降低电炉管线钢氮含量生产工艺摸索

王学义，宋智宇

（天津钢管集团股份有限公司特钢公司，天津300301）

随着管线管产品的应用领域不断拓展，新的应用领域如腐蚀环境、海洋环境对管线管产品提出了更高的要求，钢中氮含量的不利影响也越来越得到重视[1]，氮的含量在API SPEC 5L 第43 版中并没有明确要求，但从第44版开始，在酸性服役环境和海洋服役环境中增加了w(N)≤0.012 0%的要求，并明确了w(Al)/w(N)≥2的要求，重点客户的内部标准，甚至要求w(N)≤0.008 0%。众所周知，从单纯氮含量控制方面，电炉较之转炉是有明显劣势的，主要原因是电弧电离造成的，在电极加热时，电弧的阴极和阳极轮流位于石墨和钢液上。作用在钢液上时，这部分钢液较其他部位的钢液温度高，当其为阴极时，温度为2 400 K，为阳极时，温度为2 600 K，研究表明:当钢液温度为2 130 K 时，[O]对氮的影响作用消失。根据氮的溶解反应式，当氮分压一定时，钢液中氮的溶解度与氮溶解反应常数及其活度系数有关[2]。当温度升高时，K值增大，钢液中氮的溶解度亦增加。因此，针对电炉开展降低氮含量的工艺研究，不仅有利于改善电炉钢的质量，增加电炉钢品种，而且也可以提高电炉钢产品的市场竞争力。

1 主要生产设备状况

某公司炼钢系统分为一区和二区，主要设备状况如表1所示：

表1 主要设备状况

2 降低管线钢N含量生产工艺摸索

2.1 电弧炉冶炼工艺

电炉炼钢与转炉炼钢相比较，由于废钢原料含氮高以及电弧区钢液容易吸氮，钢中氮含量较高，这是电炉炼钢的先天性缺陷之一[3]。转炉钢的含氮量比较低，一般在2×10-5～4×10-5，而电炉熔清氮含量一般在8×10-5～1.2×10-4，因此，降氮必须从电炉冶炼开始。

1）造好泡沫渣

电炉冶炼钢水中的氮主要有两个来源，一是废钢中带来的氮，另一个是电弧电离空气造成钢水增氮。原则上应该尽可能选用低氮的废钢，但是，由于废钢种类繁多，来源广泛，在大生产的条件下很难具体测定和鉴别，因此，减少电弧电离增氮就显得尤为重要，这就需要冶炼过程中必须要造好泡沫渣，泡沫渣是熔池激烈化学反应产生的大量气体（主要是CO）和钢、渣一起形成的乳化物，对稳定电弧、加速升温和防止钢水吸气都十分必要，良好的泡沫渣系可以有效的使钢水与空气隔离，防止弧区钢液面裸露，减少因电弧区钢液的增氮[4]。因此合理使用好碳枪，尽可能提前并持续喷吹碳粉，控制石灰的加入量和加入时机，从而保证合理的渣量，以使熔池内形成良好的泡沫渣，理想成分如表2所示，据实际统计，泡沫渣良好的情况下，管线钢水电炉熔清初始氮要比泡沫渣效果不佳时降低1×10-5～2×10-5。

图1 管线钢泡沫渣效果优劣钢水熔清氮含量对比

表2 电炉较好效果泡沫渣成分

2）适当增加铁水比

通过统计，电炉冶炼增加铁水比例可有效的降低钢水熔清氮含量，这是因为铁水比的增加会使配碳量显著增加[5]，虽然会加重脱碳任务，但由于脱碳时生成大量的CO气泡相当于一个小真空室，其中氮的分压极低，钢液中的[N]很容易进入气泡中而被携带走，可以认为脱碳量的增加，对钢液氮含量是有益处的。在电炉冶炼过程中钢水的吸氮集中于冶炼前期（熔化期），在脱碳反应剧烈的冶炼中后期，钢水中的氮会扩散进入CO 气泡并随之逸出，因此反而形成钢水脱氮的效果。当然，针对管线钢特点而言，由于其成品C 高求不高，一般在0.10%左右，过高的铁水量会增加电炉的脱碳负担，导致冶炼周期延长，电极给电时间上升，反而增加了钢水增氮的可能，起到相反的效果。通过大量现场试验，某钢管公司炼钢系统一区铁水比例在30%～40%，二区铁水比在40%～50%时，管线钢电炉熔清样氮含量最低。

