一种LF炉用氮气稳定控氮的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金生产制造技术领域，涉及一种LF炉用氮气稳定控氮的方法。

背景技术

国内多数厂家都采用微合金化工艺生产热轧带肋钢筋，性能比较稳定，微合金化工艺主要通过向钢中添加常用的微合金化元素V、Nb、Ti等来实现。在低碳锰钢中,Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素能有效地细化铁素体晶粒尺寸，具有非常明显的细化晶粒效果。

查阅有关资料:李永良,陈梦谪等人在北京师范大学学报(自然科学版)1999.35(1)的论文“微钛钢中TiN析出对奥氏体晶粒长大的影响”论述了微合金元素Ti对铁素体晶粒尺寸的影响与Nb具有相同的趋势,只是细化效果不如Nb明显；同样铁素体晶粒尺寸随着V含量的增加而减小,但V对铁素体晶粒尺寸的影响不如Nb、Ti作用强。

一般来讲，钢中氮是有害元素，但是对于热轧带肋钢筋来说，氮与铌、钛在钢中形成稳定难溶的NbC、Nb(CN)、TiN起到细化晶粒和沉淀强化作用。加入适量的氮，可以形成较多的Nb(CN)、TiN，从而增强了Nb、Ti的细化晶粒和沉淀强化作用。钢中的微合金化元素V、Nb、Ti均通过形成微合金化碳、氮化物来起作用。

杨才福,张永权等人在《钢铁》2001,36(5)杂志发表论文“钒、氮微合金化钢筋的强化机制”，论述了氮在钢中通过析出V(C,N)、氮化钛铌等化合物钉扎奥氏体-铁素体晶界，促进晶内铁素体的形成，提高奥式体-铁素体相变比率，细化铁素体组织。增氮还提高氮碳化物颗粒的稳定性，增强氮碳化物阻止奥氏体晶粒长大的作用。由于钢中氮化物比碳化物具有更高的稳定性,析出相更细小弥散,其强化效果明显提高。因此，可以充分利用氮元素,可显著提高钢的强化效果,达到节约合金含量、降低成本的目的。一般钢中增氮方式通常是向钢液中添加氮化物合金进行增氮，较为普遍的是采用增氮合金(也叫固氮合金)增加钢中的氮含量。从降低成本考虑，由于钢厂氮气较为便宜，考虑钢包吹氮增氮。经过查阅公开发表的资料，钢包吹氮增氮文献较少，目前还没有将其应用到热轧带肋钢筋的生产工艺用以增加钢水氮含量。

