轉(zhuǎn)爐吹煉末鋼中氮的控制

轉(zhuǎn)爐吹煉末鋼中氮的控制

對于許多鋼類，氮元素降低了鋼的剛性和焊接性能，應(yīng)盡量去除鋼。在鐵水預(yù)處理階段,通過添加由鈦渣和Na2CO3組成的脫氮?jiǎng)┛梢詮蔫F水中脫除60%左右的氮,但是Na2CO3的使用會(huì)帶來設(shè)備腐蝕等問題,目前已經(jīng)很少被采用。在二次精煉階段,LF精煉過程由于在電弧區(qū)發(fā)生N2分解而使鋼水增氮,RH真空精煉過程能夠脫去鋼水中一部分氮,但是當(dāng)鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.004%時(shí),脫氮效果不顯著。因此冶煉低氮鋼種時(shí),轉(zhuǎn)爐吹煉過程是控制鋼中氮含量最重要的環(huán)節(jié)。在普通吹煉模式下,吹煉初期和中期鋼中的氮含量都會(huì)降低,特別是在吹煉中期,由于劇烈的脫碳反應(yīng)和大量CO氣體的生成,脫氮效果更顯著。但是當(dāng)進(jìn)入吹煉末期,由于CO氣體生成速度降低和鋼中氮的活度系數(shù)變小,會(huì)使鋼水增氮,增加的氮主要來源于大氣或底吹氮?dú)?。因?在轉(zhuǎn)爐吹煉末期為防止鋼水增氮,通常采用的方法有吹煉末期或者吹煉全程吹氬﹑阻止鋼水與大氣接觸的吹煉末期造泡沫渣和吹煉終點(diǎn)爐內(nèi)正壓法等。1吹煉過程中鋼中各微量元素的含量氮在鋼水中的溶解服從Sieverts定律,溶解反應(yīng)及無限稀薄溶液條件下的溶解反應(yīng)平衡常數(shù)分別如式(1)和式(2)所示。N2/2=[N](1)lgK=lg([100w(N)])/PN2/P0??????√=?518/T?1.063(2)lgΚ=lg([100w(Ν)])/ΡΝ2/Ρ0=-518/Τ-1.063(2)式(1)和(2)中,w(N)為液態(tài)鐵中的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;K為溶解反應(yīng)平衡常數(shù);PN2為液態(tài)鐵-氣相平衡體系中的氮?dú)夥謮?Pa;P0為標(biāo)準(zhǔn)壓力(取101325Pa);T為溫度,K。由式(2)可見,溫度越高,氮分壓越高,鋼中氮的溶解度越高。圖1為轉(zhuǎn)爐吹煉過程中鋼中成分隨吹煉時(shí)間的變化。轉(zhuǎn)爐脫氮效果與吹煉過程的脫碳反應(yīng)息息相關(guān),脫碳反應(yīng)一般分為吹煉初期﹑中期和末期3步進(jìn)行。在吹煉前期和中期,由于脫碳反應(yīng)劇烈,CO生成量大,降低了爐內(nèi)氮?dú)夥謮?增大了氣-液間的比表面積。此外,由于在鋼水-氧氣界面溫度達(dá)到了2600℃左右,氧和硫等對鋼水中氮的影響消失,氮通過CO氣泡被除去。在吹煉末期,脫碳反應(yīng)速度降低,爐內(nèi)壓力小于爐外壓力,空氣侵入爐內(nèi),氮?dú)夥謮涸龃?增氮速度大于脫氮速度,導(dǎo)致鋼中增氮。因此,有必要在吹煉末期防止鋼水增氮。2汽車板鋼結(jié)構(gòu)脫氮技術(shù)通過一系列設(shè)備改造和技術(shù)革新,日本鋼廠的鋼中氮含量控制水平處于國際領(lǐng)先地位。新日鐵君津廠冶煉汽車板時(shí),轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)平均氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6×10-6,通過采用轉(zhuǎn)爐出鋼后防止增氮等措施,成品鋼中平均氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10×10-6以下。脫氮主要在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行。日本鋼廠轉(zhuǎn)爐吹煉低氮鋼技術(shù)主要由優(yōu)化底吹模式﹑促進(jìn)吹煉末期造泡沫渣﹑提高入爐鐵水比和控制吹煉終點(diǎn)爐內(nèi)正壓等方法構(gòu)成。2.1底吹氣力對鋼水的影響底吹氣體種類和流量直接影響轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)鋼中氮含量。