張伯影1，田博涵，魏光升

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

氮元素對(duì)鋼材的塑性及焊接性能有較大影響，會(huì)導(dǎo)致鋼材的老化，降低其使用壽命，如表1所示為各鋼種成品的氮含量控制要求[1-2]；在電弧爐煉鋼流程中，由于其原料、工藝及設(shè)備特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)低氮鋼生產(chǎn)；本文針對(duì)現(xiàn)代電弧爐煉鋼典型流程：EAF+LF+VD/RH+CC，跟蹤分析各工位產(chǎn)品氮含量變化，剖析實(shí)際操作或技術(shù)對(duì)鋼液氮含量的影響，并提出相應(yīng)技術(shù)對(duì)鋼液中氮含量進(jìn)行控制，以提高電爐鋼質(zhì)量，增強(qiáng)電爐鋼的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 電爐鋼氮含量變化機(jī)理

1.1 增氮機(jī)理

1.1.1 電弧電離空氣中的氮?dú)?/p>

電弧爐及LF爐利用電弧對(duì)鋼液加熱，電弧溫度高達(dá)6 000 ℃，在電弧的高溫作用下，空氣中的氮?dú)夥肿影l(fā)生電離，此時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：

電弧電離氮?dú)猓篘2→N+N

(1)

表1 各鋼種成品氮含量控制要求 10-6

氮原子進(jìn)入鋼液：N→[N]

(2)

最終，被電離的[N]在裸露區(qū)域進(jìn)入鋼液，從而導(dǎo)致鋼液含氮量升高。

在電弧爐煉鋼流程中一般通過(guò)造泡沫渣覆蓋減少電弧裸露，降低氮?dú)獾碾婋x效應(yīng)；國(guó)外有學(xué)者通過(guò)向電弧區(qū)噴吹甲烷等，吸附氮原子，有效降低了鋼液氮含量[3]。

1.1.2 氮?dú)馊芙膺M(jìn)入鋼液

在電弧鋼冶煉流程中，鋼液不可避免地與氮?dú)饨佑|，從而導(dǎo)致氮?dú)馊芙膺M(jìn)入鋼液中，成為自由氮，其反應(yīng)過(guò)程見式(1)、式(2)，其溶解度遵循西華特定率：

(3)

(4)

(5)

鋼液中不同元素對(duì)氮的溶解度有不同的作用，Zr、Ti、Nb、V、Cr等元素可以增加氮的溶解度。而C、Si、O、S等元素則會(huì)降低氮的溶解度；值得注意的是O和S作為鋼液中的界面活性元素，會(huì)影響鋼液與空氣界面的反應(yīng)進(jìn)行，對(duì)鋼液吸氮與脫氮反應(yīng)的進(jìn)行均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)作用[4]。

表2 鋼液中不同元素與氮的相互作用系數(shù)(1 873 K)

在電弧爐煉鋼流程中，一般通過(guò)優(yōu)化控制電弧爐、LF爐的底吹工藝，減少鋼液裸露；降低環(huán)境氮?dú)夥謮?，加?qiáng)電弧爐爐門管理，減少爐門進(jìn)風(fēng)以及對(duì)脫氧、真空后、澆鑄等工段的鋼液進(jìn)行保護(hù)操作等一系列的工藝來(lái)防止此類增氮。

1.1.3 冶煉原料帶入鋼液

電弧爐冶煉鋼液中的總含氮量很大一部分是由冶煉原料帶入的，表3所示為電弧爐一般冶煉原料中的氮含量。

表3 電弧爐一般冶煉原料中的氮含量 %

在精煉過(guò)程中，需要對(duì)鋼液進(jìn)行成分微調(diào)和合金化；此時(shí)，需要向鋼液中投入合金料和造渣劑，如表4所示為精煉過(guò)程輔料的氮含量，該部分輔料同樣會(huì)增加鋼液氮含量。

表4 精煉過(guò)程輔料的氮含量 %

廢鋼氮含量差異巨大，為降低鋼中氮含量，應(yīng)當(dāng)對(duì)鋼鐵原料進(jìn)行優(yōu)化選擇，合理的廢鋼處理是減少電爐鋼氮含量的有效措施。對(duì)各種輔料則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行等級(jí)管理，按照鋼種的氮要求，選擇合適的輔料種類。一般建議使用數(shù)據(jù)庫(kù)和配料模型進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.2 脫氮機(jī)理

在電弧爐煉鋼流程中，鋼液脫氮主要通過(guò)真空處理或鋼液中氣泡上浮帶出實(shí)現(xiàn)(見圖1)；真空處理通過(guò)降低氮分壓，促使鋼液中的自由氮逸出；而Ar/CO氣泡的偽真空效應(yīng)使得鋼液中的自由氮進(jìn)入被上浮帶出(因?yàn)镺和S的存在，導(dǎo)致Ar氣泡的脫氮效力十分有限)。

