LF深脱硫过程中的钢液增碳增氮的控制研究

孔 为，宗燕兵，苍大强

（1.北京科技大学 国家材料服役安全科学中心，北京100083；2.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京100083）

LF炉精炼是一种常用的钢液二次精炼手段，在LF精炼的造渣精炼过程中，可以对钢液进行加热、脱氧、脱硫、去夹杂及合金化[1]。在使用LF炉对抗酸管线钢X65MS进行深脱硫处理的时候，部分炉次出现LF处理结束时的碳及氮的成分增高较多的情况，甚至导致某些炉次的碳、氮成分超标，造成断浇、板坯单独码垛等严重情况。本文预对钢液脱硫及增碳增氮的原理做细致分析，并提出一些切实可行的操作来优化LF精炼工艺，从而防止LF精炼处理X65MS时的增碳及增氮，保证生产的顺利进行及板坯成品成分达标。

1 LF精炼过程的钢液脱硫及增碳增氮原理

1.1 LF精炼过程的钢液脱硫原理

LF炉内的脱硫反应可由式（1）表示[2]：

硫在溶渣与钢液间的平衡分配常数L s可由式（2）计算[3]：

式中，(%S)*及[%S]*分别为硫在熔渣及钢液中的平衡浓度（%）；T为钢液及熔渣的温度（K），设为相同；Λ为熔渣的平均光学碱度；f s为熔渣的活度系数；a[o]为钢液中氧的活度。

从式（2）中可看出温度越高，硫在溶渣与钢液中的分配比越大，更易于脱硫。且式（1）为吸热反应，高温也利于反应向正向进行。高的光学碱度、高的熔渣活度系数及低的钢液中氧活度更有利于脱硫反应的进行。

一般认为脱硫的限制性环节是硫离子在渣中的传质，由此脱硫反应的速度可以表示为下式[3]：

式中，A为渣钢间的界面积(m2)；Wm为钢液的质量(kg)；Ks为硫在溶渣中的传质系数；(%S)及[%S]分别为硫在熔渣及钢液中的过程浓度(%)。

从式（3）中可看出尽可能的提高LF炉内的氩气搅拌强度以增大渣钢间的接触面积，提高硫在渣中的传质系数，可以加快脱硫反应的进行。

1.2 LF精炼过程的钢液增碳原理

LF精炼过程的增碳主要是由用于加热的电极中的碳扩散到钢液中所导致的。由于电极加热过程中会使用短弧大电流的操作，钢液表面与电极端部的距离较近，同时钢包底部开启的底吹氩会造成钢液面的波动，使钢液和电极直接接触，从而导致钢液增碳。另外由于熔渣及钢液的冲刷等方面的原因导致的电极本身的剥落也会使钢液增碳。电极在钢液中的溶解过程可解释为致密固体在熔体中的溶解，可分为两个基本步骤：在高温下，C脱离固体晶格从晶格点阵转变为C原子进入钢液中；溶解的C原子通过边界层向钢液内部传输，从而增加钢液的整体碳含量。第一个步骤是界面反应，其反应速度可由活化能表示成温度的函数，受热力学参数温度控制，温度越高界面反应越快，增碳量越大。第二个步骤是动力学控制过程。电极加热区的钢液温度可达3000℃以上[4]，因此可认为第二个步骤是钢液增碳的控制性环节，即LF炉加热过程电极周围的钢液波动越大，钢液更新速度越快，钢液增碳的趋势就越大。另外LF处理的时间越短，钢液增碳越轻，这就要求提高LF炉的到站温度，尽早造渣，从而缩短处理时间。

1.3 LF精炼过程的钢液增氮原理

如前所述LF炉电弧区的温度可高于3000℃，这加速了氮气溶于钢液的表面化学反应过程，这时空气中氮气会被电离为氮原子，氮原子融入钢液并传输至钢液内部，整个反应如式（4）所示[5]：

由式（4）可看出其标准吉布斯自由能在LF精炼的温度范围内小于零，因此此反应是自发的，这是在LF精炼过程中钢液容易增氮的主要原因。

氮在钢液中的溶解度可表示为下式[6]：

式中，KN为式（4）的反应平衡常数；fN为氮在钢液中的活度系数；PN2为氮气的分压。

由式（5）计算出在LF精炼条件下，钢液中N的饱和含量可高于400×10-6，由此可见LF精炼的吸氮潜能是很大的。但是钢液中氮含量想达到饱和含量还受动力学条件的控制，式（4）中的钢液吸氮反应的限制性环节为液相侧的N的传质，钢液吸氮的速度可表示为式（6）[6]：

式中，KL为氮在钢液中的传质系数；A为渣钢间的界面积；V为钢液的体积；[%N]i为LF精炼初始时钢液中氮的浓度。

由式（6）可知钢液吸氮的速度主要由KL决定，影响KL的因素主要包括钢液面的裸露面积、裸露钢液面的沸腾程度及钢液中的表面活性物质成分等[7，8]。剧烈沸腾的裸露钢液其吸氮的KL值是平静时的5倍[7]；钢液中的溶解氧及硫等表面活性物质含量越低，KL的数值越高，即钢液中高的氧及硫含量有利于抑制其吸氮[8]。另外在式（6）中也可看出，LF处理的时间越长，钢液的增氮会越严重，与抑制钢液增碳类似的，为抑制钢液增氮同样要求提高LF炉到站温度，尽早造渣，从而缩短处理时间。

