電弧爐煉鋼流程氮含量變化及控制技術(shù)新進展

張伯影1，田博涵，魏光升

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京 100083)

氮元素對鋼材的塑性及焊接性能有較大影響，會導(dǎo)致鋼材的老化，降低其使用壽命，如表1所示為各鋼種成品的氮含量控制要求[1-2]；在電弧爐煉鋼流程中，由于其原料、工藝及設(shè)備特點，難以實現(xiàn)低氮鋼生產(chǎn)；本文針對現(xiàn)代電弧爐煉鋼典型流程：EAF+LF+VD/RH+CC，跟蹤分析各工位產(chǎn)品氮含量變化，剖析實際操作或技術(shù)對鋼液氮含量的影響，并提出相應(yīng)技術(shù)對鋼液中氮含量進行控制，以提高電爐鋼質(zhì)量，增強電爐鋼的市場競爭力。

1 電爐鋼氮含量變化機理

1.1 增氮機理

1.1.1 電弧電離空氣中的氮氣

電弧爐及LF爐利用電弧對鋼液加熱，電弧溫度高達6 000 ℃，在電弧的高溫作用下，空氣中的氮氣分子發(fā)生電離，此時，發(fā)生如下反應(yīng)：

電弧電離氮氣：N2→N+N

(1)

表1 各鋼種成品氮含量控制要求 10-6

氮原子進入鋼液：N→[N]

(2)

最終，被電離的[N]在裸露區(qū)域進入鋼液，從而導(dǎo)致鋼液含氮量升高。

在電弧爐煉鋼流程中一般通過造泡沫渣覆蓋減少電弧裸露，降低氮氣的電離效應(yīng)；國外有學(xué)者通過向電弧區(qū)噴吹甲烷等，吸附氮原子，有效降低了鋼液氮含量[3]。

1.1.2 氮氣溶解進入鋼液

在電弧鋼冶煉流程中，鋼液不可避免地與氮氣接觸，從而導(dǎo)致氮氣溶解進入鋼液中，成為自由氮，其反應(yīng)過程見式(1)、式(2)，其溶解度遵循西華特定率：

(3)

(4)

(5)

鋼液中不同元素對氮的溶解度有不同的作用，Zr、Ti、Nb、V、Cr等元素可以增加氮的溶解度。而C、Si、O、S等元素則會降低氮的溶解度；值得注意的是O和S作為鋼液中的界面活性元素，會影響鋼液與空氣界面的反應(yīng)進行，對鋼液吸氮與脫氮反應(yīng)的進行均呈現(xiàn)負相關(guān)作用[4]。

表2 鋼液中不同元素與氮的相互作用系數(shù)(1 873 K)

在電弧爐煉鋼流程中，一般通過優(yōu)化控制電弧爐、LF爐的底吹工藝，減少鋼液裸露；降低環(huán)境氮氣分壓，加強電弧爐爐門管理，減少爐門進風以及對脫氧、真空后、澆鑄等工段的鋼液進行保護操作等一系列的工藝來防止此類增氮。

1.1.3 冶煉原料帶入鋼液

電弧爐冶煉鋼液中的總含氮量很大一部分是由冶煉原料帶入的，表3所示為電弧爐一般冶煉原料中的氮含量。

表3 電弧爐一般冶煉原料中的氮含量 %

在精煉過程中，需要對鋼液進行成分微調(diào)和合金化；此時，需要向鋼液中投入合金料和造渣劑，如表4所示為精煉過程輔料的氮含量，該部分輔料同樣會增加鋼液氮含量。

表4 精煉過程輔料的氮含量 %

廢鋼氮含量差異巨大，為降低鋼中氮含量，應(yīng)當對鋼鐵原料進行優(yōu)化選擇，合理的廢鋼處理是減少電爐鋼氮含量的有效措施。對各種輔料則應(yīng)當進行等級管理，按照鋼種的氮要求，選擇合適的輔料種類。一般建議使用數(shù)據(jù)庫和配料模型進行統(tǒng)一管理。

1.2 脫氮機理

在電弧爐煉鋼流程中，鋼液脫氮主要通過真空處理或鋼液中氣泡上浮帶出實現(xiàn)(見圖1)；真空處理通過降低氮分壓，促使鋼液中的自由氮逸出；而Ar/CO氣泡的偽真空效應(yīng)使得鋼液中的自由氮進入被上浮帶出(因為O和S的存在，導(dǎo)致Ar氣泡的脫氮效力十分有限)。

