劉善喜 李碩 張虎成 項有兵

(河北鋼鐵集團唐鋼長材部)

BOF-LF-CC工藝生產(chǎn)硬線鋼氮含量的控制

劉善喜 李碩 張虎成 項有兵

(河北鋼鐵集團唐鋼長材部)

系統(tǒng)分析了BOF-LF-CC生產(chǎn)硬線鋼過程中的增氮因素，并針對性的提出工藝改善措施，成功地降低了硬線鋼生產(chǎn)過程中的增氮量，硬線鋼的平均氮含量降低至40×10-6，提高了鋼水的潔凈度。

硬線鋼 氮含量 精煉

0 前言

氮在鋼中以化合物、固溶體溶質(zhì)和氣體的形式出現(xiàn)，對鋼不良性能的影響主要表現(xiàn)在其含量高時鋼材的時效性，即隨著時間的延長，室溫下呈過飽和狀態(tài)的氮在α-Fe中逐漸以Fe4N微細(xì)彌散的質(zhì)點析出，引起鋼質(zhì)變脆，從而降低鋼的冷加工性能，惡化棒材、線材的冷拉性能，出現(xiàn)冷拉脆斷現(xiàn)象。硬線鋼對氮含量提出了要求，一方面為了防止加工硬化的影響，另一方面是為了防止與鋁結(jié)合生成硬質(zhì)點對加工產(chǎn)生不利影響。針對唐鋼長材部(以下簡稱長材部)硬線鋼冶煉過程中氮含量較高的問題，提出了工藝解決方案，達到產(chǎn)品成分要求。

1 增氮因素分析

硬線鋼增氮主要有兩大類原因，一是各種原材料帶入的氮含量；二是工藝影響因素，主要涉及轉(zhuǎn)爐、LF精煉、連鑄三個工序。為了探索導(dǎo)致氮含量升高的因素，針對60#硬線鋼中氮含量較高的爐次進行全程分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，氮含量偏高的主要原因分為以下三種情況：(1)轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)氮含量高，爐次4B04262及4A04245轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)氮含量偏高，分別為57×10-6、56×10-6；(2)LF爐增氮不穩(wěn)定，爐次4A04149在 LF爐化渣階段吸氮30×10-6，化渣至出站過程增氮4×10-6，LF爐過程增氮共34×10-6；

圖1 硬線鋼增氮過程圖

(3)連鑄工序增氮量偏大，爐次4A04366轉(zhuǎn)爐至LF爐出站過程增氮量正常，連鑄過程至成品材過程增氮13×10-6。

根據(jù)上述情況，針對硬線鋼生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐工序控氮、LF爐工序控氮、連鑄工序控氮三個階段進行理論分析和工藝改善，提高硬線鋼冶煉的控氮能力。

2 工藝優(yōu)化及效果

2.1 轉(zhuǎn)爐工序控氮

轉(zhuǎn)爐冶煉的終點氮含量取決于轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的脫氮和增氮的情況。轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，鋼水脫碳分為前中后三個階段[1]，鋼水脫氮是伴隨著脫碳反應(yīng)進行的。因為脫碳而產(chǎn)生的大量CO氣泡中，氮分壓接近于零，在CO上升的過程中，氮氣通過擴散進入氣泡中，最后逸出鋼液，因此碳氧反應(yīng)越激烈，所產(chǎn)生的CO氣泡越多，脫氮效果越好，在轉(zhuǎn)爐吹煉中期，由于鋼液碳氧反應(yīng)激烈，脫碳速率很大，大量的碳氧化生成CO將熔池中的氮元素帶出，此時脫氮速率不低于吸氮速率，鋼液中氮含量迅速下降[2]。冶煉后期，隨著碳含量的降低，碳氧反應(yīng)減弱，脫碳速率降低，脫氮速率也隨之降低。而在非碳氧反應(yīng)區(qū)的煉鋼溫度下，鋼液與大氣中的氮氣發(fā)生作用而吸氮，而且鋼液氮含量越低則吸氮傾向越大。

針對影響轉(zhuǎn)爐終點氮含量的以下五個因素：終點碳含量、點吹次數(shù)、轉(zhuǎn)爐底吹模式、鋼包底吹氣體、脫氧強度以及脫氧時機，進行獨立實驗，實驗數(shù)據(jù)如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 終點氮含量隨碳含量的變化

圖3 點吹次數(shù)對終點氮含量的影響

圖4 轉(zhuǎn)爐底吹模式對終點氮含量的影響

圖5 脫氧時機對終點氮含量的影響

(1)轉(zhuǎn)爐終點碳的影響。從圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)爐終點碳含量的升高氮含量降低，碳含量在0.25以下時，隨著碳含量的升高，氮含量顯著降低；當(dāng)碳含量達到0.25%～0.32%時，降低幅度放緩。為了降低轉(zhuǎn)爐的終點氮含量，提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量是有效措施。

