LF爐冶煉低硅鋼氮含量控制實踐

朱學謹

(河鋼承鋼 生產計劃部，河北 承德 067000)

當鋼材中具有較高的氮時，會使鋼材產生時效硬化現象，降低鋼材的沖擊韌性和塑性，還會與Al等元素形成氮化物夾雜，影響鋼材的正常使用[1-2]，因此客戶對鋼中氮含量的要求也越來越嚴格。而目前公司轉爐終點控制工藝及LF造渣、埋弧解熱、吹氬等工藝不盡合理，造成LF精煉過程鋼水大量吸氮，嚴重降低了成材率，增加了生產成本，因此需要研究LF精煉過程氮含量控制工藝以降低過程吸氮量，提高鑄坯合格率，降低生產成本。

1 鋼液吸氮熱力學與動力學

1.1 鋼液吸氮熱力學[3]

(1)

(2)

(3)

上式中，αN-氮在鋼液內的活度；fN-氮在鋼液內的活度系數；[%N]-鋼液內的氮含量；KN-氮溶解在鋼液內的平衡常數；PN2-氮在氣相中的分壓，Pa；T-鋼液溫度，℃。

1.2 鋼液吸氮動力學

有關研究表明，脫除鋼液中硫、氧等活性元素的同時會增加鋼液的吸氮，鋼液吸氮動力學方程[3]如下：

d[%N]/dt=KcF/V([%N])e-[%N]

(4)

式中[%N]是t時間鋼液中氮的濃度，%；[%N]e是與氣相中氮分壓平衡時的氮濃度，%；KC為傳質系數，cm/s；F為氣-液界面的反應面積，cm2；V為液相體積，cm3。

2 當前LF爐控氮存在的問題

2.1 轉爐終點控制不合理

由于轉爐采用半鋼冶煉P含量普遍較高，為保證脫磷效果，往往依靠提高爐渣氧化鐵、增加造渣料用量來獲得較低的終點[P]，因此終點鋼水氧化性強，合金化合金用量不易掌握，且下渣檢測設備故障率高，造成LF進站鋼水帶渣較多，爐渣氧化性強，合金補加量大。

2.2 LF埋弧效果差

由于轉爐-LF-連鑄生產組織不盡合理，造成鋼水在氬站蹲包時間偏長，致使LF進站鋼水爐渣結殼嚴重，LF處理時難以快速形成埋弧渣，造成加熱效率低，吸氮嚴重。

2.3 鋼包透氣性管理及LF吹氬工藝不合理

崗位對鋼包透氣性日常檢查不到位，為節約成本，吹氬管少量漏氣時也不及時更換，造成鋼包透氣性差，LF處理時間長，增加吸氮的風險；同時部分崗位處理鋼水時為了獲得更好的攪拌、脫硫效果，往往把吹氬流量控制在較高的水平，也造成了鋼液吸氮量的增加。

2.4 窄成分控制比較差

崗位成本意識較差，加之脫氧造渣脫硫的水平有欠缺，造成處理時間長，且對合金成分燒損估計不足，為確保鋼水成分合格，往往按照成分上限控制，增加了鋼液吸氮。

3 LF精煉過程控氮工藝優化

經大量現場生產數據統計，LF精煉階段低硅鋼控氮效果較差，平均增氮量為16.8 ppm，經常出現氮含量超標現象(見表1)。

表1 低硅鋼LF精煉氮含量控制現狀

3.1 轉爐終點控制工藝優化

通過優化鐵水預脫硫工藝，加快生產組織節奏，實現了鐵水脫硫比例達到99%，保證了轉爐半鋼冶煉S含量要求；通過建立半鋼冶煉大數據庫，優化了前期造渣模型和過程吹煉控制模型，并加強合金工技能水平，合金加入準確率顯著提高，加快了冶煉前期成渣速度，提高了脫磷效果，減小了中后期脫磷壓力，降低了終渣氧化鐵含量；通過優化出鋼渣洗工藝，進一步降低了LF進站鋼水氧含量，促進了LF前期埋弧渣的快速形成，優化后進站爐渣(FeO+MnO)%由2.3%降至1.2%，鋼液平均吸氮量較優化前降低3.7 ppm，效果明顯。

