本发明属于转炉炼钢质量控制领域，主要涉及一种转炉炼钢动态调节底吹co2流量改善脱氮的方法。
背景技术：
随着市场对钢材质量的要求日益严苛，钢水氮含量的控制问题正引起广泛关注。目前的转炉炼钢过程，通常采用顶吹超音速氧气射流、底吹惰性气体搅拌的冶炼方式，即使在冶炼后期将底吹氮气切换为底吹氩气，终点钢水氮含量仍普遍高于30ppm，说明现有的转炉吹炼方法难以有效地控制终点氮含量。
对于目前的转炉炼钢过程，冶炼中期碳氧反应剧烈发生，顶吹氧气几乎全部和碳反应，产生大量的一氧化碳气泡，一方面高效搅拌熔池，另一方面利用气泡吸附脱除熔池中的氮原子，可以高效快速地将钢水中的氮脱除。
但是，随着脱碳反应的进行，钢水中的碳含量逐渐降低，顶吹氧气难以和碳剧烈反应，大部分氧气将和铁反应生成氧化铁，脱碳速率逐渐降低，碳氧反应产生的一氧化碳气泡数量随之逐渐减少，炉内气泡产生量的减少显著恶化了脱氮的动力学条件。为了控制转炉冶炼终点的氮含量，目前常用的手段是在冶炼后期将底吹氮气切换为底吹氩气，但是由于底吹强度低，熔池搅拌弱，炉内气泡量少，仍难以满足脱氮的要求。持续大流量底吹又会加剧底吹元件的冲刷侵蚀，缩短转炉炉底的使用寿命。
因此，如何在不影响炉底寿命的前提下，尽量增大转炉冶炼后期的气泡产生量，改善脱氮的动力学条件，成为限制转炉冶炼低氮钢的关键技术问题。
此外，传统的转炉冶炼阶段划分是基于冶炼时间、氧步、炉口火焰状态等参数，并不能准确地反映炉内脱碳速率和气泡产生量的变化，因此需要以新的量化指标来划分冶炼时段，更加高效地配合转炉脱氮。
技术实现要素：
针对上述问题，为了在不影响炉底寿命的前提下改善转炉冶炼后期的脱氮条件，本发明基于co2的冶金特性和转炉冶炼过程的脱碳规律，提出了一种转炉炼钢动态调节底吹co2流量改善脱氮的方法。
本发明的技术原理是：(1)o2在炼钢温度下反应活性极强，在转炉冶炼后期碳含量低时，大量的o2和fe反应生成feo，该反应不会生成气泡，导致冶炼后期的气泡产生量逐渐减少，而co2无论是和c反应，还是和fe反应，都可以生成气泡。(2)1nm3co2与c反应可生成2nm3的co，体积加倍，因此在相同的底吹流量下，相比于底吹ar，底吹co2对熔池的搅拌能力更强。(3)转炉冶炼中期，si、mn等元素已氧化完全，底吹co2将主要和c发生反应，而co2与c的反应为强吸热反应，该阶段持续底吹co2可以在底吹喷嘴上方形成良好的蘑菇头覆盖，避免冶炼后期大流量底吹co2造成底吹喷嘴侵蚀。(4)转炉冶炼后期，随着碳含量的逐渐减少，脱碳速率是逐渐下降的，气泡产生量随之逐渐减少，因此应基于脱碳速率的变化逐渐增大底吹co2流量，减轻对底吹元件侵蚀的同时，达到更优的脱氮效果。
本发明的技术方案是：转炉冶炼过程中，实时监测炉气流量，根据炉气流量的变化将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期，具体步骤如下：
在所述的冶炼前期，由于co2与si、mn的反应为放热反应，不利于底吹保护，因此底吹n2，提供熔池搅拌，底吹流量为0.01～0.1nm3/t/min；
在所述的冶炼中期，si、mn已氧化完全，co2与c的反应为强吸热反应，因此底吹co2，利用co2与c反应吸热，形成良好的蘑菇头覆盖，为冶炼后期大流量底吹co2提供底吹喷嘴的保护，底吹流量为0.01～0.1nm3/t/min；
在所述的冶炼后期，以转炉冶炼后期起始的钢水脱碳速率(v0)为基准，根据实时的钢水脱碳速率(v)，计算实时钢水脱碳速率的下降比例(ζ)，基于钢水脱碳速率的下降比例(ζ)，建立函数关系，逐渐提高底吹co2的流量(f)，转炉冶炼后期起始的底吹co2流量为f0，在冶炼终点时达到最大流量fmax，弥补因冶炼后期脱碳速率逐渐降低而导致的炉内气泡产生量逐渐减少，增强熔池搅拌，改善脱氮的动力学条件，终点钢水氮含量可稳定控制在15ppm以内，同时，逐渐提高底吹co2的流量，可以减轻持续大流量底吹co2对转炉炉底的侵蚀，配合冶炼中期形成的蘑菇头，所述方法不会影响转炉的炉底寿命。
