120t_LF精炼过程钢水吸氮量控制_邓南阳.pdf

通信作者：孙波（），硕士，男，高级工程师；：；收稿日期：精炼过程钢水吸氮量控制邓南阳，孙波，解养国，王勇，孙涛，刘前芝（马鞍山钢铁股份有限公司 长材事业部，安徽 马鞍山 ；马鞍山钢铁股份有限公司 制造管理部，安徽 马鞍山 ）摘要：为了实现低氮钢种的稳定生产，基于氮溶解热力学和动力学理论，在结合某厂生产实践的基础上，分析了 精炼过程中电弧特性、渣层厚度、埋弧程度、吹氩流量以及原辅料含氮质量分数对钢水增氮的影响。通过采取回收连铸热态铸余钢渣、合理选择加热过程电极档位；精确控制氩气流量、减少钢水裸露；严格控制原辅料中氮质量分数、使用优质增碳剂替代普通增碳剂、优选转炉入炉废钢等措施，钢水增 氮 质 量 分 数 分 别 从 优 化 前 的 、降 低 至 、，精炼过程钢水总增氮质量分数由优化前 降低到 ，终点氮质量分数可控制在 以内。关键词：精炼；低氮；增氮；热力学；动力学中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，：；对于大多数钢种，氮作为有害元素存在于钢中，会显著降低钢的塑性、韧性和焊接功能。钢中氮含量高，会产生时效应变、时效沉淀硬化或时效脆性，造成钢的蓝脆、冷脆，影响钢的深加工性能，给钢水冶炼、钢材加工和产品服役的整个生命周期都将带来很大危害。随着客户对钢材性能提出越来越高的要求，最大限度地控制钢中氮含量已成为高纯净度钢生产的必要条件和钢铁工业技术发展的趋势。近年来，冶金工作者对 精炼过程中氮含量的控制已经做过相关实践和研究。刘彭等采取前期加调渣剂、电石提高渣流动性改善埋弧效果，送电过程调小底吹流量控制，增氮质量分数控制在 以内。孔为等通过 优 化 年月第 卷 第期炼钢 造渣成分和造渣分步控制，在保证钢水深脱硫效果的前提下，有效抑制了钢水增氮。苏利川等通过使用高氧化铝、低氮含量的人工合成渣替代铝灰，减少 造渣过程 增 氮 质 量 分 数 约 。朱学谨通过对 精炼埋弧、加热、吹氩、喂线、窄成分控制等工艺参数的优化，平均增 氮 质 量 分 数 由 优 化 前 的 降 至 。但上述研究均未涉及对 工艺参数优化的机理分析和精确计算，某厂在开发低氮洁净钢种时，存在 精炼过程增氮多、终点氮含量波动大、成品氮含量易超标等问题，终点（）合格率仅约为，限制了低氮钢种的开发。本文通过对氮溶解反应热力学和动力学分析，在结合该厂生产实践的基础上，提出回收连铸热态铸余钢渣，合理使用加热过程电极档位，精确控制氩气流量，减少钢水裸露，严格控制原辅料中氮含量等控制措施，为减少 精炼过程吸氮提供参考借鉴。钢中氮溶解行为分析 氮溶解热力学分析氮广泛存在于空气中，冶炼过程中极易以原子和化合物形式溶解于钢水，溶解反应式为：；（）（）（）（）式中：为标准吉布斯自由能，；、为常数；为钢水温度，；为反应平衡常数；为钢水中氮的活度；为钢水中氮的活度系数；（）为钢水中氮的质量分数，；为大气中氮的分压，；为一个标准大气压，；为吉布斯自由能，；为理想气体常数，（）。时，反 应平 衡 时，（）（）（），即可以写成 的形式（、为常数），平衡常数是温度的函数，不同研究者在标准大气压条件下，对其测定值存在一定差异，具体如表所示。但在不同研究中，钢水温度对氮溶解速率的影响具有相同趋势，氮的溶解随着温度升高而增大，当钢水温度降低凝固时，上述反应式不再适用。表钢水温度对氮溶解速率常数的影响 年份 表达式试验温度作者文献 ，对式（）两边取对数，并代入 等的研究成果 ，可以得到式（）。