3.2 鋼種成分控制

鋼液中氮的溶解度與鋼液成分的關系式[4]如下：

ω[N]=0.044-0.01ω[C]-0.0025ω[Mn]-0.003ω[Si]-0.0043ω[p]-0.001ω[S]-0.001ω[Ni]-0.01ω[At]-0.0004ω[Cu]+0.0069ω[Cr]+0.013ω[V]+0.0015ω[Mo]+0.0102ω[Nb]+0.1ω[Ti]

(5)

由上式可知，[C]、[P]、[Si]、[Mn]、[Al]等元素的存在有利于降低鋼液氮含量，[Cr]、[V]、[Ti]、[Nb]等元素利于鋼液吸氮，通過開展LF窄成分控制攻關加強職工合金燒損量的估算水平，實現了吸氮元素按照中下限控制，適當提高利于減少吸氮元素的含量，鋼液吸氮量降低了1.3 ppm，同時減少合金用量約120 kg/爐。

3.3 埋弧工藝控制

同一鋼種，加熱時間為8 min，埋弧效果不同條件下，鋼液氮含量變化。

由表2可知，埋弧良好時鋼液增氮較少，平均增氮僅為2.4 ppm，而埋弧較差時鋼液吸氮嚴重，平均吸氮量為16.7 ppm，約為前者的6.96倍，因此優化埋弧工藝，改善埋弧操作，獲得良好的埋弧效果對于獲得低氮鋼液十分重要。

表2 埋弧效果對增氮量的影響

通過鋼包加蓋，進站及時加入埋弧渣、精煉渣，促進LF快速成渣，改善了埋弧效果，整個加熱過程實現了弧光不裸露。

3.4 LF兌入連鑄大包澆余工藝控制

由于生產中冶煉品種鋼較多，為保證連鑄坯質量，連鑄大包澆余含渣量約16 kg/t，如不能充分利用則造成渣料浪費，因此生產中常將澆余兌入同類鋼種，但是否會影響鋼中氮含量，需要進一步研究。

由于澆余渣成分與精煉渣成分相同，因此兌入澆余后能夠快速成渣。由表3可知，循環1次時爐渣泡沫化良好，阻絕空氣效果較好，因此增氮量較小。循環2次后由于爐渣偏稀，弧光明顯，阻隔空氣效果較差，因此增氮量較大。且澆余循環1次、2次增氮量均小于未兌入澆余爐次，分別比未兌入澆余爐次平均增氮量小12.6 ppm、5.8 ppm，降幅分別為65.28%、30.05%，效果比較明顯。

表3 澆余循環次數對增氮量的影響

鋼水回硅量隨循環次數增加而增加，循環2次平均回硅量分別比循環1次、未兌入澆余爐次增加0.009%、0.016%，增幅分別達到37.50%、66.67%，回硅十分明顯，若控制不當極易引起鋼水硅含量超標，因此為控制低硅鋼種氮含量，兼顧控硅，只對澆余循環1次。

3.5 加熱時間、供電檔位參數控制

由圖1知，隨加熱時間延長，鋼液增氮量持續增加，隨供電檔位升高，鋼液增氮量持續減少，這是由于溫度升高，鋼液中氮的溶解度升高，且氮在電弧區發生電離進一步促進了鋼液吸氮，供電檔位提高，升溫速度加快，加熱時間縮短，因此適當減少加熱時間有利于降低LF精煉過程鋼液吸氮。

圖1 加熱時間及供電檔位對增氮量的影響Fig.1 Effect of heating time and power supply gear on nitrogen increment

