LF炉冶炼低硅钢氮含量控制实践

朱学谨

(河钢承钢 生产计划部，河北 承德 067000)

当钢材中具有较高的氮时，会使钢材产生时效硬化现象，降低钢材的冲击韧性和塑性，还会与Al等元素形成氮化物夹杂，影响钢材的正常使用[1-2]，因此客户对钢中氮含量的要求也越来越严格。而目前公司转炉终点控制工艺及LF造渣、埋弧解热、吹氩等工艺不尽合理，造成LF精炼过程钢水大量吸氮，严重降低了成材率，增加了生产成本，因此需要研究LF精炼过程氮含量控制工艺以降低过程吸氮量，提高铸坯合格率，降低生产成本。

1 钢液吸氮热力学与动力学

1.1 钢液吸氮热力学[3]

(1)

(2)

(3)

上式中，αN-氮在钢液内的活度；fN-氮在钢液内的活度系数；[%N]-钢液内的氮含量；KN-氮溶解在钢液内的平衡常数；PN2-氮在气相中的分压，Pa；T-钢液温度，℃。

1.2 钢液吸氮动力学

有关研究表明，脱除钢液中硫、氧等活性元素的同时会增加钢液的吸氮，钢液吸氮动力学方程[3]如下：

d[%N]/dt=KcF/V([%N])e-[%N]

(4)

式中[%N]是t时间钢液中氮的浓度，%；[%N]e是与气相中氮分压平衡时的氮浓度，%；KC为传质系数，cm/s；F为气-液界面的反应面积，cm2；V为液相体积，cm3。

2 当前LF炉控氮存在的问题

2.1 转炉终点控制不合理

由于转炉采用半钢冶炼P含量普遍较高，为保证脱磷效果，往往依靠提高炉渣氧化铁、增加造渣料用量来获得较低的终点[P]，因此终点钢水氧化性强，合金化合金用量不易掌握，且下渣检测设备故障率高，造成LF进站钢水带渣较多，炉渣氧化性强，合金补加量大。

2.2 LF埋弧效果差

由于转炉-LF-连铸生产组织不尽合理，造成钢水在氩站蹲包时间偏长，致使LF进站钢水炉渣结壳严重，LF处理时难以快速形成埋弧渣，造成加热效率低，吸氮严重。

2.3 钢包透气性管理及LF吹氩工艺不合理

岗位对钢包透气性日常检查不到位，为节约成本，吹氩管少量漏气时也不及时更换，造成钢包透气性差，LF处理时间长，增加吸氮的风险；同时部分岗位处理钢水时为了获得更好的搅拌、脱硫效果，往往把吹氩流量控制在较高的水平，也造成了钢液吸氮量的增加。

2.4 窄成分控制比较差

岗位成本意识较差，加之脱氧造渣脱硫的水平有欠缺，造成处理时间长，且对合金成分烧损估计不足，为确保钢水成分合格，往往按照成分上限控制，增加了钢液吸氮。

3 LF精炼过程控氮工艺优化

经大量现场生产数据统计，LF精炼阶段低硅钢控氮效果较差，平均增氮量为16.8 ppm，经常出现氮含量超标现象(见表1)。

表1 低硅钢LF精炼氮含量控制现状

3.1 转炉终点控制工艺优化

通过优化铁水预脱硫工艺，加快生产组织节奏，实现了铁水脱硫比例达到99%，保证了转炉半钢冶炼S含量要求；通过建立半钢冶炼大数据库，优化了前期造渣模型和过程吹炼控制模型，并加强合金工技能水平，合金加入准确率显著提高，加快了冶炼前期成渣速度，提高了脱磷效果，减小了中后期脱磷压力，降低了终渣氧化铁含量；通过优化出钢渣洗工艺，进一步降低了LF进站钢水氧含量，促进了LF前期埋弧渣的快速形成，优化后进站炉渣(FeO+MnO)%由2.3%降至1.2%，钢液平均吸氮量较优化前降低3.7 ppm，效果明显。

3.2 钢种成分控制

钢液中氮的溶解度与钢液成分的关系式[4]如下：

ω[N]=0.044-0.01ω[C]-0.0025ω[Mn]-0.003ω[Si]-0.0043ω[p]-0.001ω[S]-0.001ω[Ni]-0.01ω[At]-0.0004ω[Cu]+0.0069ω[Cr]+0.013ω[V]+0.0015ω[Mo]+0.0102ω[Nb]+0.1ω[Ti]

(5)

由上式可知，[C]、[P]、[Si]、[Mn]、[Al]等元素的存在有利于降低钢液氮含量，[Cr]、[V]、[Ti]、[Nb]等元素利于钢液吸氮，通过开展LF窄成分控制攻关加强职工合金烧损量的估算水平，实现了吸氮元素按照中下限控制，适当提高利于减少吸氮元素的含量，钢液吸氮量降低了1.3 ppm，同时减少合金用量约120 kg/炉。

3.3 埋弧工艺控制

同一钢种，加热时间为8 min，埋弧效果不同条件下，钢液氮含量变化。

由表2可知，埋弧良好时钢液增氮较少，平均增氮仅为2.4 ppm，而埋弧较差时钢液吸氮严重，平均吸氮量为16.7 ppm，约为前者的6.96倍，因此优化埋弧工艺，改善埋弧操作，获得良好的埋弧效果对于获得低氮钢液十分重要。

表2 埋弧效果对增氮量的影响

通过钢包加盖，进站及时加入埋弧渣、精炼渣，促进LF快速成渣，改善了埋弧效果，整个加热过程实现了弧光不裸露。

3.4 LF兑入连铸大包浇余工艺控制

由于生产中冶炼品种钢较多，为保证连铸坯质量，连铸大包浇余含渣量约16 kg/t，如不能充分利用则造成渣料浪费，因此生产中常将浇余兑入同类钢种，但是否会影响钢中氮含量，需要进一步研究。

