劉曉峰 程 殿 杜亞偉

（1.重慶鋼鐵股份有限公司； 2.安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

抗震鋼筋鋼LF吹氮?dú)夂辖鸹に囇芯颗c應(yīng)用

劉曉峰1程 殿1杜亞偉2

（1.重慶鋼鐵股份有限公司； 2.安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

吹氮?dú)夂辖鸹且环N新型氮化合金技術(shù)。通過理論分析抗震鋼筋鋼鋼水吹氮?dú)夂辖鸹龅臒崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)影響因素，在重鋼80 t LF進(jìn)行吹氮?dú)夂辖鸹に嚞F(xiàn)場試驗(yàn)。提出了合理控制LF大流量吹氮?dú)馇暗匿撍疁囟?、氮?dú)饬髁俊⒋档獨(dú)鈺r(shí)間等工藝控制措施。實(shí)踐結(jié)果表明：抗震鋼筋鋼未加入任何含氮合金，經(jīng)LF吹氮?dú)夂辖鸹に嚭箐撍龅Ч己?，氮含量穩(wěn)定，鋼材力學(xué)性能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

抗震鋼筋鋼 LF 氮?dú)?合金化 實(shí)踐

0 前言

目前在抗震鋼筋鋼的生產(chǎn)中，主要微合金化方案有4種，分別是V、V－N、Nb和Ti微合金化，其它微合金化方案及復(fù)合微合金化方案均比較少見。從微合金化效果、經(jīng)濟(jì)性、工藝可靠性等方面綜合考慮，企業(yè)采用較多的微合金化方案大致順序?yàn)椋篤N、V、Nb、Ti［1］。 重慶鋼鐵股份公司煉鋼廠（以下簡稱重鋼）生產(chǎn)抗震鋼筋鋼主要采用釩微合金化工藝，較少地釩氮微合金化工藝也是采用釩鐵和氮化錳鐵配加N、V。

氮對(duì)微合金化鋼中的碳氮化物的析出起重要作用，尤其是在釩微合金化的鋼中，氮被認(rèn)為是一種有價(jià)值的合金化元素［1］。鋼中增氮，促進(jìn)了釩的析出，增強(qiáng)了釩的沉淀強(qiáng)化作用，明顯提高鋼的強(qiáng)度。因此，充分利用廉價(jià)而富有的氮元素，對(duì)提高釩微合金化鋼的性能，降低成本是非常有效的［2］。吹氮?dú)夂辖鸹鳛橐环N新型氮化合金技術(shù)，在爐外精煉裝備上應(yīng)用較多，LF、VD、RH等吹氮?dú)夂辖鸹に噰鴥?nèi)學(xué)者做過不少研究，但其氮含量控制精度差別較大［3－5］。 LF肩負(fù)著制造還原性氣氛、氣體攪拌、電極加熱、白渣精煉四大基本功能，它們相互影響，相互依存與相互促進(jìn)，決定了其生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性。在LF實(shí)施吹氮?dú)夂辖鸹に?，要?zhǔn)確地控制LF出站鋼水氮含量，難度較大。2015年3月開始，重鋼開始采用新釩氮微合金化技術(shù)在抗震鋼筋鋼進(jìn)行煉鋼試生產(chǎn)研究，該技術(shù)主要是采用吹氮?dú)馓娲ɑ虿糠痔娲┑i鐵，從而實(shí)現(xiàn)抗震鋼筋鋼合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化和成本的降低。

1 生產(chǎn)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)鋼種HRB400E，主要化學(xué)成分內(nèi)控要求見表1，共試驗(yàn)6爐。試驗(yàn)工藝路線：80 t BOF→LF→CC。LF主要性能參數(shù)見表2。

1.2 鋼液增氮理論

表1 試驗(yàn)鋼種HRB400E主要成分內(nèi)控要求

表2 LF主要性能參數(shù)

冶煉過程中氮的的溶解反應(yīng)［6］為：

KN——氮溶解的平衡常數(shù)；

PN2——氮在鋼液上的分壓，Pa；

fN——氮的活度系數(shù)；

［j］——各元素在鋼中的含量，%。

表3 1 600℃時(shí)鋼液中元素與［N］的活度相互作用系數(shù)

表3 1 600℃時(shí)鋼液中元素與［N］的活度相互作用系數(shù)

成分 C Si Mn P S Al Cr Nb V O含量，% 0.13 0.065 －0.02 0.05 0.013 0.006 －0.047 －0.067 －0.12 0.05

在常壓（PN2取0.79）、1 600 ℃時(shí)，根據(jù)表1、表3計(jì)算出鋼種成分控制中限時(shí)鋼液中的理論氮的溶解度為378×10－6，鋼種理論氮的溶解度大于鋼種標(biāo)準(zhǔn)氮含量要求。由此可見，在常壓下試驗(yàn)鋼種可通過吹氮?dú)膺M(jìn)行合金化實(shí)現(xiàn)氮控要求。

