阅读说明：本技术 一种含氮钢的冶炼方法 (Method for smelting nitrogen-containing steel ) 是由 高振波 龚志翔 李小虎 王尚 陶承岗 何云龙 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含氮钢的冶炼方法,含氮钢的氮含量为80～200ppm,其工艺路线为：电炉—LF精炼—RH—连铸；电炉采用转炉；连铸采用模铸。在RH的真空全过程中采用氮气作为提升气体,氮气压力为1.0～2.0MPa。采用上述技术方案,RH提升气体的流量可以精确控制,增氮效果易于控制；与钢水充分接触,形成有效的循环,钢水的流场更加稳定；钢水的平衡氮含量远远超过80ppm,真空过程中使用氮气作为提升气体,增氮与真空脱氮的平衡随着钢水氮含量的提高逐步平稳,30～300mbar的真空度下钢水氮含量无法超过钢种的判钢要求,避免了氮含量超标带来的损失。(The invention discloses a method for smelting nitrogen-containing steel, wherein the nitrogen content of the nitrogen-containing steel is 80-200 ppm, and the process route is as follows: electric furnace-LF refining-RH-continuous casting; the electric furnace adopts a converter; the continuous casting adopts die casting. And nitrogen is used as lifting gas in the whole RH vacuum process, and the pressure of the nitrogen is 1.0-2.0 MPa. By adopting the technical scheme, the flow of RH lifting gas can be accurately controlled, and the nitrogen increasing effect is easy to control; the molten steel is fully contacted with molten steel to form effective circulation, and the flow field of the molten steel is more stable; the balance nitrogen content of the molten steel is far more than 80ppm, nitrogen is used as lifting gas in the vacuum process, the balance of nitrogen increasing and vacuum denitrification is gradually and stably realized along with the improvement of the nitrogen content of the molten steel, the nitrogen content of the molten steel cannot exceed the steel judgment requirement of steel types under the vacuum degree of 30-300 mbar, and the loss caused by the excessive nitrogen content is avoided.)

一种含氮钢的冶炼方法

技术领域

本发明属于一种含氮钢的冶炼方法，尤其是一种通过RH精炼过程实现快速准确控氮的冶炼方法，适用于氮含量要求在80～200ppm的钢种。

背景技术

钢铁市场上，尤其在汽车用钢及高等级管坯用钢领域，很多钢种对钢材成品氮含量有较为严格的要求，例如：汽车曲轴用钢38MnVS5要求氮含量130～170ppm；胀断连杆用非调质钢36MnVS4要求氮含量150～200ppm；齿轮钢ZF7B要求氮含量≥120ppm。

对于目前上述钢铁产品的主流生产工艺，钢水在经过真空脱气后氮含量降低至80ppm以下，再通过真空处理后加入含氮合金(钒氮合金、氮化锰、高氮铬铁等)，或者在真空结束后喂氮线，或者通过钢包底吹氮气控制氮含量，或者通过三种方法的配合，能够基本实现上述钢种氮含量的控制，但存在以下问题：

1、真空后钢水纯净度较高，另行加入增氮材料，将会增加二次氧化污染钢水的风险，造成产品质量的波动；

2、成本较高，以使用氮线控氮，钢水氮150ppm为例，真空脱气后钢水含氮量为50ppm，增加100ppm的氮需要氮线1.5kg/t钢，按市场价13000元/吨计算，吨钢成本增加20元；

3、通过钢包低吹氮气，难以实现氮含量稳定控制，处理周期长，影响炼钢效率，不利于生产的稳定顺行。

对于炼钢过程中钢水氮含量的控制，目前已有一系列的研究和成果，如：

1、中国发明专利(CN201510366458)公开了一种含氮钢的冶炼方法，通过VD真空过程中底吹氮气以及软吹过程中底吹氮气，能够生产氮含量0.010％～0.030％的含氮钢，此为VD工艺，底吹氮气的效果会存在一定波动；

2、中国发明专利(CN200810243439)公开了一种含氮齿轮钢生产工艺中的增氮方法，通过底吹氮气，定时取样检测来实现氮含量的精确控制，此方法需要含氮合金进行初调，成本较高，同时定时取样分析氮含量，检验周期长，生产节奏慢；

3、中国发明专利(CN201310230261)公开了一种真空循环脱气炉生产汽车面板控碳控氧的方法，通过RH采用氮气作为循环气体在真空中增氮，可实现汽车面板用钢氮控制在0.0030％左右，此方法不适合生产80～200ppm以上的钢水；

