降低電爐管線鋼氮含量生產工藝摸索

2020-01-17 06:10:14王學義宋智宇

工業加熱 2019年6期

王學義，宋智宇

（天津鋼管集團股份有限公司特鋼公司，天津300301）

隨著管線管產品的應用領域不斷拓展，新的應用領域如腐蝕環境、海洋環境對管線管產品提出了更高的要求，鋼中氮含量的不利影響也越來越得到重視[1]，氮的含量在API SPEC 5L 第43 版中并沒有明確要求，但從第44版開始，在酸性服役環境和海洋服役環境中增加了w(N)≤0.012 0%的要求，并明確了w(Al)/w(N)≥2的要求，重點客戶的內部標準，甚至要求w(N)≤0.008 0%。眾所周知，從單純氮含量控制方面，電爐較之轉爐是有明顯劣勢的，主要原因是電弧電離造成的，在電極加熱時，電弧的陰極和陽極輪流位于石墨和鋼液上。作用在鋼液上時，這部分鋼液較其他部位的鋼液溫度高，當其為陰極時，溫度為2 400 K，為陽極時，溫度為2 600 K，研究表明:當鋼液溫度為2 130 K 時，[O]對氮的影響作用消失。根據氮的溶解反應式，當氮分壓一定時，鋼液中氮的溶解度與氮溶解反應常數及其活度系數有關[2]。當溫度升高時，K值增大，鋼液中氮的溶解度亦增加。因此，針對電爐開展降低氮含量的工藝研究，不僅有利于改善電爐鋼的質量，增加電爐鋼品種，而且也可以提高電爐鋼產品的市場競爭力。

1 主要生產設備狀況

某公司煉鋼系統分為一區和二區，主要設備狀況如表1所示：

表1 主要設備狀況

2 降低管線鋼N含量生產工藝摸索

2.1 電弧爐冶煉工藝

電爐煉鋼與轉爐煉鋼相比較，由于廢鋼原料含氮高以及電弧區鋼液容易吸氮，鋼中氮含量較高，這是電爐煉鋼的先天性缺陷之一[3]。轉爐鋼的含氮量比較低，一般在2×10-5～4×10-5，而電爐熔清氮含量一般在8×10-5～1.2×10-4，因此，降氮必須從電爐冶煉開始。

1）造好泡沫渣

電爐冶煉鋼水中的氮主要有兩個來源，一是廢鋼中帶來的氮，另一個是電弧電離空氣造成鋼水增氮。原則上應該盡可能選用低氮的廢鋼，但是，由于廢鋼種類繁多，來源廣泛，在大生產的條件下很難具體測定和鑒別，因此，減少電弧電離增氮就顯得尤為重要，這就需要冶煉過程中必須要造好泡沫渣，泡沫渣是熔池激烈化學反應產生的大量氣體（主要是CO）和鋼、渣一起形成的乳化物，對穩定電弧、加速升溫和防止鋼水吸氣都十分必要，良好的泡沫渣系可以有效的使鋼水與空氣隔離，防止弧區鋼液面裸露，減少因電弧區鋼液的增氮[4]。因此合理使用好碳槍，盡可能提前并持續噴吹碳粉，控制石灰的加入量和加入時機，從而保證合理的渣量，以使熔池內形成良好的泡沫渣，理想成分如表2所示，據實際統計，泡沫渣良好的情況下，管線鋼水電爐熔清初始氮要比泡沫渣效果不佳時降低1×10-5～2×10-5。

圖1 管線鋼泡沫渣效果優劣鋼水熔清氮含量對比

表2 電爐較好效果泡沫渣成分

2）適當增加鐵水比

通過統計，電爐冶煉增加鐵水比例可有效的降低鋼水熔清氮含量，這是因為鐵水比的增加會使配碳量顯著增加[5]，雖然會加重脫碳任務，但由于脫碳時生成大量的CO氣泡相當于一個小真空室，其中氮的分壓極低，鋼液中的[N]很容易進入氣泡中而被攜帶走，可以認為脫碳量的增加，對鋼液氮含量是有益處的。在電爐冶煉過程中鋼水的吸氮集中于冶煉前期（熔化期），在脫碳反應劇烈的冶煉中后期，鋼水中的氮會擴散進入CO 氣泡并隨之逸出，因此反而形成鋼水脫氮的效果。當然，針對管線鋼特點而言，由于其成品C 高求不高，一般在0.10%左右，過高的鐵水量會增加電爐的脫碳負擔，導致冶煉周期延長，電極給電時間上升，反而增加了鋼水增氮的可能，起到相反的效果。通過大量現場試驗，某鋼管公司煉鋼系統一區鐵水比例在30%～40%，二區鐵水比在40%～50%時，管線鋼電爐熔清樣氮含量最低。

