RH精炼过程钢水增氮控制技术研究.pdf

总第2 1 1 期2023年第8 期技术应用摘要：在RH精炼过程中，钢水中的碳和氧含量、真空度、浸渍管内耐火材料布局对钢液增氮有显著影响，基于此,具体分析各影响因素对钢液中氮含量的影响机理,针对性地提出RH增氮控制措施和设备优化方案，使得RH工序能够稳定有效地控制增氮。经实践表明,采取相关措施后,RH最低增wN可控制在3 1 0-6,RH增wN小于810-6的炉次占比可达9 0%以上。关键词：RH；增氮；浸渍管；真空度；优化措施中图分类号：TF703.50引言对于大多数钢种来说，氮是有害元素，氮含量对钢的机械性能影响较大,尤其对用于深冲条件下的低碳钢来说，氮元素的存在所产生的不利影响特别明显，主要是通过淬火时效和应变时效造成的1 。为了生产IF钢等高洁净度产品，前提条件是必须降低产品中的氮含量,这是一项基础工作,因为氮含量直接影响冷轧薄板的性能2-3 。为降低钢水中的氮含量,除了控制转炉TSC温度、炉渣流动性和转炉终点氧含量外,还需要对 RH工序进行研究4-6 。因此,对RH工序增氮因素的分析和对真空槽设备的优化是生产高洁净度钢种的重要工作。1RH真空处理过程中钢水氮含量控制1.1钢水脱氮热力学分析根据sieverts定律可知，氮在熔体的吸收与反应平衡的公式为：1/2N2=N.1ogK=1g(100wN/P|=-518/-1.0 63.Po式中：K为溶解反应平衡常数;wN为钢液中氮的质量分数，%;Pn,为真空条件下的氮气分压，Pa;p。为标准大气压力；T为温度，K。由式(2)可知,钢中氮的溶解度随着温度的升高而增大，温度越低越利于脱氮；同时环境中的氮气分压越低越有利于脱氮。1.2钢水中表面活性元素对氮含量的影响山西冶金ShanxiMetallurgyRH精炼过程钢水增氮控制技术研究张伟龙，周敏达，黄财德，郭小龙（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山0 6 3 2 0 0）文献标识码：A计分析,对比结果如图1 所示。由图1 可知,在不脱氧的情况下，钢液氮含量基本不变，说明钢液不发生吸氮；而脱氧情况下，随着时间的延长，钢液中氮含量迅速增加，说明钢液吸氮明显。45F44434241393837E0图1 在脱氧和不脱氧情况下钢液吸氮情况对比1.3钅钢水中碳含量对氮含量的影响实验研究及实际生产情况表明，在RH脱碳过程同时会发生脱氮现象,这是因为碳氧反应生成CO气(1)泡，对于氮来说，CO气泡是一个小真空室，氮会进人CO气泡内，在钢水循环过程中,CO携带着氮逸出钢（2)液而达到脱氮的目的。通过对RH精炼过程中氮的行为进行研究，得出RH处理过程中钢液中碳含量与氮含量的关系,如图2 所示。由图2 表明，钢液中氮含量与碳含量变化具有一致性，RH精炼初期采取吹氧强制脱碳使得碳氧反应剧烈,产生的CO较多,带走的氮也较多，使得钢中氮含量急剧下降。4035Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.074文章编号：1 6 7 2-1 1 52(2 0 2 3)0 8-0 1 8 8-0 25护次脱氧不脱氧1015时间/min2025钢水中表面活性元素（主要为氧)能明显降低钢液脱氮速率7-9 。这是因为氧是表面活性元素,随着氧含量的增加，氧就占据了钢水表面的空位，原本这些空位可供氮原子使用来形成氮分子而从钢水中脱除，但高氧含量阻碍了氮分子的形成,不利于脱氮。在钢液脱氧和不脱氧两种情况下，对钢液吸氮情况进行统收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6第一作者简介：张伟龙（1 9 8 8 一），男，黑龙江牡丹江人，毕业于东北大学冶金工程专业，工程师，先就职于首钢京唐钢铁有限责任公炼钢作业部。炉次2520L0.00图2 钢液中碳含量与氮含量的关系0.010.02wICl/%0.030.040.052023年第8 期1.4真空度对氮含量的影响真空度是RH精炼过程影响脱氮速率的关键因素。在氮含量相同的条件下,RH处理初期脱氮速度随着真空度的下降而增大，直到达到该真空度下氮含量的平衡值时，脱氮停滞。傅杰等人1 0 在实验室条件下得出了真空度对脱氮的影响,如图3 所示。结果表明，在相同的真空度下，钢液的初始氮含量影响钢液最终的氮含量，在真空度为6 7 Pa下,当初始w(N)为48 10-时,在3 0 min内钢液w(N)达到2 0 1 0-的水平。6050(9-01X)NIo4030F200图3 真空度对钢液脱氮的影响2RH处理过程中氮含量的控制措施通过以上研究，针对RH处理过程氮含量控制提出了相关措施：加强真空系统密封，防止漏气吸氮；加快抽真空速度，提高真空度，促进脱氮；加强氩气搅拌,增大钢液与气相的接触面积,改善钢液脱氮动力学条件,加速脱氮反应的进行；针对容易与氮生成氮化物的元素（如Nb、T i),在脱碳脱气完成时加入，当钢液中O、S 含量较低时，防止钢液面裸露；适当延长高真空度下循环时间，确保脱氮；钢水处理完后向钢包加无碳覆盖剂，防止钢液吸氮。3真空槽设备的优化在RH设备中,浸渍管是钢水的通道,由于高温钢水的冲刷、侵蚀、温度变化、热震性破坏和砌筑结构上的特性导致浸渍管损毁，严重时造成穿钢事故，同时造成钢水增氮，影响钢水质量。3.1浸渍管内耐火砖上浮的机理研究对钢液在RH处理过程中的流动行为进行数值模拟分析,结果表明钢液在RH真空精炼过程中的流动速度云图和速度矢量图如图4所示。1.00e+009.00e-019.50e-018.50-018.00e-017.50e-017.0De-016.50e-016.00e-015.50e-015.0De-014.50e-013.5De-014.0De-013.00e-012.50e-012.00-011.50e-011.0-015.00e-02子0.00-004-1、相对速度图4钢液在RH真空精炼过程中的流动速度云图和速度矢量图张伟龙，等：RH精炼过程钢水增氮控制技术研究重侵蚀状况相一致。