圖1 鋼液脫氮機理

2 電弧爐煉鋼流程氮含量變化及分析

圖2為電弧爐煉鋼各工位產(chǎn)品氮含量的變化示意圖，本章針對各工位氮含量變化進行分析，對其內(nèi)部機理開展研究，剖析實際操作或技術(shù)對鋼液氮含量的影響，并展現(xiàn)出電弧爐煉鋼流程中的控氮技術(shù)發(fā)展方向。

圖2 電弧爐煉鋼各工位產(chǎn)品氮含量變化示意圖

2.1 EAF工位氮含量變化分析

如圖3所示，在電弧爐工位，增氮過程主要發(fā)生在廢鋼開始熔化和出鋼時；而脫氮過程主要發(fā)生在熔清升溫期。

(A)引弧穿井期;(B)熔化期，開始形成熔池;(C)熔化期，爐料全部熔化;(D)熔清升溫期，開始加熱到脫碳前;(E)熔清升溫期，發(fā)生劇烈碳氧反應(yīng)脫碳;(F)升溫達到出鋼溫度;(G)出鋼，加合金;(H)鋼水進入大包。圖3 電弧爐生產(chǎn)工位鋼中氮含量變化

在廢鋼熔化期(B段)鋼液與電弧皆暴露在空氣中，氮氣以溶解或被電弧電離的方式大量進入鋼液；康斯迪電弧爐采用平熔池操作，使鋼液面和電弧始終處于泡沫渣的覆蓋之下，有效防止與空氣接觸，所以抑制鋼液吸氮效果良好。研究結(jié)果表明：和傳統(tǒng)的頂裝料工藝相比，康斯迪工藝生產(chǎn)鋼的氮質(zhì)量分數(shù)要低15×10-6。

在出鋼時(E段)，電弧爐熔池中發(fā)生劇烈的碳氧反應(yīng)，生成大量CO氣泡，使得鋼中氮含量快速下降；在熔清升溫期(G段)，出鋼過程鋼液吸氮,氮含量可達(5～10)×10-6。一方面則是由于鋼流直接裸露在空氣中，溶解氮氣造成增氮；另一方面是合金料帶入大量氮元素。針對于此，電弧爐出鋼過程應(yīng)當優(yōu)化合金料的投入，實現(xiàn)自動出鋼，保證鋼流集中不分散。

國內(nèi)電弧爐鋼企出鋼鋼水氮含量大致在(40～80)×10-6，表5所示為國內(nèi)部分鋼企的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可見頂加料電弧爐進行全廢鋼冶煉會造成鋼水氮含量高的不利影響，而采用康斯迪電爐與配加鐵水則可以有效降低鋼水氮含量。

表5 部分鋼企電弧爐出鋼氮含量

2.2 LF工位氮含量變化分析

在LF工位，增氮過程主要發(fā)生在鋼液進站前期，如表6所示[5]，其主要增氮單元操作機理為：

(1)LF爐需要進行大功率的攪拌，鋼液裸露在空氣及電弧作用下；

(2)加入各種合金料和造渣劑，溶解氧含量降低，此時大量增氮。

LF進站冶煉后期，尤其是喂線后至出LF階段，鋼液面被精煉渣所覆蓋，不再加入新的入爐料，也不需要進行大攪拌，幾乎不增氮。

表6 LF單元操作增氮效果 10-6

鋼國內(nèi)電弧爐鋼企在LF工位的增氮量基本控制在(10～30)×10-6；部分企業(yè)通過改進生產(chǎn)工藝，包括加強埋弧操作，改進底吹氬制度，控制加熱制度及配料制度等措施，將增氮量穩(wěn)定控制在10×10-6以下[6]。

2.3 真空處理工位氮含量變化分析

針對電弧爐煉鋼流程，其真空處理工位一般為VD/RH；一般而言，VD動力學(xué)條件不如RH，其處理時間也要更長，但其脫氮機理相同，主要是通過真空實現(xiàn)，其影響因素有以下幾點：

(1)鋼中氮含量隨著真空處理壓力下降而減少，見圖4；

(2)由于溶解氧含量已小于5×10-6，已經(jīng)很難再對脫氮產(chǎn)生影響；

(3)脫氮效果與鋼液中[S]含量相關(guān)(真空處理前[N]保持在50×10-6)，隨著[S]升高，脫氮效果隨之降低，見圖5。

圖4 真空處理過程氮分壓與鋼中氮含量關(guān)系

圖5 真空處理過程脫氮率與鋼中硫含量關(guān)系

在真空處理過程中，吹氬量同樣有助于鋼液脫氮，根據(jù)德國DHS公司的數(shù)據(jù)，在10 Pa的氬氣注入下進行15 min的真空處理，滿足w([O])≤20×10-6，w([S])≤100×10-6，w([N])≥50×10-6的進站鋼液可達到50%的脫氮率[7]。而國內(nèi)電弧爐鋼企在不進行合金加料操作時也可以達到這一水平。

