一种低碳洁净钢制备工艺

技术领域

本发明涉及工业冶金技术领域，具体为一种低碳洁净钢制备工艺。

背景技术

洁净钢的概念最初由Kiessling提出，指的是钢中五大杂质元素（S、P、H、N、O）含量很低，且严格控制非金属夹杂物的钢种。钢的洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标志，是钢的内在质量的保证指标。钢的洁净度通常由钢中有害元素含量以及非金属夹杂物的数量、形态和尺寸来评价。为了获得高洁净度的钢材，需要降低和控制钢中的C、P、S、N、H和T.O等元素的含量，因为这些元素的单一或综合作用会大大影响钢的性能，如抗拉强度、成型性、韧性、可焊性、抗裂纹和抗腐蚀性、各向异性、疲劳性能等。

在制备洁净钢的过程中，涉及多个环节的技术和方法，包括铁水预处理、炼钢、精炼和连铸等操作。例如，铁水预处理可以对铁水进行脱硫或三脱工艺，入炉铁水的硫含量应小于0.005%甚至小于0.002%。吹炼过程中改善脱磷条件，提高终点成分和温度一次命中率，降低钢中溶解氧含量，减少钢中非金属夹杂物数量。出钢时采用挡渣锥或气动挡渣器，钢包内渣层厚度控制在50mm以下，以防止回磷和提高合金吸收率。炉外精炼根据钢种质量要求选择一种或多种精炼组合方式完成钢水精炼任务，达到脱氢、极低C化、极低S化、脱氮、减少夹杂物和夹杂物形态控制等。

总的来说，洁净钢的制备工艺背景是为了满足现代工业对高性能钢材的需求，通过严格的工艺流程和技术措施，确保钢材具有更高的洁净度和更优的性能。

传统的洁净钢制备工艺可能没有充分考虑到碳元素排放的问题，因为在炼钢过程中会使用大量的化石燃料，这会导致大量的二氧化碳元素排放；传统的洁净钢制备工艺可能对能源的消耗较高，这是因为在炼钢过程中需要大量的热能来加热和熔化钢铁。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低碳洁净钢制备工艺，具备碳元素排放少和能源消耗低的优点，解决了碳元素排放和能源消耗的问题。

为实现上述一种低碳洁净钢制备工艺，具备碳元素排放少和能源消耗低的目的，本发明提供如下技术方案：包括以下步骤：

步骤一、炼铁：将原料配制冶炼成高碳元素铁水，再进行铁水预处理；

步骤二、炼钢：在精炼炉中加入钢原料与预处理后的铁水，再去除杂质变成低碳元素洁净炼钢；

步骤三、结晶器充氮：在结晶器环节注入氮气并不断搅拌；

步骤四、中间包过滤杂质：充氮加过滤器；

步骤五、钢包控速：在钢包入口处增加挡板，控制流速；

步骤六、轧钢：低碳元素洁净炼钢使用优化后的直轧控轧控冷方法进行轧钢。

优选的，所述步骤一炼铁工艺流程：将准备好的原料进行合理配比并装入高炉，通过控制高炉的温度在1890℃，并保持加热时长为1小时，使得原料中的铁氧化物与炭发生相互作用，在这个过程中，采用熔融还原法，将铁氧化物还原成铁水。

优选的，所述步骤一炼铁工艺流程中原料中铁氧化物包含氧化铁、氧化亚铁和四氧化三铁，这三种被熔融还原的化学方程式为：

氧化铁的还原：

Fe

氧化亚铁的还原：

FeO+CO=Fe+CO

四氧化三铁的还原：

Fe

优选的，所述步骤一中铁水预处理：在高炉中流出的铁水被输送至预处理站，在此过程中，温度控制在1670-1700℃，铁水在此温度下保持10分钟，利用高压喷枪施加50MPa的压力，将苏打粉、氟化钙粉、铁粉、烧结矿粉和石灰按照1:1:1:5:2的比例强制注入铁水中，并且整个过程一直使用机械搅拌设备进行搅拌，去除磷元素、硫元素和硅元素和其他杂质。