3.2浸渍管内砖优化设计及布局优化引进了一种新型RH浸渍管砖，通过对浸渍管砖的改进优化，达到交叉砌筑的目的，在浸渍管上环砖和中环砖增加凹槽,缓解浸渍管上环砖在进行真空精2000Pa炼过程中由于受钢流上升力的影响而造成的砖上浮，避免上浮后环砖之间产生缝隙而造成的真空槽异常110Pa67Pa10189.由图4可以看出，钢液在上升管受提升气体驱动向上运动，并在真空室内贴近壁面处形成尖峰，上升管内侧存在气液两相区,而在速度矢量图中的相应位置则形成了旋涡，旋涡会对耐材形成强烈的侵蚀，这与之前所发现的真空室下部槽上升管侧壁面处的严下线及穿钢事故。此种设计不仅节约了耐火材料的成本,还保证了炼钢厂的整体生产节奏的稳定性及高端产品的冶炼顺行。3.3浸渍管维护优化2030时间/min3.05+012.75e+012.902+012.6De+012.44G+012.29e+012.14e+D11.99e+011.83e+011.68e+011.53e+011.37e+011.22e+011.07e+019.16e+007.63e+006.11e+004.58e+001.53e+003.05起+0 00.00e+004-2速度矢量(m/s)40对浸渍管焊接管理和日常维护流程两个方面进行了优化：提升了连接处焊缝的质量，减少了由于焊缝质量产生漏气而引发的增氮现象；确认维护前浸渍管状态，优化喷补流程，提高维护质量，延长浸渍管使用寿命，加强浸渍管的性能，减少因浸渍管状态不佳造成的增氮现象。4结论通过对RH处理过程钢液增氮因素进行研究，以及对真空槽设备进行优化改造，使得RH增氮情况有较大的改进：1)RH平均增wN最低可达到3.0 1 0 ;2)RH增wN)小于8 1 0-6 的炉次占比可达9 0%以上；3)降低了由于钢水增氮较多导致氮含量超标事故发生率：原来每月由于RH增氮较多导致氮超标的事故远大于2 起，目前这种事故发生量控制在2 起/月。参考文献1许志鸿，杨宝，李启军，等.Q235 钢中氮含量的控制J河北冶金,2 0 0 9(4):2 6-2 7.2高海潮.钢中氢、氮、氧的来源及其控制对策J.炼钢，2 0 0 0（2)：38-43.3王金永,刘建华,刘建飞，等.Ti-IF钢凝固过程中TiN的析出机理和规律J.北京科技大学学报，2 0 1 4,3 6（8)：1 0 2 5-1 0 3 1.4曹盛.超低碳钢转炉终点氮含量控制J.河北冶金，2 0 1 5（1 0)：14-17.5张钟铮,王晓峰,费鹏，等.IF钢中氮含量控制技术研究J.炼钢，2014,30(1):29-33.6邹伟龙，成天兵，彭文涛，等.首钢迁钢IF钢低氮工艺生产实践J.炼钢,2 0 1 4,3 0(3):9-1 1.7张鉴.炉外精炼的理论与实践M.北京：冶金工业出版社，1 9 9 3.8彭其春，李源源，张细菊，等.SPHC钢过程氮含量变化以及吸氮机理分析J.武汉科技大学学报（自然科学版）,2 0 0 6,2 9（2)：115-117.（下转第1 9 4页）Zhao Jie山西冶金194E-mail:4结语反应过程中的堆料问题是制约电解槽运行可靠性的关键因素，目前主要依靠人工定期巡检并清除的模式来保证电解槽反应过程中不出现阳极效应，提高反应效率和经济性。但该控制模式极其依赖巡检人员的责任心，难以保证电解槽工作的可靠性。通过设计电解槽氧化铝堆料智能控制系统,实现了对电解槽内堆料情况的自动监测、自动预警、自动清除堆料。该系统能够保证对堆料情况的1 0 0%精确识别，对堆料的清理率也达到了9 8.9%，有效地提升了电解槽工作的稳定性和可靠性。Research on Intelligent Control System for Aluminum Oxide Stacking in Electrolytic Cells(Electrolytic Aluminum Branch of Shanxi Zhaofeng Aluminum Power Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045200,Abstract:In order to address the shortcomings of easy blockage and poor safety of the aluminum oxide electrolysis cell feeding system,anew intelligent control system for aluminum oxide stacking in the electrolysis cell is proposed,which can monitor and warn the stackingsituation of aluminum oxide in real-time.When stacking occurs,it can automatically shell and improve the stability and safety of theelectrolytic cell operation.According to practical applications,the intelligent control system has achieved a detection accuracy of 1oo%forstacking materials,a stacking removal rate of 98.9%,and an annual electricity cost savings of approximately 19 500 yuan.Key words:electrolytic cell;aluminum oxide;stacking monitoring;intelligent regulation（上接第1 8 9 页）9马军红，丁辉,朴占龙，等.