從式（1）可見，影響氮在鋼液中溶解度的因素主要有：溫度、氮分壓和鋼液中合金元素的含量與氮的活度相互作用系數(shù)。鋼液吸收氮?dú)獾姆磻?yīng)過程由3個(gè)環(huán)節(jié)組成，即氮?dú)庀蜾撘罕砻鏀U(kuò)散、氮原子被鋼液吸附、氮?dú)庠釉阡撘褐械臄U(kuò)散。鋼液吹氮?dú)鈺r(shí)，氮?dú)庀蜾撘罕砻鏀U(kuò)散并不顯著地影響它在鋼液中的溶解速率，而溶解過程受吸附化學(xué)反應(yīng)或吸附化學(xué)反應(yīng)和鋼液內(nèi)的傳質(zhì)所限制。

從表3 可以看出，鋼液中的［Cr］、［Mn］、［Nb］、［V］等合金元素可提高氮的溶解度，［C］、［O］、［Si］、［S］則降低氮的溶解度，［Ni］、［A1］等對(duì)氮的溶解度影響不大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)條件下，應(yīng)先在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行完Mn、V合金化后再進(jìn)行LF吹氮?dú)?，這樣有利于提高增氮速率。

對(duì)于N的傳質(zhì)系數(shù)可根據(jù)式（2）計(jì)算：

式中：［N］e——氮?dú)馀荼砻?N 濃度，mol／m3；

［N］0——鋼中原始［N］濃度，mol／m3；

［N］——實(shí)際 N 濃度，mol／m3；

ρFe——鋼液密度，kg／m3；

A——傳質(zhì)面積，m2；

Rm——傳質(zhì)系數(shù)，單位；

W——鋼液質(zhì)量，kg；

t——時(shí)間，s。

吹氮?dú)鈺r(shí)間是鋼液增氮的動(dòng)力學(xué)主要控制因素。氮?dú)饬髁侩m然不直接影響鋼液的吸氮速度，但是它卻影響著鋼液的攪拌強(qiáng)度和鋼液中氮?dú)馀莸膹浬⒊潭?，顯然鋼液中氮?dú)馀莸膹浬⒊潭仍礁?，則氮?dú)馀c鋼液的界面就越大，那么鋼液吸氮的速度也就越大。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)前期現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)論［7－8］，結(jié)合抗震鋼筋鋼化學(xué)成分優(yōu)化現(xiàn)狀，本次試驗(yàn)6爐。其中按氮化錳鐵2 kg／t加入 4爐，1.5 kg／t加入 2爐。 LF 吹氮?dú)鈺r(shí)間（43±2）min共3爐，（30±2）min共3爐，試驗(yàn)方案見表4。在鋼水進(jìn)LF、大流量吹氮?dú)馇昂蠛弯撍稣緯r(shí)分別進(jìn)行測溫、取氣體樣記錄并對(duì)其進(jìn)行分析，同時(shí)記錄各階段氮?dú)饬髁亢痛档獨(dú)鈺r(shí)間。氣體樣為截取“球拍樣”致密圓柱部分，并將其加工成直徑為5 mm圓柱試樣，供TCH－600氧／氮分析儀測定氮含量。

表4 LF吹氮?dú)夂辖鸹囼?yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

LF吹氮?dú)夂辖鸹に?爐鋼的增氮數(shù)據(jù)見表5。基于試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)LF吹氮?dú)夂辖鸹绊懙孔兓闹饕蛩剡M(jìn)行討論分析。

表5 HRB400E鋼種LF吹氮?dú)夂辖鸹囼?yàn)結(jié)果

2.1 氮?dú)饬髁颗c增氮速率的關(guān)系

試驗(yàn)過程LF吹氮?dú)饬髁颗c吹氬氣相同，氮?dú)鈮毫?.4 MPa～1.8 MPa，吹氮?dú)饬髁颗c鋼水增氮速率關(guān)系見表6。

表6 LF吹氮?dú)饬髁颗c增氮速率的關(guān)系

從表6可以看出，LF吹氮?dú)饬髁吭酱?，鋼水增氮速率也越快，鋼水增氮量也越大。LF吹氮?dú)夂辖鸹囼?yàn)爐次第1次大流量吹氮?dú)馕俾矢哂诘?次，這與前期鋼水的氮含量較低有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，保持足夠的底吹氮?dú)饬髁浚ā?5 m3／h），發(fā)揮出LF最大攪拌能力和氮?dú)馀莸膹浬⒊潭?，提高鋼液中氮?dú)馀c鋼液反應(yīng)界面，可以在短時(shí)間內(nèi)提高鋼水中的氮含量。

2.2 鋼水溫度與增氮速率的關(guān)系

在氮?dú)饬髁肯嘟闆r下，大流量吹氮?dú)忾_始鋼水溫度與增氮速率情況如圖1所示。

圖1 LF大流量吹氮?dú)忾_始溫度與增氮速率的關(guān)系

從圖1可以看出，LF大流量吹氮?dú)忾_始溫度與增氮速率呈正相關(guān)關(guān)系。1 560℃時(shí)，鋼水的增氮速率為 4.27×10－6／min，1 590 ℃時(shí)，鋼水的增氮速率達(dá)到8.49×10－6／min，提高了接近 2倍。 大流量吹氮?dú)馇颁撍疁囟仍礁?，鋼水的增氮效果越明顯，增氮速率越快。LF大流量吹氮?dú)馇颁撍疁囟仍? 580℃～1 600℃，可以將鋼水的增氮速率穩(wěn)定在 6×10－6／min以上。