通過優化轉爐溫度控制，終點溫度合格率由優化前57%提高至95%，減少了LF精煉加熱時間，鋼液吸氮量減少了4.3 ppm。

3.6 吹氬時間、吹氬流量參數控制

由圖2知，鋼液增氮量隨吹氬時間延長、吹氬流量增加均呈現上升趨勢，這是由于吹氬時不可避免會造成鋼液面出現不同程度的裸露，時間越長與空氣接觸時間越長，流量越大，鋼液面裸露面積越大，因此控制合理的吹氬參數有利于減少鋼液吸氮。

圖2 吹氬時間及吹氬流量對增氮量的影響Fig.2 Effect of argon blowing time and flow rate on nitrogen increment

通過改善鋼包透氣性，優化過程吹氬攪拌工藝，鋼包漏氣率由優化前的48%降至5%，過程吹氬流量控制在150～250 L/min，確保鋼液面裸露面積不超過350 cm2，軟吹氬流量以鋼液面不裸露為準，鋼液增氮量較優化前降低了3.4 ppm。

3.7 喂鈣線控制

按照工藝要點要求，為減低鋼水氧含量，過程[Als]要求控制在300～400 ppm，進站[O]較高時，鋁脫氧劑用量也隨之升高，過程[Als]最高時可達600 ppm，終點[Als]要求控制在250～350 ppm，為減少Al2O3夾雜，需要喂入一定量的鈣線。有關分析表明，鈣線中氮含量約為0.556%。實際生產數據表明，進行鈣處理爐次平均增氮量為20.94 ppm，與未進行鈣處理爐次平均增氮量17.68 ppm相比增加3.26 ppm，增幅達到18.44%，說明喂鈣線過程也是LF增氮的重要原因之一(見表4)。

表4 喂鈣線對增氮量的影響

通過優化轉爐吹煉工藝，出鋼前向渣面加入適量焦丁進行預脫氧，氬站加入適量渣洗料，優化鈣線喂入工藝，降低了LF精煉過程脫氧負擔，平均鈣線喂入量較優化前減少了約75 m，節省了鈣線用量及脫氧用鋁量，鋼液平均增氮量由優化前的4.23 ppm降至2.76 ppm，改善了鋼水質量，降低了生產成本。

3.8 補加合金量控制

由表5知，大量補加合金會造成鋼液大量吸氮，這是因為大量加入合金時鋼液面裸露面積增加，同時為了促進合金熔化及鋼液成分均勻，就需要使用較大的吹氬量及較長的吹氬時間以獲得良好的攪拌效果，使得鋼液與空氣接觸面積大、接觸時間長，而且為了彌補加入合金的溫降還需要增加加熱時間，又進一步促進了鋼液吸氮。通過加強轉爐合金工合金化知識培訓，促進了合金加入量準確率的提高，LF精煉補加合金量由優化前的1.3噸降至0.45噸，平均鋼液增氮量減少了1.9 ppm。

表5 補加合金量對增氮量的影響

3.9 工藝優化前后LF精煉過程增氮變化

由表6可知，經過優化后，鋼液平均增氮量由優化前的16.8 ppm降至9.4 ppm，降低了7.2 ppm，降幅達到42.86%，效果十分明顯，鑄坯氮合格率由優化前的35%增加至97%，減少了不合格鋼坯量，降低了生產成本。

表6 工藝優化前后LF過程增氮變化

4 結論

(1)LF精煉兌入連鑄澆余有利于快速形成泡沫渣，減少鋼液吸氮，但兌入澆余會引起鋼液增硅，且循環次數增加會引發爐渣變稀，對控氮不利。因此綜合考慮控硅與控氮，澆余循環利用一次效果比較好，與不兌入澆余相比，鋼液平均增氮量降低12.6 ppm，降幅達到了65.28%，效果顯著。

(2)通過合理控制轉爐終點，優化LF埋弧、加熱、吹氬、窄成分控制、喂線等工藝參數，能夠顯著降低鋼液吸氮量，優化后平均鋼液吸氮量由優化前的16.8 ppm降至9.6 ppm，鋼坯氮合格率由優化前的35%提高至97%，降低了成本。