一种控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法与流程

本发明涉及一种钛微合金钢生产方法，特别是一种基于氮-钛热力学平衡控制大颗粒tin夹杂物的钛微合金钢生产方法，属于钢铁冶金。

背景技术：

1、钛微合金化是当前钢铁企业实现合金减量化、降低生产成本的重要手段之一，其基本原理在于钢中析出的纳米级tin颗粒能够有效钉扎奥氏体晶界、细化晶粒，从而显著提升钢材强度；然而，若钢中生成大量或大尺寸的tin夹杂物，则会恶化铸坯的裂纹敏感性，降低带钢质量；ti在钢中通常以化合态形式存在，基于钛与氧的亲和力最强这一特性，钛合金的加入时机通常选择在精炼后期，以避免钛被钢中溶解氧大量消耗；然而，精炼过程中为搅拌钢水和升温常会吸入大量空气，导致钢中溶解氮含量急剧升高，使得氮与钛的浓度积超出tin析出平衡常数，从而促使tin在高温下提前形核并生长为大尺寸夹杂物；现有技术中，钛合金的加入量多基于固定成分目标或操作经验确定，未能在钛合金加入前充分考虑当前钢水中实际氮含量对tin析出的热力学影响，导致大颗粒tin夹杂问题难以从根源上得到有效控制；因此，亟需一种能够在钛合金化之前，根据实测氮含量，通过氮-钛平衡积精确计算允许的最大钛含量，并协同调整锰含量以保障力学性能的钛微合金钢生产方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法，通过测定钢中氮含量，依据tin析出热力学平衡常数，反算钛含量的最佳控制上限，并据此优化锰含量，在保证力学性能的前提下，从源头避免大颗粒tin夹杂的生成。

2、本发明所述问题是通过以下技术方案解决的：

3、一种控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法，包括如下步骤：

4、步骤一：转炉冶炼前，控制投放的铁水和生铁的总质量占金属料总装入量的比例大于等于85%；转炉出钢前，控制转炉内钢液终点碳含量在0.05%-0.08%范围内；终点温度控制在1620℃-1660℃范围内；

5、步骤二：出钢脱氧及渣洗处理；

6、在转炉出钢过程中，向钢液中投放铝块进行脱氧处理，控制钢中als含量在0.010%-0.060%范围内；

7、脱氧处理后，向钢液中加入渣洗料进行渣洗，处理周期在10min-15min范围内；

8、步骤三：转炉出钢阶段，在未加入钛合金之前，采用取样器从钢包内提取钢水样，并使用电火花直读光谱仪测定钢液中的溶解氮含量和锰含量，溶解氮含量记为[n]实测，[n]实测为钢液中实测的氮元素含量，溶解锰含量记为[mn]实测，[mn]实测为钢液中实测的的锰元素含量；