(2)點吹次數(shù)的影響。從圖3可以看出，隨著點吹次數(shù)的增加，轉(zhuǎn)爐終點氮含量呈上升趨勢，吹煉停止后大量空氣進入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，并隨著點吹時的氧氣流進入鋼水，鋼水中氮氣量增加。點吹的目的為微調(diào)成分溫度，吹氧時間短，終碳損失大，攪拌不均勻，導(dǎo)致鋼水中溶解的氣體量增加，氮含量升高。

(3)轉(zhuǎn)爐底吹氣體的影響。轉(zhuǎn)爐底吹氣體能夠有效的提高鋼水的均勻性，但是在冶煉硬線鋼等對氮含量要求較高的鋼種時，合適的底吹氣體能夠有效降低鋼水氮含量。從圖4可以看出，當(dāng)?shù)状档獨鈺r，鋼水中沒有擴散完全的氮氣量大于底吹氬氣時的氮氣量，所以底吹氮氣時氮含量較底吹氬氣時升高。理論研究證明當(dāng)含碳量大于0.30%時，碳氧反應(yīng)生成的CO能夠帶走鋼水中的氮氣。理論上相對于底吹氬氣，冶煉前中期底吹氮氣，后期切換氬氣的模式對轉(zhuǎn)爐終點氮含量的影響無差異。為了降低底吹氣體成本，由此使用氮氬切換的底吹模式，吹煉9 min候底吹氣體由氮氣切換成氬氣。切換模式比底吹氬氣模式的終點氮含量高0.24×10-6。

(4)鋼包底吹氣體的影響。為了驗證鋼包底吹氣體對氮含量的影響，針對長材部2號轉(zhuǎn)爐連續(xù)冶煉60#硬線時，進行跟蹤實驗，脫氧劑加入量設(shè)定為0.75 kg/t，底吹氣體種類分別為氮氣、氬氣。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同鋼包底吹氣體對出鋼過程增氮的影響

由表1可以看出，轉(zhuǎn)爐出鋼過程均有增氮，底吹氣體使用氬氣時，出鋼過程增氮3.96×10-6；當(dāng)切換為氮氣時，出鋼過程增氮為6.04×10-6。氬氣保護比氮氣保護具有顯著的優(yōu)勢，能夠有效降低鋼水吸附的氮元素的量，從而降低轉(zhuǎn)爐出鋼過程增氮2.08×10-6。

(5)脫氧強度及脫氧時機的影響。終點碳含量提高到0.25%以上后，終點氧含量降低，導(dǎo)致終點的脫氧強度降低，在底吹氣體采用氬氣的條件下，實驗不同脫氧劑加入時間和加入量對鋼水氮含量的影響。

從圖5可以看出，隨著出鋼過程中脫氧時機的推后，鋼包增氮有下降趨勢，出鋼過程中鋼包中鋼水表面有一層保護渣，隔絕鋼水與外界空氣的接觸，避免鋼水直接吸氮。空氣中的氮氣在渣中溶解后向鋼水中擴散，是導(dǎo)致鋼水吸氮的重要方式。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)渣中的氧含量升高時，氮的溶解度顯著降低，能夠有效降低鋼水增氮[3]。同時氧作為表面活性物質(zhì)，容易在鋼水表面聚集，占據(jù)可以吸附氮的表面位置，阻礙氮的吸附，鋼水中氧含量降低，氮含量的吸附速度提高，因此推后脫氧能夠降低前期鋼水的吸氮速度，從而降低鋼水中的氮含量。所以控制脫氧時機在120 s以后能夠有效控制轉(zhuǎn)爐出鋼氮含量。不同脫氧劑加入量對增氮的影響見表2。

表2 不同脫氧劑加入量對增氮的影響

由表2可以看出，加入脫氧劑1.125 kg/t時出鋼過程增氮8.1×10-6，脫氧劑加入量降低到0.75 kg/t后，出鋼過程增氮為4.6×10-6。通過降低脫氧劑的加入量，提高鋼水中表面保護渣層的氧含量，降低氮離子在渣層中的傳播速度，降低鋼水吸附氮元素量，從而顯著降低出鋼過程增氮3.5×10-6。

2.2 LF精煉工序控氮

在實驗中發(fā)現(xiàn)化渣階段增氮量分布在2×10-6～35×10-6之間，區(qū)間范圍大，且增氮量不穩(wěn)定，分析發(fā)現(xiàn)，增氮量大于12×10-6爐次多存在埋弧電壓不穩(wěn)定，底吹氣量大，鋼水接觸空氣現(xiàn)象。分析原因如下：

LF精煉增氮的主要原因是鋼液與大氣的接觸、電弧電離原材料中氮氣。在電極加熱時，電弧最高溫度可以達到6000 ℃。電弧作用到鋼液上時，這部分鋼液較其它部位的鋼液溫度高，超過2300 ℃。而當(dāng)鋼液溫度超過2130 ℃時，氮在鋼液中的溶解反應(yīng)為：

平衡常數(shù)為：

從而：

氮溶解反應(yīng)常數(shù)與溫度的關(guān)系為：

式中：a，b—兩正常數(shù)。當(dāng)?shù)謮阂欢〞r，鋼液中氮的溶解度與氮溶解反應(yīng)常數(shù)及活度系數(shù)有關(guān)。當(dāng)溫度升高時，K值增大，鋼液中氮的溶解度也增加?？芍琇F精煉過程中，電弧區(qū)鋼水液面接觸空氣時，增加鋼水增氮量。

