LF精煉控氮工藝研究

劉鵬舉，李肖德

（河鋼唐鋼新區(qū)，河北 唐山 063000）

河鋼唐鋼新區(qū)投產(chǎn)以來，N含量長期偏高，嚴(yán)重影響了鑄坯質(zhì)量。目前，普遍認(rèn)為LF增氮的原因是電弧區(qū)增氮、鋼液與大氣接觸，原材料中的氮。針對(duì)熱軋事業(yè)部精煉車間鋼包增氮嚴(yán)重的情況，通過對(duì)LF工序SPHC鋼種的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究，制定出不同的對(duì)比方案，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析，制定規(guī)范操作，取得了良好的控氮結(jié)果。

1 N在鋼中的危害

除了在少量鋼種中，N能提高鋼的強(qiáng)度，塑性、耐磨性和改善鋼的焊接性能外，N在大部分鋼水中作為雜質(zhì)元素存在。

氮的存在會(huì)降低了鋼的韌性和塑性，引起鋼的時(shí)效硬化，即鋼的強(qiáng)度、硬度隨時(shí)間的推移而增大，而塑性則有所下降。

氮的存在會(huì)造成鋼的藍(lán)脆、冷脆。即淬火鋼在250℃～400℃回火后，塑韌性下降，鋼呈現(xiàn)為藍(lán)色。

氮和氫綜合作用，促使鎮(zhèn)靜鋼錠產(chǎn)生中心疏松或形成顯微孔隙，產(chǎn)生發(fā)紋和和皮下氣泡，影響鋼的焊接性能、熱加工性能、深沖性能，甚至造成鑄坯開裂及引起晶間腐蝕所以，現(xiàn)在大多高等級(jí)鋼種對(duì)鋼中的氮含量有嚴(yán)格的要求[1]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在300t鋼包精煉LF爐內(nèi)進(jìn)行，鋼水裝入量在250t左右。由于影響LF工序增氮的因素較多，故設(shè)計(jì)了不同的實(shí)驗(yàn)方案，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在同一班組，由同一精煉工進(jìn)行冶煉，除了設(shè)計(jì)方案的不同外，其他因素保持一致。實(shí)驗(yàn)分三個(gè)階段進(jìn)行，及在前一個(gè)方案成立后進(jìn)行下一個(gè)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下表1～表3所示。

表1 不同的造渣方案設(shè)計(jì)

表2 不同的給電方案設(shè)計(jì)

表3 不同的吹氬方案設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

所有實(shí)驗(yàn)方案的鋼種都是SPHC，每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行多個(gè)爐次進(jìn)行，從中選取除控制因素不同外，其他因素都相同的4個(gè)爐次進(jìn)行分析[2]。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

表4 不同的造渣方案增氮量

表5 不同的給電方案增氮量

表6 不同的吹氬方案增氮量

3.2 結(jié)果分析與討論

3.2.1 不同的造渣方案對(duì)增氮量的影響

圖1 不同的造渣方案對(duì)增氮量的影響

對(duì)比方案1、方案3、方案5，對(duì)于回澆余爐次，造渣料超過1200KG后，對(duì)增氮無明顯影響。

對(duì)比方案2、方案4、方案6，對(duì)于無澆余回收爐次，隨著造渣料增加，增氮量逐漸減小。

對(duì)比方案1和方案2、方案3和方案4、方案5和方案6，回澆余爐次增氮量明顯小于不回澆余爐次。

3.2.2 不同的給電方案增氮量的影響

圖2 不同的給電方案增氮量的影響

當(dāng)化渣后，電壓和電流較大時(shí)，增加電壓和電流對(duì)增氮量無影響。當(dāng)電壓檔位超過5之后，增加電壓和電流，增氮量明顯增加。

3.2.3 不同的吹氬方案增氮量的影響

圖3 不同的吹氬方案增氮量的影響

當(dāng)靜吹氬氣小于150NL/min時(shí)，流量大小對(duì)增氮無影響。當(dāng)流量到達(dá)2000NL/min時(shí)，增當(dāng)量有1×10-6增加到2×10-6。

3.3 結(jié)果討論

為了保障LF良好的脫氧脫硫效果，LF精煉整個(gè)冶煉過程在微正壓情況下進(jìn)行操作，但無法避免從鋼包與爐蓋接觸部位，觀察孔部位等吸入空氣。特別是后期，鋼液面裸漏就有可能增氮。而造渣料的多少影響著渣層的厚度，對(duì)著整個(gè)冶煉過程埋弧效果、避免鋼液裸漏起著決定性作用。隨著造渣料的增加，渣層加厚，增強(qiáng)了給電埋弧效果和避免鋼液與空氣接觸，故可以降低鋼液的增氮量。

氮?dú)庠阡撘褐械娜芙夥磻?yīng)為：

氮溶解反應(yīng)常數(shù)與溫度的關(guān)系為：

式中，a，b為兩個(gè)常數(shù)。

當(dāng)溫度升高時(shí)，K值增大，鋼液中氮的溶解度亦增加，故電極區(qū)增氮嚴(yán)重。

化渣后，高電壓檔位和高電流檔位（即小電壓，小電流）會(huì)導(dǎo)致鋼液增氮加劇。由于LF處于非完全封閉的狀態(tài)，加熱過程中，氣氛中的氮?dú)鈺?huì)有部分被電離，在電弧的作用下，容易被鋼水吸收，造成鋼液吸氮。高功率給電，減少給電時(shí)間，降低電弧電離增氮的機(jī)會(huì)。低功率加熱，導(dǎo)致給電時(shí)長增加，增大了鋼液吸氮的幾率。在滿足埋弧條件下，應(yīng)盡量加大給電時(shí)的電壓和電流，避免長時(shí)間給電。

對(duì)于脫氧完全并鈣處理后的鋼水，在氬氣流量小于150NL/min時(shí)，由于鋼渣的覆蓋作用，吹氬時(shí)無鋼水裸漏，故基本上無增氮現(xiàn)象。但氬氣大于2000NL/min時(shí)，由于攪拌作用加大，導(dǎo)致偶爾有鋼水裸漏，會(huì)造成鋼液吸氮。

4 結(jié)論

（1）造渣料的多少與增氮量的大小有比較密切的關(guān)系，對(duì)精煉工序?qū)Φ科饹Q定性作用。精煉采用澆余回收機(jī)制，可以明顯降低鋼種氮的增加量。無澆余爐次，隨著造渣物料加入量的增加，增氮量減少。

（2）化渣后，小電壓，小電流會(huì)導(dǎo)致鋼液增氮加劇。在滿足埋弧條件下，應(yīng)盡量增加給電時(shí)的電壓和電流檔位。

（3）靜吹時(shí)，氬氣流量較小時(shí)，小范圍增加氬氣流量，對(duì)氮含量無影響。