氧氮含量与显微夹杂含量变化对炼钢生产的影响J.铸造技术,2 0 1 7,3 8（3)：6 7 4-6 7 6.(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063200,China)Abstract:The researches show that the carbon content,oxygen content,vacuum pressure and refractory of RH snorkel effect the nitrogenpick-up of molten steel during RH processing.Thus,the control measures of nitrogen pick-up and equipment optimization schemes wereproposed,so that the nitrogen pick-up of molten steel during RH processing was controlled effectively.The minimum nitrogen pick-upduring RH processing can be controlled within 3 10*and the proportion of heats that the nitrogen pick-up are less than 8 10-6 canreach more than 90%.Key words:RH;nitrogen pick-up;RH snorkel;vacuum pressure;optimization measures(上接第1 9 1 页）Research on the Application of Comprehensive Water Prevention and Control Technology in(Changcun Coal Mine of Luan Chemical Group Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046100,China)Abstract:In order to improve the comprehensive water prevention and control ability of fully mechanized mining faces,the current situationof water prevention and control work in fully mechanized mining faces was analyzed,and existing problems in water prevention and controlwork were found.In response to these issues,the main water prevention and control technologies needed in comprehensive water preventionand control work were studied,and the practical application of these water prevention and control technologies was explored.Bycomprehensively applying these water prevention and control technologies,the occurrence of water damage in fully mechanized mining faceshas been effectively prevented and controlled,better ensuring the safe and stable production of fully mechanized mining faces.Key words:fully mechanized mining face;prevention and control of water;current situation;application第46 卷参考文献1刘永鹤，张岩岩.导热氧化铝改性工艺对界面材料导热性能的影响研究J.无机盐工业，2 0 2 0,52（9)：7 0-7 4.2 施萍，徐燕婷，黄同胜，等.氧化铝粒子填充环氧基复合材料导热性能的研究J.绝缘材料，2 0 1 7,50（3)：6-9.3杨刚,程金虎，朱海涛,球形氧化铝导热膏的制备及其导热性能J.青岛科技大学学报，2 0 1 6,3 7(5)：52 8-53 2.4李攀敏，钟朝位，童启铭，等.环氧树脂氧化铝复合材料的制备及导热模型J.电子元件与材料,2 0 1 1,3 0（1 1):2 6-2 9.5 魏世湖.2 0 0 kA预焙铝电解槽氧化铝浓度控制技术升级与工业实践J轻金属，2 0 1 1(s1):215-218.(编辑：苗运平）Zhao JuChina)10傅杰.钢液真空脱氮动力学研究J.钢铁,2 0 0 0,3 5（1 0):2 4-2 6.(编辑：武倩倩）Study on Nitrogen Pick-up During RH TreatmentZhang Weilong,Zhou Minda,Huang Caide,Guo XiaolongFully Mechanized Mining Faces of Mines