面，本申请提供了一种低氮钢，根据第一方面任一实施方式的方法制备得到的低氮钢水经过连铸、轧制得到。

根据本申请，由于低氮钢根据第一方面任一实施方式的方法制备得到的低氮钢水经过连铸、轧制得到，因此具有第一方面任一实施方式的有益效果。

第三方面，一种低氮钢制品，根据第二方面任一实施方式的低氮钢经过加工得到。

根据本申请，由于低氮钢制品根据第二方面任一实施方式的低氮钢经过加工得到，因此具有第二方面任一实施方式的有益效果。

以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

以下实施例是以210吨转炉-氩站-RH炉-连铸生产线进行的试验，转炉吹炼过程底吹气体全程设定为氮气，氩站增氮过程底吹气体全程设定为氮气，RH真空循环精炼过程提升气体全程设定为氮气。在本申请的实施例和对比例中，铁水中N元素含量的测定是通过LECO ON736氧氮分析仪测得。

实施例1

转炉钢水到氩站时，转炉钢水净重215吨，氮含量为0.0045％，温度为1622℃，[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm；

氩站底吹氮气，底吹流量700Nm

第一阶段RH精炼过程中，氮气流量约200Nm

第二阶段RH精炼过程中，氮气流量约130Nm

满足低氮钢氮含量0.0100％～0.0110％的窄成分需要。

实施例1说明氩站能够有效增氮0.0050％，增速约3.3ppm/分钟，第一阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0002％，增速约0.1ppm/分钟，第二阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0006％，增速约1.2ppm/分钟，总增氮时长35分钟。

实施例2

转炉钢水到氩站时，转炉钢水净重215吨，氮含量为0.0050％，温度为1620℃，[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm；

氩站底吹氮气，底吹流量700Nm

第一阶段RH精炼过程中，氮气流量约200Nm

第二阶段RH精炼过程中，氮气流量约130Nm

满足低氮钢氮含量0.0100％～0.0110％的窄成分需要。

实施例2说明氩站能够有效增氮0.0049％，增速约3.3ppm/分钟，第一阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0001％，增速约0.1ppm/分钟，第二阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0006％，增速约1.2ppm/分钟，总增氮时长35分钟。

实施例3

转炉钢水到氩站时，转炉钢水净重216吨，氮含量为0.0055％，温度为1620℃，[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm；

氩站底吹氮气，底吹流量700Nm

第一阶段RH精炼过程中，氮气流量约200Nm

无需经过第二阶段RH精炼；

满足低氮钢氮含量0.0100％～0.0110％的窄成分需要。

实施例3说明氩站能够有效增氮0.0049％，增速约3.3ppm/分钟，第一阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0001％，增速约0.1ppm/分钟，无需第二阶段RH精炼过程增氮，总增氮时长30分钟。

对比例1

转炉钢水到氩站时，转炉钢水净重215吨，氮含量为0.0050％，温度为1630℃，[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm；

氩站底吹氩气，底吹流量500Nm

第一阶段RH精炼过程中，氮气流量约220Nm

第二阶段RH精炼过程中，氮气流量约140Nm

满足低氮钢氮含量0.0100％～0.0110％的窄成分需要。

对比例1说明氩站吹氩能降氮0.0002％，降速约0.4ppm/分钟，第一阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0039％，增速约1.1ppm/分钟，第二阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0018％，增速约1.2ppm/分钟，总增氮时长55分钟。

对比例2

转炉钢水到氩站时，转炉钢水净重215吨，氮含量为0.0055％，温度为1616℃，[P]+[B]+[V]+[Ti]＜200ppm；

氩站底吹氩气，底吹流量500Nm

第一阶段RH精炼过程中，氮气流量约220Nm

第二阶段RH精炼过程中，氮气流量约140Nm

满足低氮钢氮含量0.0100％～0.0110％的窄成分需要。

对比例1说明氩站吹氩能降氮0.0001％，降速约0.2ppm/分钟，第一阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0038％，增速约1.1ppm/分钟，第二阶段RH精炼过程能够有效增氮0.0012％，增速约1.2ppm/分钟，总增氮时长50分钟。

由上述实施例可以得出，采用本申请实施例低氮钢钢水快节奏增氮的氮窄成分控制方法，通过在氩站吹氮后再RH精炼过程，利用氩站在常压下吹氮具有较快的增氮速率，RH精炼过程中采用低真空的方式及利用氮气作为循环气体，运用不同压力下氮气在钢水中溶解度不同，稳定控制钢水中的氮含量在±0.0005％范围内，方法简便易行，在满足低氮钢对氮含量的窄成分需要的同时，可以更快得到氮含量为100～110ppm的低氮钢，相较于各对比例，精炼过程增氮时长缩短了15～25分钟，能够更好适应快节奏的连续生产工艺。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。