查阅有关公开的专利内容如下：公开号为CN101168817A的中国专利公开了“一种含氮纯净钢的增氮方法”，该方法的特点是二次精炼末期，通过钢包底吹氮气进行钢液增氮，吹氮结束后通过底吹氩气进行钢液清洗，已达到钢液增氮并提高纯净度的目的。该方法在二次精炼末期单独进行钢包底吹氮气增氮和底吹氩气清洗去除夹杂，处理时间波动较大(实例：含氮钢种经100t电炉处理、 100t钢包炉精炼及VD真空脱气后钢液中的氮未0.012％，目标氮含量控制为 0.045％。为实现此氮含量：首先在二次精炼末期才开始吹氮6min,将吹氮6min 后的氮含量与目标氮含量通过平衡溶解度、化学成分及压力计算得出还需供氮气 41min,吹氮完毕后还要进行吹氩气15min进行清洗后才得到氮含量为0.046％的钢液)，不利于生产的稳定性，影响连铸生产。公开号为CN101538636A的中国专利公开了“钢包炉用氮气进行氮合金化工艺”，该方法的特点是含氮不锈钢在冶炼结束后，钢水成分达到目标成分的前提下，在LF炉工位通过钢包底吹氮气进行氮合金化，替代氮化合金达到钢液增氮的目的。该方法的缺点是处理时间较长，处理过程钢包底吹氮气流量较大，钢中氮含量波动较大(实例1：LF钢水起始氮含量为0.036％-0.040％，起始温度为1575-1585℃，钢水量110-130t,吹氮时间59.5-60.7min,吹氮结束钢液氮含量为0.068％；实例2：LF初始条件氮含量 0.1430-0.1440％，初始温度1535-1545℃，钢水量100-130t,吹氮流量 119-121m3/h，底吹氮气9.8-10.2Nm3，吹氮结束后钢液氮含量为0.1450％)，从以上数据来看，钢中氮含量波动范围大，影响生产稳定性，不适合工业化、规模化生产。公开号为CN102851451A的中国专利公开了“一种出钢工序钢水增氮的方法”，通过在转炉出钢前和出钢过程对钢包进行吹氮操作，以使钢水在精炼前氮含量达到80～90ppm之间，并通过精炼处理得到氮含量小于150ppm的钢水。该方法的缺点是仅通过出钢过程吹氮气，由于底吹时间短，仅3～5分钟，很难实现钢水中氮含量在精炼前达到80～90ppm之间。公开号为CN103451350A 的中国专利公开了“一种控制钢水中氮含量的方法”，通过转炉冶炼过程增氮和出钢过程增氮使钢液中氮含量控制在100～230ppm之间。该方法的缺点是要求出钢过程加入脱氧剂使钢包中钢水氧活度达到10ppm以下，脱氧剂加入量较大，生产成本较高，仅适用于要求氧含量较低的含氮钢生产，不适合热轧带肋钢筋生产，同时，钢中氮含量控制在100～230ppm之间，氮含量波动较大。公开号为CN 107419062 A的中国专利公开了“抗震热轧带肋钢精炼吹氮工艺”：该工艺介绍了一种抗震热轧带肋钢精炼吹氮工艺，工艺流程：倒罐站－转炉－脱氧合金化+精炼吹氮－方坯连铸－检验－热送轧钢；吹氮方式：要求吹氮采用全程底吹氮设施进行操作；氮气压力：全程底吹氮，底吹氮方式的氮气压力：0.2～0.35Mpa，顶吹氮方式的氮气压力：0.17～0.25Mpa，吹氮时钢渣液面微微晃动即可；4、吹氮时间：全程底吹氮方式作业时，从转炉出钢至三分之一时开始吹氮，到达吹氩站后吹氮时间≥4分钟。通过370炉数据分析发现精炼吹氩工艺时轧材取样氮含量在0.0081-0.00108％，精炼吹氮材样氮含量在0.0085-0.0115％，钢中增氮微量 0.0004％-0.0007％，力学性能符国标。该工艺能用氮气替代氩气进行均匀成分，有轻微增氮效果(增氮仅有0.0004％-0.0007％)，但仅通过钢包吹氮的增氮量太少，效果不明显且不稳定。

根据以上表述及查阅相关文献可知：目前生产热轧带肋钢在精炼LF 吹氮气控氮及稳定增氮的技术没有系统研究，即使有涉及但可操作性差。

发明内容

本发明目的在于提供一种LF炉用氮气稳定控氮的方法，生产热轧带肋钢时，在较为稳定可控的冶炼周期内通过控制精炼冶炼温度范围，细化精炼 LF冶炼期内的电极档位，充分利用电弧与合适流量(压力)的氮气作用，同时精确钛铁合金配加时机，创造钢液最大化增氮的环境，进而实现LF冶炼增氮控氮的目的。

本发明采用的技术方案为：一种LF炉用氮气稳定控氮的方法，工艺路径：倒罐站-150t顶底复吹转炉-150tLF-连铸，钢种：HRB400E热轧带肋钢筋，控制要点：1.氮气：干燥无油，进气压力：1.5MPa，减压压力：1.1MPa，纯度≥ 99.0％；LF钢包采用双透气芯，LF炉精炼到站后，底吹流量调控；LF冶炼周期控制35-40min；2.在转炉脱氧合金化的同时向钢包内加入200-300kg石灰，加入石灰的目的是为后续精炼进行快速成渣创造条件；LF钢包进站温度要求≥ 1550℃，精炼初始成分命中率≥95％；精炼初始成分命中率以成品成分范围计算；3.精炼LF冶炼过程精确控制：3.1钢包开至LF处理位置后，直接配加100-200kg 电石，30-80萤石后，开始降电极冶炼，因考虑前期钢包表面炉渣温度低不易埋弧，采用低档位供电、10-8档位操作，精炼LF开始加热手动10档起弧，后续根据化渣情况进行调整，控制时间为精炼冶炼10min，同时供氮流量控制在范围在15-25Nm