由于浇余渣成分与精炼渣成分相同，因此兑入浇余后能够快速成渣。由表3可知，循环1次时炉渣泡沫化良好，阻绝空气效果较好，因此增氮量较小。循环2次后由于炉渣偏稀，弧光明显，阻隔空气效果较差，因此增氮量较大。且浇余循环1次、2次增氮量均小于未兑入浇余炉次，分别比未兑入浇余炉次平均增氮量小12.6 ppm、5.8 ppm，降幅分别为65.28%、30.05%，效果比较明显。

表3 浇余循环次数对增氮量的影响

钢水回硅量随循环次数增加而增加，循环2次平均回硅量分别比循环1次、未兑入浇余炉次增加0.009%、0.016%，增幅分别达到37.50%、66.67%，回硅十分明显，若控制不当极易引起钢水硅含量超标，因此为控制低硅钢种氮含量，兼顾控硅，只对浇余循环1次。

3.5 加热时间、供电档位参数控制

由图1知，随加热时间延长，钢液增氮量持续增加，随供电档位升高，钢液增氮量持续减少，这是由于温度升高，钢液中氮的溶解度升高，且氮在电弧区发生电离进一步促进了钢液吸氮，供电档位提高，升温速度加快，加热时间缩短，因此适当减少加热时间有利于降低LF精炼过程钢液吸氮。

图1 加热时间及供电档位对增氮量的影响Fig.1 Effect of heating time and power supply gear on nitrogen increment

通过优化转炉温度控制，终点温度合格率由优化前57%提高至95%，减少了LF精炼加热时间，钢液吸氮量减少了4.3 ppm。

3.6 吹氩时间、吹氩流量参数控制

由图2知，钢液增氮量随吹氩时间延长、吹氩流量增加均呈现上升趋势，这是由于吹氩时不可避免会造成钢液面出现不同程度的裸露，时间越长与空气接触时间越长，流量越大，钢液面裸露面积越大，因此控制合理的吹氩参数有利于减少钢液吸氮。

图2 吹氩时间及吹氩流量对增氮量的影响Fig.2 Effect of argon blowing time and flow rate on nitrogen increment

通过改善钢包透气性，优化过程吹氩搅拌工艺，钢包漏气率由优化前的48%降至5%，过程吹氩流量控制在150～250 L/min，确保钢液面裸露面积不超过350 cm2，软吹氩流量以钢液面不裸露为准，钢液增氮量较优化前降低了3.4 ppm。

3.7 喂钙线控制

按照工艺要点要求，为减低钢水氧含量，过程[Als]要求控制在300～400 ppm，进站[O]较高时，铝脱氧剂用量也随之升高，过程[Als]最高时可达600 ppm，终点[Als]要求控制在250～350 ppm，为减少Al2O3夹杂，需要喂入一定量的钙线。有关分析表明，钙线中氮含量约为0.556%。实际生产数据表明，进行钙处理炉次平均增氮量为20.94 ppm，与未进行钙处理炉次平均增氮量17.68 ppm相比增加3.26 ppm，增幅达到18.44%，说明喂钙线过程也是LF增氮的重要原因之一(见表4)。

表4 喂钙线对增氮量的影响

通过优化转炉吹炼工艺，出钢前向渣面加入适量焦丁进行预脱氧，氩站加入适量渣洗料，优化钙线喂入工艺，降低了LF精炼过程脱氧负担，平均钙线喂入量较优化前减少了约75 m，节省了钙线用量及脱氧用铝量，钢液平均增氮量由优化前的4.23 ppm降至2.76 ppm，改善了钢水质量，降低了生产成本。

3.8 补加合金量控制

由表5知，大量补加合金会造成钢液大量吸氮，这是因为大量加入合金时钢液面裸露面积增加，同时为了促进合金熔化及钢液成分均匀，就需要使用较大的吹氩量及较长的吹氩时间以获得良好的搅拌效果，使得钢液与空气接触面积大、接触时间长，而且为了弥补加入合金的温降还需要增加加热时间，又进一步促进了钢液吸氮。通过加强转炉合金工合金化知识培训，促进了合金加入量准确率的提高，LF精炼补加合金量由优化前的1.3吨降至0.45吨，平均钢液增氮量减少了1.9 ppm。

表5 补加合金量对增氮量的影响

3.9 工艺优化前后LF精炼过程增氮变化

由表6可知，经过优化后，钢液平均增氮量由优化前的16.8 ppm降至9.4 ppm，降低了7.2 ppm，降幅达到42.86%，效果十分明显，铸坯氮合格率由优化前的35%增加至97%，减少了不合格钢坯量，降低了生产成本。

表6 工艺优化前后LF过程增氮变化

4 结论

(1)LF精炼兑入连铸浇余有利于快速形成泡沫渣，减少钢液吸氮，但兑入浇余会引起钢液增硅，且循环次数增加会引发炉渣变稀，对控氮不利。因此综合考虑控硅与控氮，浇余循环利用一次效果比较好，与不兑入浇余相比，钢液平均增氮量降低12.6 ppm，降幅达到了65.28%，效果显著。

(2)通过合理控制转炉终点，优化LF埋弧、加热、吹氩、窄成分控制、喂线等工艺参数，能够显著降低钢液吸氮量，优化后平均钢液吸氮量由优化前的16.8 ppm降至9.6 ppm，钢坯氮合格率由优化前的35%提高至97%，降低了成本。