LF精煉吹氮合金化工藝研究

崔家冀，陸 強

(馬鋼集團公司管理創新部 安徽馬鞍山 243000)

鋼中氮含量高會使鋼材產生應力失效，顯著降低鋼的塑性、韌性，并影響鋼的焊接性能[1]，但在含釩微合金鋼中，氮對鋼中的碳氮化物的析出起到重要作用，同時隨著鋼水氮含量提高，可以有效提高釩元素的沉淀強化作用，顯著提高鋼的強度[2]。目前對鋼水增氮主要是在冶煉過程中向鋼中加入含氮合金，氮的收得率較穩定，工藝操作過程容易控制，但與直接吹氮氣直接進行氮合金化相比，采用氮化合金增氮成本較高。因此，利用易取得且廉價的氮氣作為合金化原料，直接利用鋼包底吹氮氣直接合金化，可以較好的降低含氮鋼的生產成本，是目前含氮鋼生產中重點研究開發的一項技術。本文對某廠在生產含鉻的釩微合金鋼LF精煉過程中底吹氮氣直接氮合金化的增氮速率進行了研究，為LF精煉工序底吹氮氣增氮的工藝制定提供了數據支撐。

1 增氮過程的分析和討論

1.1 現場技術條件

試驗鋼種為含鉻的釩微合金鋼，鋼中幾個主要固氮元素的含量分別為Mn(0.42%)、Cr(8.5%)、V(0.20%)，鋼中氮元素的目標含量為300 ppm-400 ppm，增氮工藝主要在LF(120 t)精煉工序。LF精煉過程主要操作流程為：進站、試氣(底吹氮氣)→第一次加熱、化渣→第二次加熱、造白渣、脫氧脫硫、成分調整→第三次加熱、成分和溫度微調→出站，整個LF爐精煉周期為40 min左右。LF底吹強度分別為：弱攪(500 NL/min-800 NL/min)、中攪(900 NL/min-1300 NL/min)、強攪(1500 NL/min-2000 NL/min)。

1.2 增氮工藝熱力學分析

在吹氮壓力條件下，氮在控氮車輪鋼鋼水中的溶解度符合Sivert定律。氮在鋼液中可能已自由狀態的氮原子[N]或者以化合物XN的形式溶解在鋼中，由氮溶解過程中的相關熱力學計算式如下[3]：

(1)

由公式(1)推導出氮的溶解平衡方程：

(3)

(4)

表1 1600 ℃下各元素對氮的相互作用系數

由式(1-1)～式(1-4)可計算出試驗鋼種分別在33 kPa、66 kPa、100 kPa氮分壓和1600 ℃條件下，氮元素在試驗鋼中的溶解度分別為681.8 ppm、964.2 ppm、1186.9 ppm。由于在LF爐工況條件下，為防止鋼液二次氧化，一般都采用微正壓操作，此時鋼包中氣液界面的氮氣分壓可達到100 kPa。因此結合理論計算和現場實際計算可得：1、在LF工序對目標氮含量為300 ppm-400 ppm的釩微合金鋼進行底吹氮氣直接氮合金化是可行的；2、在1600 ℃條件下，氣液界面氮分壓越高，鋼水中氮的溶解度越高。

1.3 增氮工藝動力學分析

根據文獻調研結果可知[4-6]，底吹氮氣過程中氮的流向主要由鋼水中的氮勢和氣相中氮勢所決定。鋼水在LF精煉過程中，鋼液的增氮和脫氮是同時發生的，其速率主要受液相傳質和界面反應混合控制。在高氧位和高硫位條件下，化學反應速率主要受界面反應控制；當在高真空、低氧位、低硫位條件下，化學反應主要受液相傳質控制。結合脫氮和增氮反應的熱力學計算結果，以及轉爐出鋼后鋼中氮含量一般為不超過100 ppm，因此可推斷出在LF爐精煉過程中，底吹氮情況下，氮氣分壓接近于100 kPa，此時鋼水中發生增氮反應。鋼水在吹氬站經過初步的脫氧合金化后，鋼中活度氧[O]一般小于30 ppm，[S]一般為250 ppm，屬于低氧位、高硫位鋼水。因此在整個LF精煉過程中，增氮速率會隨著脫氧和脫硫過程發生變化。