圖2 一二區不同鐵水比例電爐熔清氮含量

3）電爐底吹CO2對初始氮含量的影響

2017 年某公司與高校合作，在管線鋼生產中試驗了電爐底吹CO2工藝，通過試驗，發現電爐底吹CO2氣體對脫氮存在明顯的優勢，首先，電爐熔池中底吹CO2與[C]反應后，生成吹入氣體2 倍的CO，使熔池攪拌更強烈。有利于氮氣的逸出。圖3 為底吹CO2爐次與未底吹CO2爐次電爐出鋼后氮含量對比情況，從圖3可以看出，底吹CO2爐次氮含量總體要低于未底吹CO2爐次，平均低1×10-5～2×10-5。

圖3 底吹與未底吹CO2電爐熔清氮含量

2.2 精煉工藝

2.2.1 LF工藝

LF 工位整個操作過程鋼液往往會吸氮，LF 增氮的主要原因是鋼液與大氣接觸、電弧區增氮、原材料的增氮。為了降低LF吸氮，管線鋼生產中的主要措施有:

加強埋弧加熱，處理過程中保持微正壓氣氛；LF處理過程中要隨時觀察氬氣攪拌強度的大小，LF處理初期Ar 采用中等強度攪拌，不能大面積裸露鋼水，精煉處理后期，采用弱攪拌，禁止處理過程中對鋼水進行大氬氣強攪拌，防止鋼液吸氮吸氧，造成鋼液二次氧化；選用低氮合金。

采用以上措施后，可將管線鋼在LF工位的增氮量控制在一個合理的水平，所生產爐次增氮最高1.2×10-5，最低1×10-6，平均8.3×10-6，增氮量不是非常穩定，這與生產過程中氬氣控制、爐內氣氛等操作控制有一定的關系。

2.2.2 VD控制

真空吹氬脫氮是VD脫氮的主要有效手段。但是脫氮一般很困難，主要是因為：

鋼液中，氮與多數元素反應生成的氮化物處于溶解狀態，故無法通過沉淀法去除；氮原子的半徑比氫大，擴散系數比氫小得多（小兩個數量級），故真空去氮的效果比去氫差得多；氧、硫等表面活性元素阻礙鋼液脫氮。w(O)、w(S)在小于2×10-5的情況下對脫氮的影響可以消除，氧較易控制，而要將硫降至2×10-5以下則比較困難，因而增加了脫氮的難度；在實際生產中，VD抽真空過程中，高真空保持后要盡可能調大氬氣，保證鋼液進行充分的循環，VD 真空處理后，需要進行鈣處理操作，鋼液在鈣處理時，底吹氬吹破渣面，絲線周圍鋼水噴濺，易吸收空氣中的氮。在氬氣攪拌過程中，如果氬氣流量太大導致鋼液裸露，也會導致鋼液吸氮。弱攪拌以保持渣面微動為準，嚴禁吹開渣面造成鋼液裸露。因此，合理的精煉結束溫度以及氬氣攪拌制度也是生產低氮鋼的必備要素。

采取以上措施，管線鋼VD前后增氮量在0.001 0%～0.002 0%，比較穩定。

2.3 連鑄工藝

連鑄保護澆注對連鑄工藝增氮有很大的影響，連鑄過程中的增氮主要發生在鋼包到中間包之間的環節上。對于管線鋼，連鑄保護澆注采取的措施主要是：開澆前中包進行吹氬操作，將中間包內的空氣排出，減少開澆過程中鋼水吸氮；確保澆鑄時大包長水口垂直，密封圈每爐一換，吹氬保護效果良好；注意對長水口上部碗口處的清理，保證密封環壓緊、壓實；加強對保護吹氬的氬氣管檢查，如有漏氣，必須立即更換；如氮要求嚴格的管線鋼，在4～5爐更換1支新長水口，防止長水口侵蝕造成密封不嚴進而使鋼水吸氮。

通過批量管線鋼的生產實踐與不斷摸索，同一爐次連鑄過程樣與VD結束對比，增氮可以控制在6×10-6以內，見圖4。