优选的，所述步骤一中铁水预处理过程的化学反应方程式为：

（1）脱硫反应：使用苏打粉作为脱硫剂时，其与铁水中的硫发生反应，生成硫化钠和二氧化碳元素，反应方程式为：

FeS+Na

（2）脱硅反应：脱硅过程中，使用氧化剂烧结矿粉与铁水中的硅反应，生成硅酸盐渣，反应方程式为：

Si+O

（3）脱磷反应：脱磷过程中，石灰粉、烧结矿粉和氟化钙粉等材料中的氧化剂和造渣剂与磷反应，形成磷酸盐留在脱磷渣中，反应方程式为：

2P+5FeO+3CaO=Ca

优选的，所述步骤二在精炼炉中，将预处理后的铁水与钢原料混合，并通入由氮气、氧气和氩气组成的混合气体，其比例为1:2:1，通气时长30min，此时精炼炉温度为1600℃，此过程碳元素控制在0.3%—0.7%。

优选的，所述步骤三中，结晶器内的钢水表面被注入含量为99%的氮气，以保持其与外界隔绝，并持续搅拌以防止杂质聚集，析出杂质，再使用过滤网将杂质和步骤一中化学反应产生的杂质共同捞出，此过程碳元素控制在0.26%—0.34%。

优选的，所述步骤四中，中间包内充填氮气以占据其上层空间，并在入口和出口处安装钙质过滤器。

优选的，所述步骤五中，钢包的流速被精确控制，通过在钢包入口处安装一个带有网眼的挡板，并使用自动调节器来增加或减少网眼数量，以实现对钢水流速的细致调节。

优选的，所述步骤六中，钢材经过两次热轧处理，每次在1300℃下持续1小时，随后进行两次冷轧，室温控制在20℃，并保持环境湿度在40%，进行自然冷却，此时碳元素的含量稳定在0.24%—0.3%。

与现有技术相比，本发明提供了一种低碳洁净钢制备工艺，具备以下有益效果：

1、本发明通过在铁水预处理过程中，通过将温度维持在1670-1700℃并保持10分钟，促进了化学反应的充分进行，采用高压喷枪施加50MPa的压力强制注入苏打粉、氟化钙粉、铁粉、烧结矿粉和石灰的混合物，加强了反应动力并提升了去除磷、硫、硅等有害元素的效果；同时，机械搅拌设备确保了反应物质均匀分布在铁水中，预防了局部浓度过高而引起的反应不完全，并有助于气体和夹杂物的排出，进一步提升杂质去除率；这一预处理策略显著降低了铁水中的碳元素含量，减少了后续炼钢工序中合金元素的用量，从而降低了生产成本；温度和压力的精准控制，以及辅助剂添加比例的优化，不仅提高了预处理的效率，缩短了处理时间，而且达到了提高钢材低碳元素纯净度、成本节约、效率提升和低碳元素排放的有益效果。

2、本发明通过在结晶器内对钢水进行氮气保护和搅拌的过程中，通过精确控制碳元素的含量在0.26%—0.34%的范围内，带来以下优点：在这个碳元素含量范围内，钢材获得良好的强度和韧性平衡，适用于多种应用场景；氮气保护能减少钢水中的气体夹杂，降低了钢材内部产生气泡和裂纹；通过持续搅拌和过滤，确保了钢水中杂质的均匀分布和有效去除，提高了钢材的均匀性和一致性；控制碳元素含量在特定范围内，有助于减少合金元素的添加量，降低成本，同时提高钢材的市场竞争力氮气保护减少了与大气接触，降低了钢材氧化和相关有害气体排放的风险，符合环保要求；通过优化碳元素含量控制和杂质去除过程，能缩短生产周期，提高连铸机的生产效率；适当的碳元素含量有助于在后续的热处理过程中获得预期的微观组织和性能，如硬度、耐磨性和抗疲劳性，也使制备工艺达到了环保低碳元素、经济效益提升和生产效率提高的有益效果。