（）（）（）在低合金钢种成分范围内，根据 和 的研究，任意温度下的氮活度系数与 温度时的氮活度系数，的关系为：（），（）（）（）式中：为钢水中元素对氮的相互作用系数；（）为钢水中元素的质量分数，；时，钢水中常见元素对氮的相互作用系数 如表所示。表 时钢水中对氮的相互作用系数 将式（）带入式（）可以得到式（），由式（）可知氮在钢水中的溶解度热力学影响因素主要为氮气压第期邓南阳，等：精炼过程钢水吸氮量控制力、钢水温度和成分，代入某厂典型控氮钢种钢水成分（如表所示），可以得到不同钢水温度时钢中平衡氮含量和氮气压力之间的关系如图所示。（）（）（）（）（）表钢水化学成分（）从图可以看出，氮气压力一定时，钢水温度越高，钢中氮质量分数也越大。钢水温度一定时，钢水平衡氮质量分数随着空气中氮气压力增大而增加。钢水温度为 ，空气压力为一个标准大气压条件时，空气中氮气分压约为 ，与钢水平衡时的氮质量分数约为 ，远远大于钢水中实际氮质量分数，因此在冶炼过程中只要钢水与大气接触就易造成增氮。真空条件下，氮气压力为 时，理论上钢中平衡时的氮质量分数约为 。当钢种冶炼工艺确定时，氮在钢水中的溶解度主要与氮分压有关。图氮气分压对钢中平衡氮质量分数的影响 氮溶解动力学分析氮在钢水中的溶解主要是通过氮气向钢水表面吸附、氮气在气泡钢水界面上的解离化学反应和氮在钢水中扩散这个环节构成，由上述氮溶解热力学分析可知，氮向钢水吸附过程很快，不会成为限制性环节，根据文献 介绍，氮在界面解离和氮原子在钢水中扩散共同成为氮溶解反应的限制性环节，钢水中表面活性物质氧和硫对氮的溶解度会产生影响：（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为时刻钢水中的氮质量分数，；为氮溶解反应的传质系数，（）；为气液界面化学反应面积，；为钢水体积，；（）为氮分压平衡时的钢水中氮质量分数，；为未受氧和硫影响的氮传质系数，（）；为氮的活度系数；、为氧和硫的吸附系数，其中 ，；、为钢水中氧和硫的活度；、为钢水中氧和硫的活度系数；（）、（）为钢水中钢中氧和硫的质量分数。时，代入氧和硫的相互作用系数，根据式（）可以作出氮在钢水中溶解反应传质系数和钢中氧、硫质量分数之间的关系如图所示。图反应速率常数和氧、硫质量分数的关系 从图中可以看出，表面活性物质氧和硫对氮溶解反应的传质系数有显著影响。氧、硫质量分数较高，对氮在气泡表面的吸附和解离有显著 炼钢第 卷的阻碍作用，氮传质系数较低，正常大气压氮的溶解和真空条件下氮的去除都较少。随着钢液中氧、硫质量分数的降低，氧和硫起到的阻碍作用逐渐减小，氮传质系数逐渐增大，常压条件下氮更易溶解，高真空条件时氮也更易脱除。精炼氮的控制由上述氮在钢水中的溶解热力学分析可知，炼钢生产中钢中的氮质量分数远未达到平衡，钢水增氮趋势很大，且 精炼过程中，随着钢水中的氧、硫含量逐渐降低，氮传质系数逐渐增大，钢水增氮动力学分析得到改善，在精炼过程要尽量避免与空气接触，减少增氮量。精炼过程增氮的主要因素有电弧电离增氮、钢水裸露增氮和合金辅料增氮。电弧增氮的控制 通电加热时，电弧作用区域的钢液温度可升高至 左右，电弧会电离空气中的氮气，将氮气分子分解成氮原子，氮原子需要通过熔渣层进入钢水中，而 渣系氮容量很低为 ，可以有效阻碍氮在气相和钢水间的传质，成为限制性环节，对钢水增氮起到保护作用。但是 通电时，电弧会向下推动钢水形成凹坑，埋弧不佳、弧光泄露时，会影响电弧传热效率，造成钢水增氮。加热时电极档位的电弧特性、渣层厚度及埋弧程度是影响电弧传热效率和钢水增氮的重要因素。