2.3 吹氮?dú)鈺r(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系

受生產(chǎn)組織影響，試驗(yàn)爐次吹氮?dú)鈺r(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 LF吹氮?dú)鈺r(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系

從圖2可以看出，延長吹氮?dú)鈺r(shí)間有利于鋼水增氮。受轉(zhuǎn)爐煉鋼和連鑄生產(chǎn)節(jié)奏等諸多條件的限制，LF吹氮?dú)夂辖鸹瘯r(shí)間必然受到限制。為了有效控制鋼水的增氮量，LF吹氮?dú)鈺r(shí)間控制在40 min～60 min之間比較合適。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)研究，從2017年5月中旬開始，LF吹氮?dú)夂辖鸹に囋谥劁摽拐痄摻钿撋a(chǎn)中全面應(yīng)用，目前已經(jīng)生產(chǎn)500多爐。LF生產(chǎn)抗震鋼筋鋼過程溫度按現(xiàn)有制度執(zhí)行，鋼包氮?dú)鈮毫?.4 MPa～2.0 MPa，合金化和脫硫階段氮?dú)饬髁?5 m3／h～60 m3／h，時(shí)間 4 min～ 5 min，其余時(shí)間氮?dú)饬髁? m3／h～10 m3／h，LF 吹氮?dú)鈺r(shí)間 40 min～60 min。表7為8爐大生產(chǎn)抗震鋼筋鋼LF吹氮?dú)夂辖鸹撍龅闆r，其中4爐氮化錳鐵 加入量按1.5 kg／t控制，其余4爐未加入氮化錳鐵。

表7 8爐大生產(chǎn)抗震鋼筋鋼LF吹氮?dú)夂辖鸹Ч?/p>

從表7可以看出，煉鋼過程中加氮化錳鐵的爐次和未加氮化錳鐵的爐次，LF全程吹氮?dú)舛寄苓_(dá)到一定的增氮量，出LF鋼水增氮量穩(wěn)定在40×10－6以內(nèi)，增氮效果良好。

通過跟蹤鋼材的軋制性能，未加入任何含氮合金，僅經(jīng)LF吹氮?dú)夂辖鸹目拐痄摻钿?，軋制?guī)格為Φ18 mm～Φ25 mm，鋼材的力學(xué)性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 1499.2—2007）的要求。

4 結(jié)論

1） LF 吹氮?dú)饬髁繛?55 m3／h～60 m3／h 時(shí)，鋼水的增氮速率為（5～6）×10－6／min；LF 吹氮?dú)饬髁繛?8 m3／h～10 m3／h 時(shí)，鋼水的平均增氮速率為0.95×10－6／min。

2）LF大流量吹氮?dú)馇颁撍疁囟仍? 580℃～1 600℃，可以將鋼水的增氮速率穩(wěn)定在6×10－6／min以上。

3）LF吹氮?dú)鈺r(shí)間按40 min～60 min控制，有利于氮含量的穩(wěn)定控制。

4）LF全程吹氮?dú)夂辖鸹鯨F鋼水增氮含量穩(wěn)定在40×10－6以內(nèi)，增氮效果良好。

5）實(shí)踐結(jié)果表明，抗震鋼筋鋼未加入任何含氮合金，經(jīng)LF吹氮?dú)夂辖鸹に嚭箐撍脑龅Ч己?，氮含量穩(wěn)定，鋼材的力學(xué)性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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STUDY AND APPLICATION OF LF BLOWING NITROGEN ALLOYING PROCESS FOR EARTHQUAKE RESISTANT STEEL

Liu Xiaofeng1Cheng Dian1Du Yawei2
（1.Chongqing Iron and Steel Company Limited；2.Anyang Iron and Steel Group Co.， Ltd）

Blowing nitrogen alloying is a new kind of nitriding alloy technology.Through theoretical analysis of influen?cing factors of thermodynamics and kinetics of aseismic reinforcement steel grade blowing nitrogen alloying nitriding， by blo?wing nitrogen alloying process field test in CISC 80 t LF is carried out in Chongqing Steel.Nitrogen flow rate and blowing time before controlling LF large flow rate blowing nitrogen are put forward.The practice results show that the nitrogen free alloy is not added to the anti－seismic steel bar， the nitrogen adding effect is good after the LF blowing nitrogen alloying process， and the nitrogen content is stable， the mechanical properties of the steel could meets the requirments of national standard as well.

earthquake resistant steel LF nitrogen alloying practice

聯(lián)系人：杜亞偉，工程師，河南.安陽（455004），安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心長材產(chǎn)品研究室；

2017—7—10