所述钢水脱碳速率的下降比例(ζ)由下式计算：
ζ＝(v0-v)/v0
所述的底吹co2的流量(f)与钢水脱碳速率下降比例(ζ)的函数关系为：
f＝f0+ζ·(fmax-f0)
所述底吹co2产生的气泡量(f)为：
f＝f+φ·f
其中φ为底吹co2与熔池中碳发生反应的比例；
随着冶炼后期脱碳速率(v)的逐渐下降，所述方法中底吹co2的流量逐渐增大，配合底吹co2与熔池中碳反应生成co，逐渐增加由底吹产生的气泡量，弥补因脱碳速率逐渐降低而导致的炉内气泡产生量逐渐减少，改善冶炼后期脱氮的动力学条件。
在所述的冶炼后期，根据脱碳速率的下降比例，逐渐增大底吹co2流量，所述转炉冶炼后期起始的底吹co2流量最小值为0.01～0.1nm3/t/min；所述冶炼终点时达到底吹co2的最大流量值为0.02～0.2nm3/t/min。。
转炉冶炼过程中，炉气流量是反映炉内反应和炉内气泡产生量的重要指标，转炉开始吹炼后，随着脱碳速率的上升，炉气流量逐渐增大；随着硅、锰、磷等元素基本氧化完全，脱碳速率基本恒定，炉气流量达到最大值，并保持基本恒定；随着碳含量的下降，碳元素的传质成为限制性步骤，脱碳速率开始下降，炉气流量随之下降。
所述方法实时监测炉气流量，根据炉气流量的变化将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期，所述冶炼前期的炉气流量由0逐渐增加至稳定值m；所述冶炼中期的炉气流量基本维持在稳定值m，波动范围为±10％；所述冶炼后期的炉气流量由稳定值m逐渐下降，直至吹炼终点；所述稳定值m为脱碳速率基本恒定时的炉气流量，为5～10nm3/t/min。
所述方法使用的co2气体中n2含量不高于1％。
本发明的有益效果是：本发明根据炉气流量变化趋势划分冶炼阶段，通过在转炉冶炼中期底吹co2形成良好的蘑菇头覆盖底吹喷嘴，在冶炼后期基于钢水脱碳速率的下降比例逐渐提高底吹co2的流量，弥补因冶炼后期脱碳速率逐渐降低而导致的炉内气泡产生量逐渐减少，增强熔池搅拌，改善脱氮的动力学条件，终点钢水氮含量可稳定控制在15ppm以内；同时，逐渐提高底吹co2的流量，可以减轻持续大流量底吹co2对转炉炉底的侵蚀，配合冶炼中期形成的蘑菇头，所述方法不会影响转炉的炉底寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种转炉炼钢动态调节底吹co2流量改善脱氮的方法，转炉冶炼过程中，实时监测炉气流量，根据炉气流量的变化将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期，具体步骤如下：
在所述的冶炼前期，由于co2与si、mn的反应为放热反应，不利于底吹保护，因此底吹n2，提供熔池搅拌，底吹流量为0.01～0.1nm3/t/min；
在所述的冶炼中期，si、mn已氧化完全，co2与c的反应为强吸热反应，因此底吹co2，利用co2与c反应吸热，为冶炼后期大流量底吹co2提供底吹喷嘴的保护，底吹流量为0.01～0.1nm3/t/min；
在所述的冶炼后期，基于实时钢水脱碳速率的下降比例ζ，建立函数关系，逐渐提高底吹co2的流量f，使转炉冶炼后期起始的底吹co2流量为f0，持续增加，在冶炼终点时达到最大流量fmax，同时逐渐提高底吹co2的流量减轻持续大流量底吹co2对转炉炉底的侵蚀，配合冶炼中期形成的蘑菇头，避免转炉的炉底寿命降低，实现终点钢水氮含量稳定控制在15ppm以内。