本发明的机理：精炼LF炉冶炼热轧带肋钢，冶炼过程在特定的时间段进行流量(压力)控制吹氮：在精炼LF冶炼过程中通过细化电极档位控制，调控不同阶段的吹氮流量，最大限度的将钢液中溶解的氮分子在电极电弧作用下形成游离态的氮离子，通过配加成本较低且易与氮离子结合的含钛合金，进而生成氮化钛及氮碳化钛等物质，通过电极档位、温度、流量及配加时机的控制实现钢液氮化物的富集进而达到氮碳化物对钢有益作用的最大化。结合精炼LF冶炼工艺，考虑到精炼0-15min阶段受钢包初始温度、化渣调渣、钢液成分影响等造成电极埋弧不佳，同时精炼LF初期阶段钢中氮在精炼LF电弧作用下形成的氮离子较少，溶解的氮与钢液中自身含有的微量元素V、Nb等结合的少，增氮环境不具备且效果不佳；而在精炼LF冶炼15min之后精炼造渣、升温期基本结束，同时钢液温度、氧性及成分控制基本趋于稳定，在这一阶段电极埋弧效果最佳，在此精炼环境下有稳定的氮分子通过精炼电极作用形成氮离子，加入微量元素合金TiFe，钢液中增加了Ti元素，基于较好的动力学及热力学条件，氮离子加快了与亲氮元素Ti的结合以TiN化合物形式弥散在钢液中起到固氮作用，钢液在液态向固态转变过程中，起到细晶强化作用；而到精炼30min以后温度稳定、钢中氮与钛元素结合接近尾声，软吹的目的在于进一步均匀钢中的化学成分及碳氮化物。

利用本发明的稳定控氮的技术，八一钢铁股份有限公司第一炼钢分厂自2019年开始在HRB400E钢种上进行试验，效果较好：在HRB400E钢种采用此技术试验50炉，试验结果如下：

1.吹氮前后试样中氮含量比对分析，试验炉次吹氮初始试样氮含量在 51-71ppm波动,吹氮完毕后精炼终点试样的氮含量在96-132ppm范围。精炼LF 钢包采用此技术方法后，与吹氮初始试样氮含量比较，其增氮量范围在30-65ppm, 均值为49.8ppm，增氮控氮效果较为显著，达到了增氮合金同样(增加钢水氮含量)的效果。

2.试验钢力学性能分析，试验钢轧制φ8-25mm规格屈服强度满足国标要求，在434-480Mpa范围波动，最小值为434mpa，均值为457.8Mpa。试验钢抗拉强度满足国标要求≥540Mpa，在602-658Mpa波动，最小值为602Mpa,均值为631.7Mpa。试验钢伸长率满足国标要求≥16％，在23％-30％范围波动，最小值为23％，均值为26.5％。

3.金相组织，随机抽取试2组样进行组织分析，金相组成为铁素体+ 珠光体，晶粒度等级9级。铁素体晶粒及晶界中有细小析出物。析出物能实现铸态缺陷弥合、再结晶(碳)氮化物析出、晶粒细化，实现钢筋的性能优化。目前此项技术经评审后能替代配加贵重合金钒氮生产HRB400E，成本大幅度降低，为钢中高效增氮控氮提供了新的技术和思路。后续可根据此技术可进一步研究添加铌、钒等微合金进行增氮控氮，也可在其他钢种的增氮控氮上有所借鉴和应用。

具体实施方式

一种LF炉用氮气稳定控氮的方法，工艺路径：倒罐站-150t顶底复吹转炉-150tLF-连铸，钢种：HRB400E热轧带肋钢筋，控制要点：1.氮气：干燥无油，进气压力：1.5MPa，减压压力：1.1MPa，纯度≥99.0％；LF钢包采用双透气芯，LF炉精炼到站后，底吹流量调控；LF冶炼周期控制35-40min；2. 在转炉脱氧合金化的同时向钢包内加入200-300kg石灰，加入石灰的目的是为后续精炼进行快速成渣创造条件；LF钢包进站温度要求≥1550℃，精炼初始成分命中率≥95％；精炼初始成分命中率以成品成分范围计算；3.精炼LF冶炼过程精确控制：3.1钢包开至LF处理位置后，直接配加100-200kg电石，30-80萤石后，开始降电极冶炼，因考虑前期钢包表面炉渣温度低不易埋弧，采用低档位供电、 10-8档位操作，精炼LF开始加热手动10档起弧，后续根据化渣情况进行调整，控制时间为精炼冶炼10min，同时供氮流量控制在范围在15-25Nm