4、《鞍钢技术》2014年第6期中的《气体增氮法冶炼钒氮微合金钢》一文介绍了RH提升气体使用氮气，RH真空度控制到5KPa，在进RH前转炉全程底吹氮气，能够将钒氮微合金钢的氮含量调整至118ppm，但仅针对钒含量0.03～0.05％的某一个钢种，而本专利对钢水成分无要求，且在真空度控制、流量控制等重点参数方面，与本专利完全不同，另一方面，本专利对RH处理前的钢水氮含量无要求，与上述论文不同；

5、中国发明专利(201510682746.X)公开了一种含氮钢种的RH脱氢增氮工艺，真空度为4～6KPa，增氮速率为2～3ppm/min，与本申请专利的相关参数及效果也完全不同，事实上，钢水增氮效率与成分含量有直接关系，根据本专利的工艺及参数，即使最难增氮的钢种，增氮速率也在4ppm/min以上。

综上所述，对于含氮量在80～200ppm，且需要经过RH真空处理的高级别钢种钢水氮含量的快速准确控制是冶炼过程中的一个重大难题。

发明内容

本发明提供一种含氮钢的冶炼方法，其目的是准确控制含氮钢RH精炼后钢水的氮含量。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的含氮钢的冶炼方法，所述的含氮钢的氮含量为80～200ppm，所述的冶炼方法的工艺路线为：电炉—LF精炼—RH—连铸；所述的电炉采用转炉；所述的连铸采用模铸。

在所述的RH的真空全过程中采用氮气作为提升气体，氮气压力为1.0～2.0MPa。

所述的真空全过程的脱气过程中，氮气流量为300～1800标升/分钟，真空度达到100Pa以下后保持5分钟以上，确保[H]≤1.5ppm。

所述的真空全过程的脱气过程中，氮气流量调整至500～2200标升/分钟，通过调节真空泵，真空度调整至30～300mbar，保持10～25分钟后破空。

所述的冶炼方法应用于38MNVS5含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为800升/分钟，定氢[H]为0.9ppm；

调整真空度后，真空度保持在150mbar，提升气体流量保持在1000升/分钟，保持时间为18分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为146ppm，满足130～170ppm的内部控制要求。

所述的冶炼方法应用于FM8T含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为12分钟，氮气流量为1800升/分钟，定氢[H]为0.7ppm；

调整真空度后，真空度保持在250mbar，提升气体流量保持在1600升/分钟，保持时间为15分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为159ppm，满足≥120ppm的内部控制要求。

所述的冶炼方法应用于36MnVS4含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为1800升/分钟，定氢[H]为0.8ppm；

调整真空度后，真空度保持在200mbar，提升气体流量保持在1800升/分钟，保持时间为20分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为171ppm，满足160～180ppm的内部控制要求。

所述的冶炼方法应用于18CrNiMo7-6含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为1400升/分钟，定氢[H]为0.8ppm；

调整真空度后，真空度保持在80mbar，提升气体流量保持在800升/分钟，保持时间为15分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为105ppm，满足90～150ppm的内部控制要求。

本发明采用上述技术方案，RH提升气体的流量可以精确控制，且管路平稳，避免了管路接头漏气、底吹透气砖效果不佳带来的波动，对于增氮的效果易于控制；与钢水充分接触，形成有效的循环，钢水的流场更加稳定；钢水的平衡氮含量远远超过80ppm，真空过程中使用氮气作为提升气体，增氮与真空脱氮的平衡随着钢水氮含量的提高逐步平稳，30～300mbar的真空度下钢水氮含量无法超过钢种的判钢要求，避免了氮含量超标带来的损失。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明为一种含氮钢经RH精炼准确控氮的炼钢工艺。为了克服现有技术的缺陷，实现准确控制含氮钢RH精炼后钢水的氮含量的发明目的，本发明采取的技术方案为：

本发明采用的含氮钢的冶炼方法，所述的含氮钢的氮含量为80～200ppm，所述的冶炼方法的工艺路线为：电炉—LF精炼—RH—连铸；所述的电炉采用转炉；所述的连铸采用模铸。

为准确控制含氮钢RH精炼后钢水的氮含量，本发明公开的含氮钢的控氮工艺，对于含氮量要求在80～200ppm的钢种，采用这种控氮工艺，能够在RH处理周期内快速准确调整钢水氮含量，无需在真空后另行加入增氮材料，氮含量即能稳定满足产品要求，同时降低了二次氧化污染钢水的风险，且生产成本极低。