所述的冶炼后期的调节底吹co2流量的工艺为：
首先，根据炉气流量计算出转炉冶炼后期起始的钢水脱碳速率v0和实时的钢水脱碳速率v,代入公式(1)求出实时钢水脱碳速率的下降比例ζ，公式如下：
ζ＝(v0-v)/v0(1)，
式中：ζ为钢水脱碳速率的下降比例，v0为转炉冶炼后期起始的钢水脱碳速率，v为根据炉气流量推算实时的钢水脱碳速率；
根据求出实时钢水脱碳速率的下降比例ζ代入公式(2)求出底吹co2的流量f,公式如下：
f＝f0+ζ·(fmax-f0)(2)，
式中：f0为转炉冶炼后期起始的底吹co2流量，fmax冶炼终点时达到底吹co2的最大流量，ζ为实时钢水脱碳速率的下降比例，
根据公式(2)得到提高底吹co2的流量f代入公式(3)求出底吹co2产生的气泡量f，公式如下：
f＝f+φ·f(3)，
式中：φ为底吹co2与熔池中碳发生反应的比例，f为底吹co2的流量。
所述转炉冶炼后期起始的底吹co2流量最小值为0.01～0.1nm3/t/min；所述冶炼终点时达到底吹co2的最大流量值为0.02～0.2nm3/t/min。。
所述转炉冶炼过程中，实时监测炉气流量，根据炉气流量的变化将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期具体工艺为：冶炼前期的炉气流量由0逐渐增加至稳定值m；所述冶炼中期的炉气流量基本维持在稳定值m，波动范围为±10％；所述冶炼后期的炉气流量由稳定值m逐渐下降，直至吹炼终点；所述稳定值m为脱碳速率基本恒定时的炉气流量，为5～10nm3/t/min。
所述底吹co2气体中n2含量不高于1％。
实施例1
本发明应用在100吨顶底复吹转炉上，炉底布置6块毛细管式底吹透气砖，底吹流量为180～360nm3/h。
通过实时监测炉气流量，将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期。
冶炼前期，底吹n2，底吹流量为180nm3/h，提供熔池搅拌。
冶炼中期，底吹co2，底吹流量为180nm3/h，利用co2与c反应吸热形成蘑菇头覆盖底吹透气砖。
冶炼后期，底吹co2，底吹流量随脱碳速率的下降而逐渐升高，脱碳速率每降低1％，底吹co2流量增大1.8nm3/h，冶炼后期的底吹流量由起始的180nm3/h逐渐增大至吹炼终点的360nm3/h。
实施结果表明：100吨顶底复吹转炉采用本发明的方法后，终点氮含量可稳定控制在14ppm以内，较常规工艺平均降低20ppm；由于冶炼中期底吹co2形成的蘑菇头良好地保护了底吹喷嘴，即使冶炼后期逐渐增大底吹流量，也并没有造成底吹喷嘴侵蚀，炉底反而呈现上涨的趋势。
实施例2
本发明应用在300吨顶底复吹转炉上，炉底布置8块双环缝式底吹透气砖，底吹流量为400～1200nm3/h。
通过实时监测炉气流量，将冶炼过程划分为冶炼前期、冶炼中期和冶炼后期。
冶炼前期，底吹n2，底吹流量为400nm3/h，提供熔池搅拌。
冶炼中期，底吹co2，底吹流量为400nm3/h，利用co2与c反应吸热形成蘑菇头覆盖底吹透气砖。
冶炼后期，底吹co2，底吹流量随脱碳速率的下降而逐渐上高，脱碳速率每降低1％，底吹co2流量增大8nm3/h，冶炼后期的底吹流量由起始的400nm3/h逐渐增大至吹炼终点的1200nm3/h。
实施结果表明：300吨顶底复吹转炉采用本发明的方法后，终点氮含量可稳定控制在13ppm以内，较常规工艺平均降低22ppm；且炉底寿命未受到影响，仍可满足与炉龄同步。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果做了定量的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。