孔 為，宗燕兵，蒼大強(qiáng)

（1.北京科技大學(xué) 國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京100083；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083）

LF爐精煉是一種常用的鋼液二次精煉手段，在LF精煉的造渣精煉過(guò)程中，可以對(duì)鋼液進(jìn)行加熱、脫氧、脫硫、去夾雜及合金化[1]。在使用LF爐對(duì)抗酸管線鋼X65MS進(jìn)行深脫硫處理的時(shí)候，部分爐次出現(xiàn)LF處理結(jié)束時(shí)的碳及氮的成分增高較多的情況，甚至導(dǎo)致某些爐次的碳、氮成分超標(biāo)，造成斷澆、板坯單獨(dú)碼垛等嚴(yán)重情況。本文預(yù)對(duì)鋼液脫硫及增碳增氮的原理做細(xì)致分析，并提出一些切實(shí)可行的操作來(lái)優(yōu)化LF精煉工藝，從而防止LF精煉處理X65MS時(shí)的增碳及增氮，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行及板坯成品成分達(dá)標(biāo)。

1 LF精煉過(guò)程的鋼液脫硫及增碳增氮原理

1.1 LF精煉過(guò)程的鋼液脫硫原理

LF爐內(nèi)的脫硫反應(yīng)可由式（1）表示[2]：

硫在溶渣與鋼液間的平衡分配常數(shù)L s可由式（2）計(jì)算[3]：

式中，(%S)*及[%S]*分別為硫在熔渣及鋼液中的平衡濃度（%）；T為鋼液及熔渣的溫度（K），設(shè)為相同；Λ為熔渣的平均光學(xué)堿度；f s為熔渣的活度系數(shù)；a[o]為鋼液中氧的活度。

從式（2）中可看出溫度越高，硫在溶渣與鋼液中的分配比越大，更易于脫硫。且式（1）為吸熱反應(yīng)，高溫也利于反應(yīng)向正向進(jìn)行。高的光學(xué)堿度、高的熔渣活度系數(shù)及低的鋼液中氧活度更有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

一般認(rèn)為脫硫的限制性環(huán)節(jié)是硫離子在渣中的傳質(zhì)，由此脫硫反應(yīng)的速度可以表示為下式[3]：

式中，A為渣鋼間的界面積(m2)；Wm為鋼液的質(zhì)量(kg)；Ks為硫在溶渣中的傳質(zhì)系數(shù)；(%S)及[%S]分別為硫在熔渣及鋼液中的過(guò)程濃度(%)。

從式（3）中可看出盡可能的提高LF爐內(nèi)的氬氣攪拌強(qiáng)度以增大渣鋼間的接觸面積，提高硫在渣中的傳質(zhì)系數(shù)，可以加快脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

1.2 LF精煉過(guò)程的鋼液增碳原理

LF精煉過(guò)程的增碳主要是由用于加熱的電極中的碳擴(kuò)散到鋼液中所導(dǎo)致的。由于電極加熱過(guò)程中會(huì)使用短弧大電流的操作，鋼液表面與電極端部的距離較近，同時(shí)鋼包底部開(kāi)啟的底吹氬會(huì)造成鋼液面的波動(dòng)，使鋼液和電極直接接觸，從而導(dǎo)致鋼液增碳。另外由于熔渣及鋼液的沖刷等方面的原因?qū)е碌碾姌O本身的剝落也會(huì)使鋼液增碳。電極在鋼液中的溶解過(guò)程可解釋為致密固體在熔體中的溶解，可分為兩個(gè)基本步驟：在高溫下，C脫離固體晶格從晶格點(diǎn)陣轉(zhuǎn)變?yōu)镃原子進(jìn)入鋼液中；溶解的C原子通過(guò)邊界層向鋼液內(nèi)部傳輸，從而增加鋼液的整體碳含量。第一個(gè)步驟是界面反應(yīng)，其反應(yīng)速度可由活化能表示成溫度的函數(shù)，受熱力學(xué)參數(shù)溫度控制，溫度越高界面反應(yīng)越快，增碳量越大。第二個(gè)步驟是動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程。電極加熱區(qū)的鋼液溫度可達(dá)3000℃以上[4]，因此可認(rèn)為第二個(gè)步驟是鋼液增碳的控制性環(huán)節(jié)，即LF爐加熱過(guò)程電極周?chē)匿撘翰▌?dòng)越大，鋼液更新速度越快，鋼液增碳的趨勢(shì)就越大。另外LF處理的時(shí)間越短，鋼液增碳越輕，這就要求提高LF爐的到站溫度，盡早造渣，從而縮短處理時(shí)間。