圖2為神戶制鋼加古川廠測定的轉(zhuǎn)爐吹煉過程中底吹氣體種類對鋼中氮含量的影響。該底吹模式分為全程吹氬﹑吹煉末期氮?dú)迩袚Q和全程吹氮3種模式,在吹煉過程中逐級增加底吹供氣強(qiáng)度。由圖2可見,在吹煉初期與底吹氣體種類無關(guān),隨著吹煉的進(jìn)行氮含量降低,全程吹氬模式的脫氮速度稍大。在吹煉中期,全程底吹氬模式的鋼中氮含量隨著吹煉的進(jìn)行降低,但是其它兩種吹煉模式下的鋼中氮含量幾乎不變,這說明了基于CO氣泡的脫氮速度和基于底吹N2的增氮速度近于相等。在吹煉末期,全程吹氬模式和氮?dú)迩袚Q模式的鋼中氮含量能夠穩(wěn)定在低值,其中全程吹氬模式的鋼中w(N)最低,接近于0.001%。但是,全程吹氮模式的鋼中氮含量大幅升高,這說明了基于底吹N2的增氮量很大。在吹煉末期,碳含量的降低不僅導(dǎo)致了CO氣泡產(chǎn)生速度的降低,也會(huì)使鋼中氮活度系數(shù)的降低,這些都可能導(dǎo)致增氮。該廠的研究結(jié)果表明,轉(zhuǎn)爐吹煉超低氮鋼(w(N)≤15×10-6)時(shí)全程吹氬是非常必要的。住友金屬開發(fā)了基于優(yōu)化底吹供氣模式生產(chǎn)w(N)≤15×10-6鋼水的方法。該法應(yīng)用于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐,底吹氣體為Ar、CO、CO2和碳化氫的1種或者1種以上。該法通過生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)在滿足式(3)的條件下可以冶煉w(N)≤15×10-6的鋼水。如圖3所示,Q/V值控制在此范圍的目的是為了防止吹煉末期由空氣侵入引起的增氮和防止噴濺。0.002<Q/V<0.02(3)式(3)中,Q為底吹氣體流量,m3/s;V為轉(zhuǎn)爐內(nèi)體積,m3。轉(zhuǎn)爐內(nèi)體積V由式(4)計(jì)算。V=0.48×V0+5.15(4)式(4)中,V0為轉(zhuǎn)爐爐殼內(nèi)體積,m3。表1為鐵水初期成分及底吹供氣條件。由表1和圖3可見,吹煉終點(diǎn)w(C)=0.05%的鋼水時(shí),滿足式(3)條件下的鋼中w(N)=(5～13)×10-6,證實(shí)了底吹工藝優(yōu)化在生產(chǎn)超低氮鋼水時(shí)的重要性。2.2氣完全吐出至指定停止位轉(zhuǎn)爐吹煉末期開始,CO生成量降低,爐內(nèi)壓力可能小于爐外壓力。特別是在吹煉終點(diǎn),由于氧槍提槍的操作會(huì)引起空氣卷入,導(dǎo)致鋼水增氮。新日鐵名古屋廠開發(fā)了避免氧槍提槍過程中導(dǎo)致增氮的技術(shù)。該方法是在吹煉結(jié)束時(shí)關(guān)閉供氧末端閥門,當(dāng)氧槍中殘留氧氣完全吐出即壓力表值為零時(shí)提槍至指定停止位。該法使?fàn)t內(nèi)壓力大于爐外壓力,避免了提槍過程中導(dǎo)致的增氮。表2為該法的吹煉條件,圖4為該法生產(chǎn)應(yīng)用例。由表2和圖4可見,低氮吹煉模式下的頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉末期槍位為9.37m(鋼液面+2.0m),供氧結(jié)束后槍位保持不變,而頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐供氧結(jié)束后槍位提高0.3m,二者在供氧結(jié)束后大約20s時(shí)壓力表值顯示為0kg/m3,此時(shí)提槍至15.7m(鋼液面+8.33m),爐內(nèi)壓力能夠保持大于爐外壓力。對于圖4上部所示的普通吹煉模式,供氧結(jié)束后以24m/min的速度直接提槍至15.7m處,爐內(nèi)壓顯示低于爐外壓。通過對比,低氮吹煉模式下的終點(diǎn)w(N)<0.001%,而普通吹煉模式下的則w(N)>0.002%,證實(shí)了爐內(nèi)維持正壓對于防止吹煉終點(diǎn)增氮的重要性。2.3頂?shù)讖?fù)吹鋼水的制作吹煉末期造泡沫渣能夠阻斷鋼水與空氣的接觸,防止增氮。當(dāng)吹煉至w(C)<0.3%時(shí)容易發(fā)生增氮,因此有必要在w(C)>0.3%時(shí)造泡沫渣。