3、本发明通过在步骤六中，通过两次热轧处理和两次冷轧，钢材的组织和性能得到细致调控，在1300℃高温下进行的热轧有助于消除钢材内部应力，改善其塑性和韧性，同时保证碳元素的均匀分布；接着，室温下的冷轧则可以提高钢材的强度和硬度；在这一过程中，精确控制环境湿度和自然冷却保证了碳元素含量稳定在0.24%—0.3%之间，达到了稳固碳元素的有益效果。

附图说明

图1为本发明制备工艺流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

具体的，包括以下步骤：

步骤一、炼铁：将原料配制冶炼成高碳元素铁水，再进行铁水预处理；

步骤二、炼钢：在精炼炉中加入钢原料与预处理后的铁水，再去除杂质变成低碳元素洁净炼钢；

步骤三、结晶器充氮：在结晶器环节注入氮气并不断搅拌；

步骤四、中间包过滤杂质：充氮加过滤器；

步骤五、钢包控速：在钢包入口处增加挡板，控制流速；

步骤六、轧钢：低碳元素洁净炼钢使用优化后的直轧控轧控冷方法进行轧钢。

具体的，所述步骤一炼铁工艺流程：将准备好的原料进行合理配比并装入高炉，通过控制高炉的温度在1890℃，并保持加热时长为1小时，使得原料中的铁氧化物与炭发生相互作用，在这个过程中，采用熔融还原法，将铁氧化物还原成铁水。

具体的，所述步骤一炼铁工艺流程中原料中铁氧化物包含氧化铁、氧化亚铁和四氧化三铁，这三种被熔融还原的化学方程式为：

氧化铁的还原：

Fe

氧化亚铁的还原：

FeO+CO=Fe+CO

四氧化三铁的还原：

Fe

具体的，所述步骤一中铁水预处理：在高炉中流出的铁水被输送至预处理站，在此过程中，温度控制在1670-1700℃，铁水在此温度下保持10分钟，利用高压喷枪施加50MPa的压力，将苏打粉、氟化钙粉、铁粉、烧结矿粉和石灰按照1:1:1:5:2的比例强制注入铁水中，并且整个过程一直使用机械搅拌设备进行搅拌，去除磷元素、硫元素和硅元素和其他杂质。

优点是，本发明通过在铁水预处理过程中，通过将温度维持在1670-1700℃并保持10分钟，促进了化学反应的充分进行，采用高压喷枪施加50MPa的压力强制注入苏打粉、氟化钙粉、铁粉、烧结矿粉和石灰的混合物，加强了反应动力并提升了去除磷、硫、硅等有害元素的效果；同时，机械搅拌设备确保了反应物质均匀分布在铁水中，预防了局部浓度过高而引起的反应不完全，并有助于气体和夹杂物的排出，进一步提升杂质去除率；这一预处理策略显著降低了铁水中的碳元素含量，减少了后续炼钢工序中合金元素的用量，从而降低了生产成本；温度和压力的精准控制，以及辅助剂添加比例的优化，不仅提高了预处理的效率，缩短了处理时间，而且达到了提高钢材低碳元素纯净度、成本节约、效率提升和低碳元素排放的有益效果。

具体的，所述步骤一中铁水预处理过程的化学反应方程式为：

（1）脱硫反应：使用苏打粉作为脱硫剂时，其与铁水中的硫发生反应，生成硫化钠和二氧化碳元素，反应方程式为：

FeS+Na

（2）脱硅反应：脱硅过程中，使用氧化剂烧结矿粉与铁水中的硅反应，生成硅酸盐渣，反应方程式为：

Si+O

（3）脱磷反应：脱磷过程中，石灰粉、烧结矿粉和氟化钙粉等材料中的氧化剂和造渣剂与磷反应，形成磷酸盐留在脱磷渣中，反应方程式为：

2P+5FeO+3CaO=Ca

具体的，所述步骤二在精炼炉中，将预处理后的铁水与钢原料混合，并通入由氮气、氧气和氩气组成的混合气体，其比例为1:2:1，通气时长30min，此时精炼炉温度为1600℃，此过程碳元素控制在0.3%—0.7%。