图2 一二区不同铁水比例电炉熔清氮含量

3）电炉底吹CO2对初始氮含量的影响

2017 年某公司与高校合作，在管线钢生产中试验了电炉底吹CO2工艺，通过试验，发现电炉底吹CO2气体对脱氮存在明显的优势，首先，电炉熔池中底吹CO2与[C]反应后，生成吹入气体2 倍的CO，使熔池搅拌更强烈。有利于氮气的逸出。图3 为底吹CO2炉次与未底吹CO2炉次电炉出钢后氮含量对比情况，从图3可以看出，底吹CO2炉次氮含量总体要低于未底吹CO2炉次，平均低1×10-5～2×10-5。

图3 底吹与未底吹CO2电炉熔清氮含量

2.2 精炼工艺

2.2.1 LF工艺

LF 工位整个操作过程钢液往往会吸氮，LF 增氮的主要原因是钢液与大气接触、电弧区增氮、原材料的增氮。为了降低LF吸氮，管线钢生产中的主要措施有:

加强埋弧加热，处理过程中保持微正压气氛；LF处理过程中要随时观察氩气搅拌强度的大小，LF处理初期Ar 采用中等强度搅拌，不能大面积裸露钢水，精炼处理后期，采用弱搅拌，禁止处理过程中对钢水进行大氩气强搅拌，防止钢液吸氮吸氧，造成钢液二次氧化；选用低氮合金。

采用以上措施后，可将管线钢在LF工位的增氮量控制在一个合理的水平，所生产炉次增氮最高1.2×10-5，最低1×10-6，平均8.3×10-6，增氮量不是非常稳定，这与生产过程中氩气控制、炉内气氛等操作控制有一定的关系。

2.2.2 VD控制

真空吹氩脱氮是VD脱氮的主要有效手段。但是脱氮一般很困难，主要是因为：

钢液中，氮与多数元素反应生成的氮化物处于溶解状态，故无法通过沉淀法去除；氮原子的半径比氢大，扩散系数比氢小得多（小两个数量级），故真空去氮的效果比去氢差得多；氧、硫等表面活性元素阻碍钢液脱氮。w(O)、w(S)在小于2×10-5的情况下对脱氮的影响可以消除，氧较易控制，而要将硫降至2×10-5以下则比较困难，因而增加了脱氮的难度；在实际生产中，VD抽真空过程中，高真空保持后要尽可能调大氩气，保证钢液进行充分的循环，VD 真空处理后，需要进行钙处理操作，钢液在钙处理时，底吹氩吹破渣面，丝线周围钢水喷溅，易吸收空气中的氮。在氩气搅拌过程中，如果氩气流量太大导致钢液裸露，也会导致钢液吸氮。弱搅拌以保持渣面微动为准，严禁吹开渣面造成钢液裸露。因此，合理的精炼结束温度以及氩气搅拌制度也是生产低氮钢的必备要素。

采取以上措施，管线钢VD前后增氮量在0.001 0%～0.002 0%，比较稳定。

2.3 连铸工艺

连铸保护浇注对连铸工艺增氮有很大的影响，连铸过程中的增氮主要发生在钢包到中间包之间的环节上。对于管线钢，连铸保护浇注采取的措施主要是：开浇前中包进行吹氩操作，将中间包内的空气排出，减少开浇过程中钢水吸氮；确保浇铸时大包长水口垂直，密封圈每炉一换，吹氩保护效果良好；注意对长水口上部碗口处的清理，保证密封环压紧、压实；加强对保护吹氩的氩气管检查，如有漏气，必须立即更换；如氮要求严格的管线钢，在4～5炉更换1支新长水口，防止长水口侵蚀造成密封不严进而使钢水吸氮。

通过批量管线钢的生产实践与不断摸索，同一炉次连铸过程样与VD结束对比，增氮可以控制在6×10-6以内，见图4。

3 管线钢氮含量控制实绩

某公司炼钢系统将以上措施运用于国家“一带一路”重点管线合同中，共计生产约11 000 吨，经统计钢中氮含量控制较好，符合合同要求，实际氮含量见图5。

图4 精炼至连铸氮含量变化

图5 管线钢氮含量

4 结 语

由于冶炼模式的影响，电炉钢水氮含量较之转炉控制较困难，天津钢管集团股分有限公司炼钢系统通过电炉适当提高铁水比例，提高泡沫渣效果，底吹二氧化碳，精炼采用优化氩气搅拌强度、选用低氮合金，VD过程适当加大搅拌强度，连铸中包预吹氩和全程保护浇注，有效的降低了管线钢氮含量，取得了不错的效果。