由交流电路定律，可以得到：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为电弧电压，；为相电压，；为电弧电流，；为电抗器、短网的电抗之和，；为短网的电阻，；为电弧功率，；为有功功率，；为电效率，；为电弧弧长，。当钢水下推深度和渣层厚度达到电弧长度的两倍时，基本可做到埋弧操作。根据该厂各电极档位运行过程中采集的数据，经过计算可以得到不同档位弧长和对应的理想渣层厚度如图所示，从图中可以看出随着电极档位功率的增大，各档位弧长和埋弧需要的渣层厚度也随之增加。图不同档位弧长和理想渣层厚度 为了实现在较短时间内升温、化渣，达到快速造渣埋弧的目的，某厂一般选择高功率档位进行升温，但由于前期渣层厚度不足，埋弧不佳，通电时噪音大、电极晃动、弧光泄露严重，造成钢水增氮量偏多。根据 实际渣层厚度，电弧传热效率可由式（）、式（）计算，可以得到不同档位的电弧传热效率如图所示。当 ，（）（）当 ，（）（）（）式中：为渣层厚度，；为电弧下推钢水深度，其中 ，；为电弧电流，；为电弧传热效率，；为阳极区的电压降，；为阴极区的电压降，；、为经验系数，一般为 ，取 ，一般为 ，取 。从图可以看出，电极档位确定时，电弧传热效率取决于埋弧程度，能否满足埋弧条件主要受渣层厚度影响，渣层厚度较小，无法满足埋弧条件时，档位功率越小，弧长越短，电弧传热效率越大；渣层厚度增大时，满足埋弧的条件下，档位功率越大，电弧传热效率也越大，否则，电弧传热效率会随着档位功率增大而减小。前期，由于渣层厚第期邓南阳，等：精炼过程钢水吸氮量控制度小于 ，厚度较低，埋弧不良，应选择低功率的档位 档进行升温、化渣；精炼中期渣厚在 ，已初步成渣，具有一定厚度，供电档位可以选择较高功率档；精炼后期渣厚在 ，已造好精炼渣，埋弧良好，温度成分已均匀，应选择高功率档。为了解决快速埋弧造渣需求，该厂通过循环回收连铸热态铸余钢渣的方法来增加 进站渣层 厚 度，生 产 实 践 中 筛 选 出 进 站 温 度 、渣厚在 左右的炉次进行对比试验，回渣炉次使用 档起弧化渣 后，调节成档的加热，未回渣炉次按全程档加热方式进行生产，并对加热过程增氮量进行取样分析，结果如图所示。图不同电极档位电弧传热效率 图回收热态铸余钢渣对加热过程电弧增氮的影响 从图可以看出，加热过程的电弧增氮量随着加热时间的延长而增多，未回渣炉次平均加热时间为 ，加热过程增氮质量分数为 ；回渣炉次回收铸余量为 ，随着回渣量增多，在增加渣量的同时也充分利用了其残余热量，渣层厚度随之增加，精炼过程仅需加入少量石灰、铝粒等部分造渣材料，就可以起到很好的埋弧效果，可以使用较高功率档位加热，电弧效率也随之增加，可以减少加热时间和加热过程增 氮 质 量 分 数，回 渣 炉 次 平 均 回 渣 量 为 ，加热时间平均为 ，增氮质量分数为 。回收热态铸余渣，在缩短了钢水升温时间，节约电能的同时，还可以提高钢水脱氧、脱硫效果，精炼渣脱硫能力可以用渣钢间硫分配比、硫容量来表征和计算。（）（）（）（）（）（）（）和 归 纳 了 、等组成的渣系，得到了 条件下硫容量和光学碱度的关系，并推导得到了硫容量与炉渣成分、温度之间的关系。（）式中：、为渣钢平衡时钢水中氧和硫的活度；（）为渣中硫的质量分数，；为钢中硫的质量分数，；（）（）（）（）；（）（）（）（）；为炉渣温度，。铸余回渣量越多，（）较小的铸余钢渣会“稀释”精炼渣，渣中（）会降低越多，通过控制回渣量及补加石灰、铝粒等渣料用量，可将精 炼钢第 卷炼渣碱度（）（）和钙铝比（）（）控制在精炼效果较好的范围内。