但是實際上，國內(nèi)電弧爐鋼企真空處理工位的脫氮率一般在20%～30%，甚至存在不減反增的情況，可能原因有：

(1)工藝操作不足，部分國內(nèi)企業(yè)真空度較高，處理時間不足。

(2)部分鋼企在真空處理工位會繼續(xù)加入合金料與脫氧劑，從而帶入氮元素。

(3)真空后保護不足，導(dǎo)致處理后鋼液與空氣接觸，大量吸氮。

2.4 連鑄工位氮含量變化分析

進入連鑄工位的鋼液氮含量很低，其增氮的主要因素是鋼液與空氣接觸。現(xiàn)代生產(chǎn)流程采用保護澆注，在鋼包到中間包間采用長水口，在其連接處采用氬氣氣封，中間包到結(jié)晶器間采用浸入式水口并投入中間包覆蓋劑與結(jié)晶器保護渣，極大地減少了鋼液吸氮。現(xiàn)代連鑄工位防止鋼液吸氮的關(guān)鍵在于細節(jié)操作，要盡可能的防止鋼液與空氣接觸，可采取以下措施：

(1)在開澆時排盡中間包內(nèi)的空氣；

(2)進行中間包氬封并保證連鑄時鋼包的自動開澆。

國內(nèi)鋼企基本上普及了長水口鋼液保護裝置并加入氬氣保護裝置，對中間包進行氬封，連鑄工位密閉性得到了極大地提高，可以保證連鑄工位增氮量在10×10-6以下，部分生產(chǎn)低氮鋼的鋼企可以將其控制在3×10-6左右。

3 電弧爐煉鋼控氮技術(shù)新進展

對電弧爐煉鋼流程各工序控氮工藝和氮含量數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，一般全廢鋼電弧爐煉鋼流程，很難實現(xiàn)w(N)<45×10-6鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)，電弧爐煉鋼流程中的控氮潛力主要在電弧爐工位。

而隨著鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展，用戶對鋼材質(zhì)量要求日益提高，低氮鋼(如IF鋼)對氮含量的要求達到30×10-6以下，現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿足先進鋼種生產(chǎn)的需求，極大影響了電弧爐煉鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；本章針對國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀，介紹了一些實用的先進控氮技術(shù)，展示了電弧爐冶煉低氮鋼生產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展方向。

3.1 電弧爐煉鋼流程原輔料優(yōu)化

向電弧爐中配加低氮原料，例如DRI，HBI等，可以有效降低入爐料的總含氮量，繼而降低鋼液中的含氮量；向電弧爐中配加生鐵塊或鐵水，不僅具有氮含量低的特點，而且可以向熔池中提供了大量的碳，產(chǎn)生大量CO氣泡，大量脫氮，同時產(chǎn)生了大量的泡沫渣覆蓋鋼液，既降低了鋼液中的氮含量又抑制了鋼液吸氮；如圖6所示為某廠85 t電弧爐在不同原料結(jié)構(gòu)下入爐料的總含氮量(該廠生產(chǎn)低碳鋼，冶煉噴碳量為10 kg/t，耗氧量為20 m3/t。如圖7所示為某廠90 t 康斯迪電弧爐鐵水加入量對鋼中氮含量的影響[8]。

圖6 不同原料結(jié)構(gòu)下入爐料的總含氮量

圖7 電弧爐鐵水加入量對鋼液氮含量的影響

國內(nèi)電弧爐鋼企一般沒有高爐與直還鐵生產(chǎn)設(shè)備，外購這些原料又面臨著巨大的成本壓力；針對于此，研究人員開發(fā)出電弧爐用鐵碳球團，其成分及性質(zhì)如表7所示；相較生鐵塊與鐵水，鐵碳球團含碳量更高，能夠更加有效地向熔池增碳并促進爐渣發(fā)泡，實現(xiàn)快速造渣，降低電弧爐鋼液氮含量；而在鐵碳球團的生產(chǎn)過程中進行了高溫烘干，大大降低了鐵碳球團中氮與其他有害元素的含量，對電弧爐生產(chǎn)低氮鋼十分有利。