JFE公司利用250t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐開發(fā)了在吹煉至w(C)≈0.5%時(shí)添加氧化鐵皮或者礦粉的方法冶煉終點(diǎn)w(N)<10×10-6的鋼水。轉(zhuǎn)爐入爐鐵水為三脫鐵水,頂吹氧氣,全程底吹A(chǔ)r,吹煉末期氧化鐵皮或者礦粉添加量為1～3kg/t。圖5為氧化鐵皮添加量為2kg/t時(shí)的鋼中成分(C和N)及溫度隨吹煉時(shí)間的變化。對比圖中所示的普通吹煉模式,添加氧化鐵皮的低氮吹煉模式能夠?qū)撝械|(zhì)量分?jǐn)?shù)降至15×10-6以下。新日鐵廣畑廠開發(fā)了在吹煉末期添加CaCO3造泡沫渣防止增氮的方法。該法在吹煉至80%時(shí)添加CaCO3使泡沫渣高度控制在爐口和出鋼口之間,從而達(dá)到阻斷鋼水與大氣接觸的作用。表3為100t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的鐵水初始成分及原輔料裝入條件,表4為吹煉終點(diǎn)鋼水成分和溫度。底吹氣體為CO2,流量為0.03～0.08m3/(t·min)。多爐次試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了吹煉末期添加石灰石能夠生產(chǎn)w(N)<10×10-6的鋼水。基于上述結(jié)果,吹煉末期添加鐵礦石和石灰石等造泡沫渣的方法能夠有效防止鋼水增氮,該方法普遍被國內(nèi)外鋼廠采用。2.4吹煉期泡沫渣高提高入爐鐵水比相當(dāng)于提高了鐵水中的碳含量,加劇碳氧反應(yīng)和增加CO的生成量,對吹煉中前期脫氮有利。新日鐵Hirohata廠調(diào)查了在吹煉末期泡沫渣高為4.5～8.0m條件下的入爐鐵水比與吹煉終點(diǎn)氮含量間的關(guān)系。在吹煉終點(diǎn)碳含量相同的條件下,入爐鐵水比越高氮含量越低。適當(dāng)增加入爐鐵水比對吹煉超低氮鋼也是一種有效的方法。3吹煉終點(diǎn)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比汽車板等高級鋼種一般要求轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)鋼中w(N)≤15×10-6。近年來,國內(nèi)鋼廠通過轉(zhuǎn)爐設(shè)備改造和工藝優(yōu)化等,轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量控制技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。例如首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司以前的吹煉終點(diǎn)鋼中平均w(N)≈17×10-6,通過采用吹煉末期添加鐵礦石造泡沫渣以及底吹工藝優(yōu)化等措施,目前吹煉終點(diǎn)鋼中平均w(N)≈13×10-6,達(dá)到冶煉汽車板鋼的要求。此外,在國內(nèi)先進(jìn)鋼廠中,寶山鋼鐵股份公司的轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)w(N)<13×10-6。圖6為國內(nèi)外鋼廠轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)鋼中碳含量和氮含量的關(guān)系。由圖6可見,對比日本先進(jìn)鋼廠,即使在吹煉工藝方面存在不同,目前N質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距在7×10-6以上。主要差距在于對轉(zhuǎn)爐吹煉過程中氮的反應(yīng)機(jī)理的理解﹑泡沫渣高度控制技術(shù)以及轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)控制技術(shù)等方面。開發(fā)吹煉末期造泡沫渣劑(鐵礦石和石灰石等)﹑微波法等泡沫渣高度控制技術(shù)﹑提高終點(diǎn)命中率的爐氣分析技術(shù)等都有利于進(jìn)一步提高氮含量控制水平。4吹煉超低氮鋼的控制要點(diǎn)基于對國內(nèi)外鋼廠轉(zhuǎn)爐