1.3 LF精煉過(guò)程的鋼液增氮原理

如前所述LF爐電弧區(qū)的溫度可高于3000℃，這加速了氮?dú)馊苡阡撘旱谋砻婊瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程，這時(shí)空氣中氮?dú)鈺?huì)被電離為氮原子，氮原子融入鋼液并傳輸至鋼液內(nèi)部，整個(gè)反應(yīng)如式（4）所示[5]：

由式（4）可看出其標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能在LF精煉的溫度范圍內(nèi)小于零，因此此反應(yīng)是自發(fā)的，這是在LF精煉過(guò)程中鋼液容易增氮的主要原因。

氮在鋼液中的溶解度可表示為下式[6]：

式中，KN為式（4）的反應(yīng)平衡常數(shù)；fN為氮在鋼液中的活度系數(shù)；PN2為氮?dú)獾姆謮骸?/p>

由式（5）計(jì)算出在LF精煉條件下，鋼液中N的飽和含量可高于400×10-6，由此可見(jiàn)LF精煉的吸氮潛能是很大的。但是鋼液中氮含量想達(dá)到飽和含量還受動(dòng)力學(xué)條件的控制，式（4）中的鋼液吸氮反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)為液相側(cè)的N的傳質(zhì)，鋼液吸氮的速度可表示為式（6）[6]：

式中，KL為氮在鋼液中的傳質(zhì)系數(shù)；A為渣鋼間的界面積；V為鋼液的體積；[%N]i為L(zhǎng)F精煉初始時(shí)鋼液中氮的濃度。

由式（6）可知鋼液吸氮的速度主要由KL決定，影響KL的因素主要包括鋼液面的裸露面積、裸露鋼液面的沸騰程度及鋼液中的表面活性物質(zhì)成分等[7，8]。劇烈沸騰的裸露鋼液其吸氮的KL值是平靜時(shí)的5倍[7]；鋼液中的溶解氧及硫等表面活性物質(zhì)含量越低，KL的數(shù)值越高，即鋼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處理的時(shí)間越長(zhǎng)，鋼液的增氮會(huì)越嚴(yán)重，與抑制鋼液增碳類(lèi)似的，為抑制鋼液增氮同樣要求提高LF爐到站溫度，盡早造渣，從而縮短處理時(shí)間。

2 LF深脫硫處理X65MS下的抑制增碳增氮工藝

通過(guò)上述LF精煉的深脫硫及抑制增碳和增氮的原理分析，可得出它們的工藝控制條件，如表1所示。從中可看出要想對(duì)X65MS鋼種執(zhí)行好的深脫硫處理，勢(shì)必會(huì)提高其增碳及增氮的風(fēng)險(xiǎn)，即深脫硫與抑制鋼液增碳及增氮有著一定的工藝操作上的矛盾性。但X65MS鋼種的成品板坯要求硫含量≤10×10-6，對(duì)其來(lái)講深脫硫是LF爐處理的根本冶煉任務(wù)，因此就需要在保證LF精煉深脫硫的基礎(chǔ)上盡量?jī)?yōu)化工藝操作以抑制鋼液的增碳及增氮。下面將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件提供一些優(yōu)化的工藝操作方法。

表1 LF精煉的深脫硫及抑制增碳和增氮的工藝控制條件

2.1 LF深脫硫處理X65MS下的抑制增碳及增氮的優(yōu)化工藝控制策略

2.1.1 造渣分步控制

造渣前期的加熱過(guò)程使用較小的底吹氬流量，以渣面不劇烈翻動(dòng)露鋼液面為準(zhǔn)，僅保證鋼液整體溫度均勻便可，減少鋼液直接裸露而增氮的同時(shí)，降低了因鋼液沖刷電極而增碳的幾率。當(dāng)溫度升到滿足后續(xù)工序所需溫降要求的時(shí)候，這時(shí)確保渣料完全熔化，同時(shí)保證其溫度滿足脫硫所需的熱力學(xué)條件（≥1600℃），開(kāi)大氬氣流量進(jìn)行強(qiáng)攪拌，使渣鋼充分混合接觸，具備良好的深脫硫動(dòng)力學(xué)條件，在此期間禁止加熱，關(guān)閉除塵閥，使鋼包內(nèi)充滿氬氣維持微正壓，從而避免鋼液直接接觸空氣而吸氮。