由式（）（），随着渣中（）升高、（）降低和炉渣温度升高，渣钢间的硫容量会增大，渣 钢 间也 会 随 之 上 升，由 于 回 渣 前 后（）变化不大，对渣钢间和影响较小。热态铸余回渣量对精炼脱氧、脱硫的影响如图所示，实际生产中铸余回渣量越多，精炼终点渣钢间实际越大、钢水中的活度氧位越低，具有较好的脱氧、脱硫效果，石灰、预熔渣和铝粒等造渣料用量也相应减少。但是，铸余回渣量越多，带入顶渣中的 总量会越多，与钢水中铝反应造成增硅也就越多，因此，对于控硅钢种需要适当控制铸余回渣量。图热态铸余回渣量对精炼脱氧、脱硫的影响 吹氩增氮的控制 精炼过程中，加热、造渣脱硫、均匀钢水成分和温度、软吹去夹杂等都需要吹氩搅拌，熔池搅拌沸腾时，氮的传质系数比不沸腾时增大倍，造渣脱硫过程随着钢水中溶解氧、硫等表面活性物质含量越低，传质系数不断增大，氮溶解动力学条件得到改善，为了减少钢水增氮，应尽量避免钢水裸露。钢水裸露直径主要是由氩气流量决定的，文献 中建立的模型给出了钢水裸露面积与氩气流量、渣层厚度等之间的关系。.（）.（）.（）.（）.（）式中：为钢水裸露面积，；为钢水高度，；为重力加速度，；为氩气流量，；、分别为钢渣和钢液的密度，；为渣层厚度，。根据式（）可以做出钢水裸露直径和氩气流量之间的关系如图所示，从图中可以看出，钢水裸露直径随着氩气流量的增加而增加，且氩气流量较小时，钢水裸露直径增加趋势较大，随着氩气流量逐渐增加，趋势也逐渐减缓。该厂 终渣厚度为 ，钢水裸露直径为 左右时，氩气流量约为 。精炼中后期为了控制钢水不裸露或裸露直径尽量小，减少钢水增氮，需要精确控制氩气流量。图钢水裸露直径与氩气流量的关系 精炼吹氩过程中钢水气泡流股中的气泡上升速度 为：（）（）（）（）（）式中：为吹氩流量，；为钢水紊流速度，；为钢包内半径，；为钢水深度，；为钢水气泡流股中气泡体积百分率，取；为重力加速度，。由式（）、（）可以计算不同吹氩流量时的。精炼过程中，钢渣界面的传质过程在某一临界搅拌能时会突然增强（即钢渣卷混时），传质系数也随之大幅增加，氩气搅拌能可以用式（）表示，工况条件确定时，氩气搅拌能主要取决吹氩 流 量。当 吹 氩 流 量 达 到 卷 混 条 件 时，钢渣界面会发生卷渣现象。（）（）第期邓南阳，等：精炼过程钢水吸氮量控制 （）.（）式中：为理想气体常数，（）；为钢水温度，；为吹氩流量，；为钢水质量，；为标准状态下气体摩尔体积，；为钢水密度，；为重力加速度，；为熔池表面压力，；为临界韦伯准数；为钢液发生卷渣时的水平流速，；为钢渣界面张力，；为熔渣密度，。由式（）（），当时，可以得出该厂 钢包钢渣界面发生卷混时的 吹 氩 流 量为 ，为 。文献 中给出了搅拌功对传质系数的影响如图 所示，计算结果基本与其一致。钢渣界面是否发生卷混对传质系数影响很大，精炼过程吹氩控制好坏对钢水增氮质量分数会影响显著，图 为不同氩气流量对钢水增氮质量分数的影响。图氩气流量对渣钢间传质系数和钢水增氮质量分数的影响 该厂通过安装高温摄像头对炉内渣面进行实时监控，实现对各阶段氩气流量进行精确控制。精炼前中期，渣钢间需要强烈混合，为了促进渣钢间的物质交换和合金熔化，快速脱氧、脱硫、成白渣，氩气流量控制在 。精炼后期，钢水温度、成分、白渣基本到位，此时，钢水中氧、硫质量分数比较低，氩气流量要适当减小，控制在 ，以渣面微微波动，钢水不裸露为原则，具体如表所示。精确控制吹氩流量后，钢水裸露造成增氮质量分数由 降低至 。