在所述的RH的真空全过程中采用氮气作为提升气体，氮气压力为1.0～2.0MPa。

所述的真空全过程的脱气过程中，氮气流量为300～1800标升/分钟，真空度达到100Pa以下后保持5分钟以上，确保[H]≤1.5ppm。

所述的真空全过程的脱气过程中，氮气流量调整至500～2200标升/分钟，通过调节真空泵，真空度调整至30～300mbar，保持10～25分钟后破空。

上述技术方案是通过多次试验验证确定的，各工艺要求的作用如下：

1、钢水氮含量与钢水初始氮含量、钢水成分的固氮能力、RH真空度、真空循环时间等密切相关；

2、对于不同的钢种，成分不同，固氮能力不完全相同，但均可以通过这种方式实现氮含量在80～200ppm之间稳定控制；

3、RH全程使用氮气作为提升气体，可以促进真空循环下的脱氮平衡左移，以提高平衡时的氮含量，减少后期增氮的时间；

4、为确保[H]含量满足产品要求，必须保证一定的真空深处理时间，一般情况下，氮气流量300～1800标升/分钟时，RH真空度100Pa以下保持5分钟以上，即可实现[H]≤1.5ppm；如定氢偏高，需延长100Pa以下真空度下的循环时间；

5、真空度、提升气体流量以及循环时间共同决定了钢水的氮含量水平。通过调节真空泵，钢水循环的真空度能达到要求的范围(30～300mbar)，同时，将氮气提升气体的流量调整至500～2200标升/分钟，保持时间10～25分钟，即可实现钢水氮含量的稳定控制。

采用RH的提升气体对钢水氮含量进行控制，有如下优势：一是RH提升气体的流量可以精确控制，且管路平稳，避免了管路接头漏气、底吹透气砖效果不佳带来的波动，对于增氮的效果易于控制；二是与钢水充分接触，形成有效的循环，钢水的流场更加稳定；三是经理论计算，钢水的平衡氮含量远远超过80ppm，真空过程中使用氮气作为提升气体，增氮与真空脱氮的平衡随着钢水氮含量的提高逐步平稳，30～300mbar的真空度下钢水氮含量无法超过钢种的判钢要求，避免了氮含量超标带来的损失。

实施例一，上述冶炼方法应用于38MNVS5含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为800升/分钟，定氢[H]为0.9ppm；

调整真空度后，真空度保持在150mbar，提升气体流量保持在1000升/分钟，保持时间为18分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为146ppm，满足130～170ppm的内部控制要求。

实施例二，所述的冶炼方法应用于FM8T含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为12分钟，氮气流量为1800升/分钟，定氢[H]为0.7ppm；

调整真空度后，真空度保持在250mbar，提升气体流量保持在1600升/分钟，保持时间为15分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为159ppm，满足≥120ppm的内部控制要求。

实施例三，所述的冶炼方法应用于36MnVS4含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为1800升/分钟，定氢[H]为0.8ppm；

调整真空度后，真空度保持在200mbar，提升气体流量保持在1800升/分钟，保持时间为20分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为171ppm，满足160～180ppm的内部控制要求。

实施例四，所述的冶炼方法应用于18CrNiMo7-6含氮钢的控氮工艺：

采用氮气作为提升气体；

100Pa以下真空循环时间为10分钟，氮气流量为1400升/分钟，定氢[H]为0.8ppm；

调整真空度后，真空度保持在80mbar，提升气体流量保持在800升/分钟，保持时间为15分钟，RH破空后取氧氮样分析，含氮量为105ppm，满足90～150ppm的内部控制要求。

本发明的钢水控氮工艺，适用于含氮量要求在80～200ppm的钢种。使用该工艺，能够准确控制钢水在RH真空后的钢水氮含量波动范围在50ppm以内，如：

1、38MNVS5氮含量要求130～170ppm：实际135～154ppm；

ZF7B的氮含量要求120～200ppm：实际133～168ppm；

36MnVS4的氮含量要求120～200ppm：实际140～171ppm；

18CrNiMo7-6的氮含量要求90～150ppm：实际95～130ppm；

均达到标准要求，且控制稳定。

2、根据计算，采用本发明生产控氮钢，在钢水增氮的成本方面，不同的钢种吨钢节约成本20～80元。

3、提高生产效率，采用本发明可以缩短控氮钢周期10min以上，按浇铸周期50分钟，年产100万吨计算，可以提高产量25万吨

4、避免钢水在RH后增氮带来的二次氧化，减少夹杂物的形成数量，提高钢水质量。

上述技术方案的实施有以下特点：

1、采用RH氮气代替氩气作为提升气体的方式，实现了80～200ppm范围内钢水氮含量的低成本精准控制，取代了国内主流的合金增氮工艺，在稳定性进一步提高的同时成本大幅降低；

2、对RH处理前的钢水氮含量无要求，不需钢包底吹氮气进行配合，钢水增氮速率能够达到4ppm/min以上；

3、根据不同的钢水成分要求，制定不同的真空度、循环气体流量、真空循环时间等重点参数，能够实现不同钢种氮含量80～200ppm内的精确控制。

经济效益分析：

氮含量80～200ppm的汽车用钢产量按5000吨/年计算，吨钢边际效益平均为700元，直接经济效益：700×5000＝350万元。

以上对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。