LF精煉吹氮合金化工藝研究

崔家冀，陸 強(qiáng)

(馬鋼集團(tuán)公司管理創(chuàng)新部 安徽馬鞍山 243000)

鋼中氮含量高會(huì)使鋼材產(chǎn)生應(yīng)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(duì)鋼中的碳氮化物的析出起到重要作用，同時(shí)隨著鋼水氮含量提高，可以有效提高釩元素的沉淀強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度[2]。目前對(duì)鋼水增氮主要是在冶煉過(guò)程中向鋼中加入含氮合金，氮的收得率較穩(wěn)定，工藝操作過(guò)程容易控制，但與直接吹氮?dú)庵苯舆M(jìn)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(jià)的氮?dú)庾鳛楹辖鸹?，直接利用鋼包底吹氮?dú)庵苯雍辖鸹?，可以較好的降低含氮鋼的生產(chǎn)成本，是目前含氮鋼生產(chǎn)中重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)。本文對(duì)某廠在生產(chǎn)含鉻的釩微合金鋼LF精煉過(guò)程中底吹氮?dú)庵苯拥辖鸹脑龅俾蔬M(jìn)行了研究，為L(zhǎng)F精煉工序底吹氮?dú)庠龅墓に囍贫ㄌ峁┝藬?shù)據(jù)支撐。

1 增氮過(guò)程的分析和討論

1.1 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件

試驗(yàn)鋼種為含鉻的釩微合金鋼，鋼中幾個(gè)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(biāo)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(guò)程主要操作流程為：進(jìn)站、試氣(底吹氮?dú)?→第一次加熱、化渣→第二次加熱、造白渣、脫氧脫硫、成分調(diào)整→第三次加熱、成分和溫度微調(diào)→出站，整個(gè)LF爐精煉周期為40 min左右。LF底吹強(qiáng)度分別為：弱攪(500 NL/min-800 NL/min)、中攪(900 NL/min-1300 NL/min)、強(qiáng)攪(1500 NL/min-2000 NL/min)。

1.2 增氮工藝熱力學(xué)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(tài)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(guò)程中的相關(guān)熱力學(xué)計(jì)算式如下[3]：

(1)

由公式(1)推導(dǎo)出氮的溶解平衡方程：

(3)

(4)

表1 1600 ℃下各元素對(duì)氮的相互作用系數(shù)

由式(1-1)～式(1-4)可計(jì)算出試驗(yàn)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(yàn)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(shí)鋼包中氣液界面的氮?dú)夥謮嚎蛇_(dá)到100 kPa。因此結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)算可得：1、在LF工序?qū)δ繕?biāo)氮含量為300 ppm-400 ppm的釩微合金鋼進(jìn)行底吹氮?dú)庵苯拥辖鸹强尚械模?、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(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果可知[4-6]，底吹氮?dú)膺^(guò)程中氮的流向主要由鋼水中的氮?jiǎng)莺蜌庀嘀械獎(jiǎng)菟鶝Q定。鋼水在LF精煉過(guò)程中，鋼液的增氮和脫氮是同時(shí)發(fā)生的，其速率主要受液相傳質(zhì)和界面反應(yīng)混合控制。在高氧位和高硫位條件下，化學(xué)反應(yīng)速率主要受界面反應(yīng)控制；當(dāng)在高真空、低氧位、低硫位條件下，化學(xué)反應(yīng)主要受液相傳質(zhì)控制。結(jié)合脫氮和增氮反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，以及轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼中氮含量一般為不超過(guò)100 ppm，因此可推斷出在LF爐精煉過(guò)程中，底吹氮情況下，氮?dú)夥謮航咏?00 kPa，此時(shí)鋼水中發(fā)生增氮反應(yīng)。鋼水在吹氬站經(jīng)過(guò)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(gè)LF精煉過(guò)程中，增氮速率會(huì)隨著脫氧和脫硫過(guò)程發(fā)生變化。

2 增氮速率的取樣分析

為研究整個(gè)LF精煉過(guò)程中鋼水的增氮速率含量隨著脫氧和脫硫過(guò)程發(fā)生變化的規(guī)律，確定合適的增氮工藝，進(jìn)行了5爐底吹氮?dú)庠龅囼?yàn)，并在LF冶煉過(guò)程中，分別于進(jìn)站，第一次加熱結(jié)束、第二次加熱結(jié)束、第三次加熱結(jié)束、出站時(shí)取氧氮樣和乒乓球拍樣，并用LECO公司的TC-600氧氮測(cè)定儀進(jìn)行鋼中[O]、[N]的檢驗(yàn)，用光譜儀檢測(cè)鋼水中的[S]含量。檢測(cè)結(jié)果如表2至表4和圖1所示，其中圖1中各個(gè)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)為五爐檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

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

表2 增氮過(guò)程鋼水[N]含量檢查分析

表3 增氮過(guò)程鋼水[O]含量檢查分析

表4 增氮過(guò)程鋼水[S]含量檢查分析

圖1 增氮過(guò)程鋼中[N]、[O]、[S]含量變化曲線

從取樣檢測(cè)結(jié)果可以看出整個(gè)LF過(guò)程中增氮速率的變化。從進(jìn)站至第一次加熱結(jié)束過(guò)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(zhì)會(huì)對(duì)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(yīng)速率主要受界面反應(yīng)控制，由檢測(cè)結(jié)果大致可計(jì)算出此過(guò)程的增氮速率為2.88 ppm/min；在進(jìn)入第二次加熱過(guò)程中時(shí)，隨著白渣的形成，鋼水的[S]含量快速下降，鋼中[O]含量也進(jìn)一步減少，此過(guò)程中鋼水的增氮速率增加，增氮反應(yīng)速率從由界面反應(yīng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭軅髻|(zhì)控制，按檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，此時(shí)的增氮速率為7.04 ppm/min。在第三次加熱過(guò)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(gè)增氮過(guò)程應(yīng)該主要受氮在液相邊界層中的傳質(zhì)影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得此時(shí)鋼水的增氮速率為9.40 ppm/min。

3 結(jié)論

通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算了試驗(yàn)鋼種在3種不同壓力條件下的當(dāng)溶解度，由結(jié)果可以得出該含鉻釩微合金鋼可以在LF爐精煉過(guò)程中采用底吹氮?dú)庵苯舆M(jìn)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(gè)LF精煉過(guò)程中，增氮速率會(huì)隨著脫氧和脫硫過(guò)程發(fā)生變化，在鋼水中[O]含量為25 ppm、[S]含量為240 ppm左右時(shí)，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(shí)，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(guò)程前期盡量早化渣、造白渣進(jìn)行脫硫和脫硫反應(yīng)，可以有效提高并穩(wěn)定鋼水增氮速率，縮短增氮時(shí)間，降低成本，精確控制鋼水增氮量。