基于上述分析對LF精煉工序進行以下調(diào)整：(1)LF精煉站調(diào)整造渣料配比，確保埋弧電壓穩(wěn)定性；(2)LF精煉時，調(diào)整底吹氣流量，軟吹時嚴(yán)禁鋼水接觸空氣，針對氣眼情況補加適量覆蓋劑，降低鋼水吸氮量[4]；(3)調(diào)整除塵風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)精煉過程微正壓操作，降低精煉過程吸入空氣的量，從而減少氮氣進入鋼水的量[5]。調(diào)整前、后的化渣增氮數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 工藝改善前后LF化渣階段增氮量的變化

由表3可以看出，工藝改善前后對比發(fā)現(xiàn)調(diào)整后LF化渣平均增氮量范圍從由2×10-6～35×10-6，縮減到2×10-6～7×10-6，解決了因電極電離空氣中氮氣而劇烈增氮的現(xiàn)象，使得化渣階段增氮穩(wěn)定性得到了明顯的改善，同時平均增氮量從10.3×10-6降低至4.2×10-6，顯著降低了化渣階段增氮量。

圖6 化渣至出站階段化渣分布情況

從圖6可以看出，工藝改善后化渣至出站階段的增氮情況也得到了明顯的改善，平均增氮量從11.32×10-6降低至8.95×10-6，分布范圍為2×10-6～20×10-6，其中72.7%的增氮量集中在5×10-6～15×10-6范圍內(nèi)，化渣至出站增氮量得到有效的控制。工藝改善后，LF精煉過程減少增氮8.5×10-6。

2.3 連鑄工序控氮

針對連鑄過程容易導(dǎo)致增氮的階段和部位進行如下工藝改善：(1)開澆前使用氬氣吹掃中包內(nèi)腔及沖擊區(qū)位置，除凈殘留空氣。(2)鋼包使用鋁碳質(zhì)長水口，同時強化氬封效果，減少水口位置吸氮。(3)提高沖擊區(qū)吹氬氣量，加強氬氣保護。(4)澆注過程嚴(yán)禁裸露鋼水，及時補加微碳覆蓋劑。

通過采取上述措施，將連鑄過程增氮控制在1×10-6～4×10-6范圍內(nèi)，平均增氮量由工藝改善前的5.1×10-6降低至2.5×10-6，有效提高了連鑄工序的增氮控制能力。

通過上述三個階段的工藝改進長材部各鋼號的硬線鋼的氮含量得到了有效的控制。攻關(guān)前后成品氮含量對比如圖7所示。

圖7 攻關(guān)前后各鋼號氮含量對比

從圖7可以看出， 45/50號硬線平均氮含量由39.42×10-6降低至33.34×10-6；60/65號硬線平均氮含量由51.19×10-6降低至34.50×10-6；70/75號硬線由49.00×10-6降低至38.95×10-6；77B平均氮含量由52.00×10-6降低至40.00×10-6。攻關(guān)前后各鋼號硬線氮含量均有顯著降低，提高了鋼水的潔凈度，改善了硬線鋼的時效性，滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

(1)提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量能夠有效降低終點鋼水的氮含量，隨著終點碳含量的提高轉(zhuǎn)爐終點氮含量逐漸降低，當(dāng)終點碳含量提高到0.25%以上時，終點氮含量的降低速度放緩。出鋼過程中底吹氣體使用氬氣較使用氮氣能夠有效降低增氮2.08×10-6。轉(zhuǎn)爐吹煉過程減少點吹次數(shù)，出鋼過程鋼包底吹氬氣，適當(dāng)降低脫氧強度，延遲脫氧時機可有效降低鋼水氮含量。

(2)LF精煉主要增氮因素是精煉過程中，空氣中的氮氣被電離，使得氮元素進入鋼水，增加鋼水中的氮含量。通過調(diào)整造渣配比與底吹流量，微正壓操作，有效降低鋼水增氮8.5×10-6。

(3)連鑄過程通過加強氬氣保護，減少鋼水澆鑄過程吸氮，能夠有效降低過程增氮至2.5×10-6。

(4)通過工藝改進，各鋼號硬線平均氮含量均降低至40×10-6以下，長材部冷拉脆斷現(xiàn)象得到顯著改善。

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THE CONTROL OF NITROGEN CONTENT IN THE PRODUCTION OF HARD BULL ROD BY BOF-LF-CC PROCESS

Liu Shanxi Li Shuo Zhang Hucheng Xiang Youbing

(Long products department of Tangshan，Hebei Iron and Steel Group)

The reason of the increasing of nitrogen content is analyzed，and a series of measures are putted forward to improve the process which reduce the nitrogen content of hard bull rod significantly. The average nitrogen content of hard bull rod is reduced to no more than 40×10-6. The cleanliness of hard bull rod is improved notably.

hard bull rod nitrogen content refinement

?喜，工程師，河北.唐山(063000)，河北鋼鐵集團唐鋼長材部；

2015-9-27