表7 鐵碳球團成分及性質(zhì)

國內(nèi)部分鋼企在電弧爐出鋼及精煉過程加料粗放，大量浪費合金料與脫氧劑，同樣使得大量氮元素進入鋼水；建立智能化配料系統(tǒng)，通過對各種原輔料進行等級管理(見圖8)，按照鋼種的氮要求，選擇合適的原輔料種類并對電弧爐冶煉原輔料加入量進行精確計算，避免大量氮元素隨之進入鋼液，已成為當務(wù)之急。

圖8 原料管理及智能配料平臺

3.2 電弧爐泡沫渣優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的電弧爐泡沫渣技術(shù)包括爐門噴碳技術(shù)，渣面加焦技術(shù)等；但是，這些技術(shù)造渣速度慢，對鋼液攪拌效果差，碳粉利用率低，而且無法實現(xiàn)對造渣時機的精準控制，并不能很好地抑制電弧爐冶煉增氮現(xiàn)象。

北京科技大學(xué)開發(fā)的熔池內(nèi)碳粉噴吹技術(shù)[9]，如圖9所示，該技術(shù)將碳粉直接噴入鋼液內(nèi)部，避免了碳與爐內(nèi)高溫煙氣和熔渣的氧化反應(yīng)，顯著提高了碳粉利用率；同時，良好的熔池攪拌加速了碳粉在鋼液內(nèi)均勻彌散，提高了熔池滲碳效率，增強熔池內(nèi)的碳氧反應(yīng)，并實現(xiàn)快速造渣；從而可以有效實現(xiàn)鋼液中氮元素的脫除并防止爐內(nèi)氮氣通過電弧電離或溶解的方式進入鋼液中。

圖9 不同加入方式下碳利用率(碳加入量10 kg/t 鋼)

相關(guān)研究表明，采用大功率供電，令鋼水短時間內(nèi)快速升溫，可以有效減少電弧電離增氮的機會，但是如果泡沫渣造得不好 ,大功率供電時的高溫渣就會更易吸氮[10]；大功率供電操作必須配合電弧爐供氧快速造渣技術(shù)，北京科技大學(xué)對電弧爐不同時段的冶煉要求進行分析計算，確定不同時段的冶煉參數(shù)，開發(fā)出電弧爐冶煉模塊化控制技術(shù)(見圖10)，實現(xiàn)電弧爐煉鋼集成控制，使電弧爐供電供氧與造渣技術(shù)相匹配，成為實現(xiàn)電弧爐生產(chǎn)低氮鋼種的重要環(huán)節(jié)[11]。

圖10 電弧爐煉鋼集成控制方案

3.3 電弧爐底吹攪拌優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的電弧爐底吹技術(shù)采用氬氣作為底吹氣，脫氮效果差，針對于此，研究人員研發(fā)了電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹技術(shù)及系統(tǒng)(見圖11)；二氧化碳在高溫下具有弱氧化性，相較于傳統(tǒng)的氬氣底吹技術(shù)，CO2可與鋼液中的碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量彌散均勻的CO氣泡，擁有更強的攪拌及脫氮能力，同時有助于熔渣快速發(fā)泡，從而抑制鋼液的吸氮反應(yīng)，可以極大地降低終點鋼液氮含量[12]，如圖12所示為不同底吹介質(zhì)條件下鋼液氮含量變化。

圖11 電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹系統(tǒng)

圖12 不同底吹介質(zhì)條件下鋼液氮含量變化

4 結(jié) 論

(1)在電弧爐煉鋼流程中，氮主要通過三種方式進入鋼液中，即電弧電離空氣中的氮氣、氮氣溶解進入鋼液以及冶煉原料帶入鋼液；鋼液脫氮主要通過真空處理及氣泡上浮帶出的方式。

(2)在電弧爐煉鋼流程中，LF和連鑄工位只要采用合適工藝，可將增氮量分別控制在10 ×10-6和3×10-6以下；真空處理工位只要注意處理后防護，脫氮率可達到30%左右。

(3)一般全廢鋼電弧爐煉鋼流程，很難實現(xiàn)w(N)<45×10-6鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)；電弧爐煉鋼流程中的控氮潛力主要在電弧爐工位。

(4)采用電弧爐用鐵碳球團，建立智能化配料系統(tǒng)，推廣熔池內(nèi)碳粉噴吹技術(shù)與電弧爐CO2-Ar動態(tài)底吹技術(shù)及系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)電弧爐控氮，對電弧爐冶煉低氮鋼有重要意義。