具体的，所述步骤三中，结晶器内的钢水表面被注入含量为99%的氮气，以保持其与外界隔绝，并持续搅拌以防止杂质聚集，析出杂质，再使用过滤网将杂质和步骤一中化学反应产生的杂质共同捞出，此过程碳元素控制在0.26%—0.34%。

优点是，本发明通过在结晶器内对钢水进行氮气保护和搅拌的过程中，通过精确控制碳元素的含量在0.26%—0.34%的范围内，带来以下优点：在这个碳元素含量范围内，钢材获得良好的强度和韧性平衡，适用于多种应用场景；氮气保护能减少钢水中的气体夹杂，降低了钢材内部产生气泡和裂纹；通过持续搅拌和过滤，确保了钢水中杂质的均匀分布和有效去除，提高了钢材的均匀性和一致性；控制碳元素含量在特定范围内，有助于减少合金元素的添加量，降低成本，同时提高钢材的市场竞争力氮气保护减少了与大气接触，降低了钢材氧化和相关有害气体排放的风险，符合环保要求；通过优化碳元素含量控制和杂质去除过程，能缩短生产周期，提高连铸机的生产效率；适当的碳元素含量有助于在后续的热处理过程中获得预期的微观组织和性能，如硬度、耐磨性和抗疲劳性，也使制备工艺达到了环保低碳元素、经济效益提升和生产效率提高的有益效果。

具体的，所述步骤四中，中间包内充填氮气以占据其上层空间，并在入口和出口处安装钙质过滤器。

优点是，在中间包内充填氮气以及在入口和出口处安装钙质过滤器的做法，氮气是一种惰性气体，填充在中间包上层空间能够有效隔绝空气，减少钢水表面的氧化反应，从而降低氧化物夹杂的生成；通过使用氮气保护，可以减少外部污染物，如灰尘和其他悬浮颗粒进入钢水中，提高钢材的整体洁净度；钙质过滤器可以去除从炉中转移至中间包过程中带入的杂质，防止这些杂质对钢水造成二次污染。

具体的，所述步骤五中，钢包的流速被精确控制，通过在钢包入口处安装一个带有网眼的挡板，并使用自动调节器来增加或减少网眼数量，以实现对钢水流速的细致调节。

优点是，通过精确控制钢包的流速，采用入口处带网眼挡板和自动调节器的设计方案，带来以下优点：提高浇注精度：能够准确控制钢水流入模具的速度，从而改善铸件的质量，减少因流速过快或过慢造成的缺陷；减少溢出和浪费：防止因为流速无法控制而导致的溢出，减少原材料的浪费，并保持生产现场的干净与安全；优化铸型充填：实现对钢水流向和流动状态的精确控制，有助于优化铸型的充填过程，确保铸件形状的完整性和细节的精准；降低气泡和夹杂物：通过控制流速来减少空气的卷入，从而降低铸件中气泡和夹杂物的数量，提升铸件的内部质量。

具体的，所述步骤六中，钢材经过两次热轧处理，每次在1300℃下持续1小时，随后进行两次冷轧，室温控制在20℃，并保持环境湿度在40%，进行自然冷却，此时碳元素的含量稳定在0.24%—0.3%。

优点是，本发明通过在步骤六中，通过两次热轧处理和两次冷轧，钢材的组织和性能得到细致调控，在1300℃高温下进行的热轧有助于消除钢材内部应力，改善其塑性和韧性，同时保证碳元素的均匀分布；接着，室温下的冷轧则可以提高钢材的强度和硬度；在这一过程中，精确控制环境湿度和自然冷却保证了碳元素含量稳定在0.24%—0.3%之间，达到了稳固碳元素的有益效果。

实验室通过对比制备过程中实际检测的碳元素含量与目标控制值，汇编成表格1，如下：

表格1

表1结果显示，实施例1的最终实际碳元素含量明显低于控制值，成功达到了低碳元素洁净生产的目标。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。