2 增氮速率的取樣分析

為研究整個LF精煉過程中鋼水的增氮速率含量隨著脫氧和脫硫過程發生變化的規律，確定合適的增氮工藝，進行了5爐底吹氮氣增氮試驗，并在LF冶煉過程中，分別于進站，第一次加熱結束、第二次加熱結束、第三次加熱結束、出站時取氧氮樣和乒乓球拍樣，并用LECO公司的TC-600氧氮測定儀進行鋼中[O]、[N]的檢驗，用光譜儀檢測鋼水中的[S]含量。檢測結果如表2至表4和圖1所示，其中圖1中各個取樣點的數據為五爐檢測數據的平均值。

其中進站至第一次加熱結束時間為5 min，主要進行化渣，因此可認為此時鋼水活度氧[O]和[S]處于較高水平；第一次加熱結束至第二次加熱結束時間約為15 min，此過程中進行深脫氧和脫硫反應，此過程中鋼水中[O]和[S]含量由高變低；第二次加熱結束至第三次加熱結束時間約為20 min，此過程中鋼水已完成深脫氧和脫硫任務，鋼水只進行成分和溫度的微調，因此該過程中鋼水中[O]和[S]含量都處于較低水平。

表2 增氮過程鋼水[N]含量檢查分析

表3 增氮過程鋼水[O]含量檢查分析

表4 增氮過程鋼水[S]含量檢查分析

圖1 增氮過程鋼中[N]、[O]、[S]含量變化曲線

從取樣檢測結果可以看出整個LF過程中增氮速率的變化。從進站至第一次加熱結束過程中，鋼水中[O]和[S]分別在21 ppm-28.8 ppm和248.6 ppm-220.2 ppm，[O]、[S]作為表面活性物質會對鋼液的增碳速率有顯著的影響，因此在LF精煉前期，鋼水增氮速率較低，反應速率主要受界面反應控制，由檢測結果大致可計算出此過程的增氮速率為2.88 ppm/min；在進入第二次加熱過程中時，隨著白渣的形成，鋼水的[S]含量快速下降，鋼中[O]含量也進一步減少，此過程中鋼水的增氮速率增加，增氮反應速率從由界面反應控制轉變為受傳質控制，按檢測數據計算，此時的增氮速率為7.04 ppm/min。在第三次加熱過程中鋼中活度氧[O]小于10 ppm，鋼中[S]小于20 ppm，屬于低氧位、低硫位鋼水，因此整個增氮過程應該主要受氮在液相邊界層中的傳質影響，經過計算可得此時鋼水的增氮速率為9.40 ppm/min。

3 結論

通過熱力學計算了試驗鋼種在3種不同壓力條件下的當溶解度，由結果可以得出該含鉻釩微合金鋼可以在LF爐精煉過程中采用底吹氮氣直接進行氮合金化，且氮分壓越高，氮元素在鋼中的溶解度顯著升高。

在整個LF精煉過程中，增氮速率會隨著脫氧和脫硫過程發生變化，在鋼水中[O]含量為25 ppm、[S]含量為240 ppm左右時，鋼水增氮速率較低，約為2.88 ppm/min；在鋼水中[O]小于10 ppm， [S]小于20 ppm時，鋼水增氮速率較高9.40 ppm/min。

從增氮速率角度考慮，在LF精煉過程前期盡量早化渣、造白渣進行脫硫和脫硫反應，可以有效提高并穩定鋼水增氮速率，縮短增氮時間，降低成本，精確控制鋼水增氮量。