2 LF深脱硫处理X65MS下的抑制增碳增氮工艺

通过上述LF精炼的深脱硫及抑制增碳和增氮的原理分析，可得出它们的工艺控制条件，如表1所示。从中可看出要想对X65MS钢种执行好的深脱硫处理，势必会提高其增碳及增氮的风险，即深脱硫与抑制钢液增碳及增氮有着一定的工艺操作上的矛盾性。但X65MS钢种的成品板坯要求硫含量≤10×10-6，对其来讲深脱硫是LF炉处理的根本冶炼任务，因此就需要在保证LF精炼深脱硫的基础上尽量优化工艺操作以抑制钢液的增碳及增氮。下面将结合实际生产条件提供一些优化的工艺操作方法。

表1 LF精炼的深脱硫及抑制增碳和增氮的工艺控制条件

2.1 LF深脱硫处理X65MS下的抑制增碳及增氮的优化工艺控制策略

2.1.1 造渣分步控制

造渣前期的加热过程使用较小的底吹氩流量，以渣面不剧烈翻动露钢液面为准，仅保证钢液整体温度均匀便可，减少钢液直接裸露而增氮的同时，降低了因钢液冲刷电极而增碳的几率。当温度升到满足后续工序所需温降要求的时候，这时确保渣料完全熔化，同时保证其温度满足脱硫所需的热力学条件（≥1600℃），开大氩气流量进行强搅拌，使渣钢充分混合接触，具备良好的深脱硫动力学条件，在此期间禁止加热，关闭除尘阀，使钢包内充满氩气维持微正压，从而避免钢液直接接触空气而吸氮。

图1 CaO-SiO2-Al2O3三元渣系的相图

2.1.2 优化造渣成分

尽早化渣有利于缩短LF精炼的整体处理时间，从而有利于抑制钢液增碳增氮。为实现快速化渣，需使LF精炼站的顶渣熔点尽量低，因此可在出钢过程中加入一部分白灰、萤石及铝矾土，将炉渣的成分调整到CaO-Al2O3-SiO2三元渣系的低熔点区，如图1中区域1所示。LF炉造脱硫渣过程实际是CaO在已有熔渣中的溶解过程，因此在LF精炼电极加热过程中加入合成渣、白灰及铝粒（降低渣中氧势），将溶渣调整至硫容较高的成分区域中，如图1中区域2所示，此时的脱硫渣成分配比为CaO＞55%，SiO2＜7%，MgO为6%～9%，Al2O3为25%～30%，同时保证渣钢配比为0.03左右，可将钢液硫脱至10×10-6以下[9]。

值得注意的是出于安全考虑，加料系统设置了严格的连锁条件，其中之一是皮带运行期间禁止备料，两批料之间的间隔时间较长，在有限的造渣时间内无法实现“先加萤石及铝矾土再加石灰及合成渣”的分步加料操作，因此如上文所述，在出钢过程中先加入萤石、铝矾土及部分白灰，在钢包到站电极加热过程中再进一步加入合成渣及白灰。

2.1.3 使用LF-RH双联工艺冶炼X65MS

生产X65MS钢种可使用RH-LF及LF-RH两种双联工艺路线。与前者相比，后者具备如下优点：可以在出钢过程中脱氧，利用出钢过程强大的搅拌能力进行调合金操作，从而节约LF精炼过程中的多批次调合金时间，缩短LF整体精炼周期；如上文所述，可在出钢过程中加入一定量的渣料，减少LF炉精炼过程的渣料加入时间及到站时的炉渣结壳情况，有利于早化渣及短时间内造好脱硫渣，并可利用出钢过程的搅拌能力对钢液进行一定程度的脱硫处理以减少LF精炼的脱硫压力；由于没有RH处理过程的温降，从而提高了钢包的到站温度，利于缓解钢渣结壳，降低整体造渣时间；可以充分利用RH真空脱气能力，有效缓解LF精炼的增氮压力。因此为抑制在LF精炼处理X65MS过程中的增碳增氮，使用LF-RH双联工艺是较为合适的。

2.2 优化后的LF精炼工艺实践效果

将前文2.1中所述的优化工艺方法应用在X65MS的LF精炼过程中，测得精炼过程中钢液的硫、碳及氮的成分（3浇次平均值），并与前期未经优化的LF精炼工艺做对比，如表2所示。从表中可看出，优化后的LF精炼工艺的深脱硫效果比较好，精炼结束时可以达到S≤10×10-6；且过程增碳及增氮都得到了较好的控制。

表2 LF精炼工艺优化前后的X65MS成分

3 结论

LF精炼处理X65MS时，其深脱硫工艺与抑制增碳、增氮在热力学和动力学条件上存在一定的矛盾；通过优化LF精炼操作工艺，如造渣分布控制及优化造渣成分，从而在保证良好的深脱硫条件的同时，达到有效抑制钢液增碳及增氮的效果，优化后LF精炼工艺可使X65MS钢种在精炼过程中的增碳及增氮得到较好的控制。