圖1 CaO-SiO2-Al2O3三元渣系的相圖

2.1.2 優(yōu)化造渣成分

盡早化渣有利于縮短LF精煉的整體處理時(shí)間，從而有利于抑制鋼液增碳增氮。為實(shí)現(xiàn)快速化渣，需使LF精煉站的頂渣熔點(diǎn)盡量低，因此可在出鋼過(guò)程中加入一部分白灰、螢石及鋁礬土，將爐渣的成分調(diào)整到CaO-Al2O3-SiO2三元渣系的低熔點(diǎn)區(qū)，如圖1中區(qū)域1所示。LF爐造脫硫渣過(guò)程實(shí)際是CaO在已有熔渣中的溶解過(guò)程，因此在LF精煉電極加熱過(guò)程中加入合成渣、白灰及鋁粒（降低渣中氧勢(shì)），將溶渣調(diào)整至硫容較高的成分區(qū)域中，如圖1中區(qū)域2所示，此時(shí)的脫硫渣成分配比為CaO＞55%，SiO2＜7%，MgO為6%～9%，Al2O3為25%～30%，同時(shí)保證渣鋼配比為0.03左右，可將鋼液硫脫至10×10-6以下[9]。

值得注意的是出于安全考慮，加料系統(tǒng)設(shè)置了嚴(yán)格的連鎖條件，其中之一是皮帶運(yùn)行期間禁止備料，兩批料之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，在有限的造渣時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)“先加螢石及鋁礬土再加石灰及合成渣”的分步加料操作，因此如上文所述，在出鋼過(guò)程中先加入螢石、鋁礬土及部分白灰，在鋼包到站電極加熱過(guò)程中再進(jìn)一步加入合成渣及白灰。

2.1.3 使用LF-RH雙聯(lián)工藝冶煉X65MS

生產(chǎn)X65MS鋼種可使用RH-LF及LF-RH兩種雙聯(lián)工藝路線。與前者相比，后者具備如下優(yōu)點(diǎn)：可以在出鋼過(guò)程中脫氧，利用出鋼過(guò)程強(qiáng)大的攪拌能力進(jìn)行調(diào)合金操作，從而節(jié)約LF精煉過(guò)程中的多批次調(diào)合金時(shí)間，縮短LF整體精煉周期；如上文所述，可在出鋼過(guò)程中加入一定量的渣料，減少LF爐精煉過(guò)程的渣料加入時(shí)間及到站時(shí)的爐渣結(jié)殼情況，有利于早化渣及短時(shí)間內(nèi)造好脫硫渣，并可利用出鋼過(guò)程的攪拌能力對(duì)鋼液進(jìn)行一定程度的脫硫處理以減少LF精煉的脫硫壓力；由于沒(méi)有RH處理過(guò)程的溫降，從而提高了鋼包的到站溫度，利于緩解鋼渣結(jié)殼，降低整體造渣時(shí)間；可以充分利用RH真空脫氣能力，有效緩解LF精煉的增氮壓力。因此為抑制在LF精煉處理X65MS過(guò)程中的增碳增氮，使用LF-RH雙聯(lián)工藝是較為合適的。

2.2 優(yōu)化后的LF精煉工藝實(shí)踐效果

將前文2.1中所述的優(yōu)化工藝方法應(yīng)用在X65MS的LF精煉過(guò)程中，測(cè)得精煉過(guò)程中鋼液的硫、碳及氮的成分（3澆次平均值），并與前期未經(jīng)優(yōu)化的LF精煉工藝做對(duì)比，如表2所示。從表中可看出，優(yōu)化后的LF精煉工藝的深脫硫效果比較好，精煉結(jié)束時(shí)可以達(dá)到S≤10×10-6；且過(guò)程增碳及增氮都得到了較好的控制。

表2 LF精煉工藝優(yōu)化前后的X65MS成分

3 結(jié)論

LF精煉處理X65MS時(shí)，其深脫硫工藝與抑制增碳、增氮在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件上存在一定的矛盾；通過(guò)優(yōu)化LF精煉操作工藝，如造渣分布控制及優(yōu)化造渣成分，從而在保證良好的深脫硫條件的同時(shí)，達(dá)到有效抑制鋼液增碳及增氮的效果，優(yōu)化后LF精煉工藝可使X65MS鋼種在精煉過(guò)程中的增碳及增氮得到較好的控制。