9、步骤四：基于氮-钛平衡积计算钛含量最佳控制值；

10、根据tin析出热力学平衡方程：

11、[ti]·[n]=ktin 式一；

12、式中：

13、[ti]为钢液中钛元素含量，单位%，

14、[n]为钢液中氮元素含量，单位%，

15、ktin为tin析出平衡常数，取值为1.2×10-4；

16、计算出理论上不析出大颗粒tin的最大允许钛含量[ti]max；

17、

18、式中为钢液中钛元素含量最大数值；

19、为避免因局部过饱和或测量误差导致tin析出，实际控制的目标钛含量 [ti]目标按[ti]max的0.85倍取值；

20、[ti]目标=0.85[ti]max 式三；

21、式中为钢液中钛元素含量的目标数值；

22、如果[ti]目标数值在目标钢种规格要求的钛元素含量范围内，则采用[ti]目标数值；

23、如果[ti]目标数值小于目标钢种规格要求的钛元素含量范围的最小值，则[ti]目标数值以目标钢种规格要求的钛元素含量范围的最小值为准；

24、如果[ti]目标数值大于目标钢种规格要求的钛元素含量范围的最大值，则[ti]目标数值以目标钢种规格要求的钛元素含量范围的最大值为准；

25、步骤五：

26、根据[ti]目标数值与[mn]实测数值协同调整锰加入量；

27、设钛基准为[ti]基准，[ti]基准等于目标钢种规格要求的钛元素含量范围的最小值加上0.6倍的目标钢种规格要求的钛元素含量范围上下限之差；

28、如果[ti]目标数值大于等于[ti]基准,则不需要额外添加锰进行强度补偿，如果[ti]目标数值小于[ti]基准，则通过提高锰含量进行补偿；

29、步骤六：加入钛合金；

30、根据步骤四计算得到的[ti]目标数值，计算所需钛铁合金加入量，在出钢末期加入钢包中，钛合金加入后，钢包底吹氩气弱搅拌3-5分钟；

31、步骤七：连铸阶段；

32、连铸过程采用常规保护浇铸，避免钢水增氮；

33、步骤八：轧制阶段。

34、上述控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法，

35、步骤八中的轧制阶段包括：

36、加热温度控制：

37、均热段温度：1180℃-1220℃，确保钢坯充分奥氏体化，为后续轧制提供均匀的塑性条件；

38、出炉温度：1100-1150℃，采用低氮燃气,氮含量≤5%，减少炉气中氮的渗入;在均热段通入氩气,流量在0.5 m³/h-1.0m³/h范围内，局部降低炉内氮分压，抑制钢坯表面氮吸收；

39、轧制温度控制：

40、粗轧阶段：控制轧制温度在1050-1100℃，通过高温轧制促进tin颗粒的固溶，减少大颗粒析出；

41、精轧阶段：终轧温度控制在850-900℃，利用动态再结晶细化奥氏体晶粒，抑制tin聚集；

42、压下量及轧制速度；

43、粗轧总压下率≥60%，单道次压下率≤20%，避免局部应力集中引发微裂纹；

44、精轧速度控制在5-8 m/s，确保轧制过程中tin颗粒均匀分布；

45、冷却策略；

46、轧后采用层流冷却系统，冷却速率控制在15℃/s -20℃/s，快速通过tin析出敏感温度区间（600℃-700℃），抑制大颗粒形成；

47、卷取温度设定为550℃-600℃，促进细小tic析出，平衡材料强度与韧性。

48、上述控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法，

49、步骤二中的渣洗料为预熔型钙铝酸盐。

50、上述控制大颗粒氮化钛夹杂物的钛微合金钢生产方法，

51、步骤五中，通过提高锰含量进行补偿的补偿计算公式如下：

52、 式四；

53、 式五；

54、式中，

55、为需要补充的锰元素含量，单位%；

56、为钢液中实测的锰元素含量，单位%

57、为最终钢液中目标锰元素含量，单位%

58、α为钛的强化系数，取1000；单位为无量纲常数；

59、β为锰的强化系数，取40；单位为无量纲常数。

60、本发明通过在钛合金加入之前，依据实测钢水氮含量及tin析出热力学平衡常数，精确反算钛含量的最佳控制上限，从源头上避免因氮-钛浓度积超出平衡值而导致tin在液态或凝固初期提前形核并长大为大尺寸夹杂物，从而显著降低铸坯的裂纹敏感性，提高带钢质量，有效解决了现有技术中因精炼过程吸氮导致tin失控析出的行业难题；其次，本发明将钛合金加入量从传统的固定成分目标或经验估算提升为基于热力学原理的精确动态计算，使每炉钢水的钛含量均能与其实际氮含量精准匹配，克服了现有技术未能在加钛前充分考虑钢水实际氮含量的弊端；同时，本发明在控制钛含量上限的基础上，通过协同调整锰含量补偿因降钛可能造成的强度损失，形成"控钛降夹杂、增锰保性能"的完整技术闭环，既避免了为追求强度而盲目提高钛含量所带来的夹杂物风险，又确保了产品最终力学性能满足钢种规格要求，实现了合金减量化与产品质量提升的有机统一。