原辅料增氮的控制除了电弧增氮和吹氩增氮外，原辅料中的氮质量分数也不应忽视，特别是在充分脱氧后，合金中的氮大部分会进入钢水，因此需要严格控制原辅料含氮质量分数，避免造成钢水增氮严重。该厂部分合金辅料的氮质量分数如表所示。表 精炼过程中不同冶金功能对应的吹氩流量控制 工艺过程吹氩流量控制范围（）钢液裸露直径加热升温 造渣、脱硫及钢渣反应 加合金、温度成分混匀 软吹弱搅拌、去夹杂 钢液不裸露表合金辅料的氮质量分数 低碳钛铁低碳锰铁高碳锰铁高碳铬铁普通增碳剂优质增碳剂冶金石灰预熔渣 从表可以看出，钛铁、锰铁、铬铁等常用合金中含氮质量分数较少，对钢水增氮影响不大。冶金石灰、预熔精炼渣等 主要造渣料氮质量分数也很少，且主要作用在渣面上，不与钢水直接反应，也不会造成钢水增氮。试验钢种碳含量较高，增碳剂加入量较大，由于普通增碳剂中含氮质 炼钢第 卷量分数高达 ，钢水增碳的同时不可避免造成增氮。生产低氮钢种时，该厂通过引进含氮质量分数为 的优质增碳剂替代普通增碳剂，钢水增氮质量分数可从 降低至 。此外，由于铌、钒、钛等元素与氮元素的亲和力较强，为了减少这些元素的固氮效应，除了作为合金元素及钢种性能要求外，应通过转炉优选入炉废钢来尽量降低其在钢水中的含量。精炼控氮效果该厂通过采取回收连铸热态铸余增加 进站渣层厚度，并合理使用加热过程电极档位；安装高温摄像头实时监控炉内亮面，精确控制吹氩流量，减少钢水裸露；严格控制原辅料中氮质量分数，使用优质增碳剂替代普通增碳剂，优选转炉入炉废钢等措施，钢水增氮质量分数由优化前 降低到 ，钢水增氮质量分数减少 ，终点和成品氮质量分数可分别控制在 和 以内。结论）根据氮溶解热力学和动力学分析，常压下精 炼 钢 水 中 氮 质 量 分 数 远 未 达 到 平 衡 值 ，增氮趋势很大，精炼过程钢水增氮很难避免。）回收热态铸余钢渣和合理控制电极档位，可以提高 渣层厚度、埋弧效果和电弧传热效率，钢水增氮质量分数从优化前的 降低至 。）安装高温摄像头实时监控炉内亮面，精确控制吹氩流量，减少钢水裸露，钢水增氮质量分数从优化前的 降低至 。）严格控制原辅料含氮质量分数，优选转炉入炉废钢，使用优质增碳剂替代普通增碳剂，钢水增氮 质 量 分 数 从 优 化 前 的 降 低 至 。精炼过程钢水总增氮质量分数减少 ，精炼终点氮质量分数可控制在 以内。参 考 文 献刘彭，隋亚飞，徐刚军，等低铁水比下钢水中氮的控制钢铁，（）：孔为，宗燕兵，苍大强 深脱硫过程中的钢液增碳增氮的控制研究中国铸造装备与技术，（）：苏利川，李朋欢，吴辉强，等 精炼过程钢液氮含量控制炼钢，（）：朱学谨 炉冶炼低硅钢氮含量控制实践四川冶金，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，：陈家祥炼钢常用图表数据手册北京：冶金工业出版社，：王佳喜，战东平，刘新，等 电弧炉中浸入式吹氮过程钢液吸氮行为研究 材料与冶金学报，（）：，（）：孙波，张良明，吴耀光，等薄板坯连铸 钢硅质量分数控制钢铁，（）：，李巧琦，吴华杰，王喆脱氮性熔渣的研究进展铸造技术，（）：胡井涛，魏军，刘善喜，等降低 精炼电耗研究钢铁，（）：曹贺 精炼过程钢液成分与温度控制模型的开发与应用沈阳：东北大学，：解养国，吴耀光，胡玉畅，等 炉热态钢渣循环利用技术的应用 中国冶金，（）：，（）：，（）：，：，（）：郑万，屠浩，李光强，等 钢包底吹氩卷渣和钢液裸露的模拟过程工程学报，（）：沈昶，潘远望，张晓峰马钢超低硫钢的生产工艺研究钢铁，（）：第期邓南阳，等：精炼过程钢水吸氮量控制