圖1 鋼液脫氮機(jī)理

2 電弧爐煉鋼流程氮含量變化及分析

圖2為電弧爐煉鋼各工位產(chǎn)品氮含量的變化示意圖，本章針對(duì)各工位氮含量變化進(jìn)行分析，對(duì)其內(nèi)部機(jī)理開展研究，剖析實(shí)際操作或技術(shù)對(duì)鋼液氮含量的影響，并展現(xiàn)出電弧爐煉鋼流程中的控氮技術(shù)發(fā)展方向。

圖2 電弧爐煉鋼各工位產(chǎn)品氮含量變化示意圖

2.1 EAF工位氮含量變化分析

如圖3所示，在電弧爐工位，增氮過(guò)程主要發(fā)生在廢鋼開始熔化和出鋼時(shí)；而脫氮過(guò)程主要發(fā)生在熔清升溫期。

(A)引弧穿井期;(B)熔化期，開始形成熔池;(C)熔化期，爐料全部熔化;(D)熔清升溫期，開始加熱到脫碳前;(E)熔清升溫期，發(fā)生劇烈碳氧反應(yīng)脫碳;(F)升溫達(dá)到出鋼溫度;(G)出鋼，加合金;(H)鋼水進(jìn)入大包。圖3 電弧爐生產(chǎn)工位鋼中氮含量變化

在廢鋼熔化期(B段)鋼液與電弧皆暴露在空氣中，氮?dú)庖匀芙饣虮浑娀‰婋x的方式大量進(jìn)入鋼液；康斯迪電弧爐采用平熔池操作，使鋼液面和電弧始終處于泡沫渣的覆蓋之下，有效防止與空氣接觸，所以抑制鋼液吸氮效果良好。研究結(jié)果表明：和傳統(tǒng)的頂裝料工藝相比，康斯迪工藝生產(chǎn)鋼的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)要低15×10-6。

在出鋼時(shí)(E段)，電弧爐熔池中發(fā)生劇烈的碳氧反應(yīng)，生成大量CO氣泡，使得鋼中氮含量快速下降；在熔清升溫期(G段)，出鋼過(guò)程鋼液吸氮,氮含量可達(dá)(5～10)×10-6。一方面則是由于鋼流直接裸露在空氣中，溶解氮?dú)庠斐稍龅?；另一方面是合金料帶入大量氮元素。針?duì)于此，電弧爐出鋼過(guò)程應(yīng)當(dāng)優(yōu)化合金料的投入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出鋼，保證鋼流集中不分散。

國(guó)內(nèi)電弧爐鋼企出鋼鋼水氮含量大致在(40～80)×10-6，表5所示為國(guó)內(nèi)部分鋼企的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可見頂加料電弧爐進(jìn)行全廢鋼冶煉會(huì)造成鋼水氮含量高的不利影響，而采用康斯迪電爐與配加鐵水則可以有效降低鋼水氮含量。

表5 部分鋼企電弧爐出鋼氮含量

2.2 LF工位氮含量變化分析

在LF工位，增氮過(guò)程主要發(fā)生在鋼液進(jìn)站前期，如表6所示[5]，其主要增氮單元操作機(jī)理為：

(1)LF爐需要進(jìn)行大功率的攪拌，鋼液裸露在空氣及電弧作用下；

(2)加入各種合金料和造渣劑，溶解氧含量降低，此時(shí)大量增氮。

LF進(jìn)站冶煉后期，尤其是喂線后至出LF階段，鋼液面被精煉渣所覆蓋，不再加入新的入爐料，也不需要進(jìn)行大攪拌，幾乎不增氮。

表6 LF單元操作增氮效果 10-6

鋼國(guó)內(nèi)電弧爐鋼企在LF工位的增氮量基本控制在(10～30)×10-6；部分企業(yè)通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，包括加強(qiáng)埋弧操作，改進(jìn)底吹氬制度，控制加熱制度及配料制度等措施，將增氮量穩(wěn)定控制在10×10-6以下[6]。

2.3 真空處理工位氮含量變化分析

針對(duì)電弧爐煉鋼流程，其真空處理工位一般為VD/RH；一般而言，VD動(dòng)力學(xué)條件不如RH，其處理時(shí)間也要更長(zhǎng)，但其脫氮機(jī)理相同，主要是通過(guò)真空實(shí)現(xiàn)，其影響因素有以下幾點(diǎn)：

(1)鋼中氮含量隨著真空處理壓力下降而減少，見圖4；

(2)由于溶解氧含量已小于5×10-6，已經(jīng)很難再對(duì)脫氮產(chǎn)生影響；

(3)脫氮效果與鋼液中[S]含量相關(guān)(真空處理前[N]保持在50×10-6)，隨著[S]升高，脫氮效果隨之降低，見圖5。

圖4 真空處理過(guò)程氮分壓與鋼中氮含量關(guān)系

圖5 真空處理過(guò)程脫氮率與鋼中硫含量關(guān)系

在真空處理過(guò)程中，吹氬量同樣有助于鋼液脫氮，根據(jù)德國(guó)DHS公司的數(shù)據(jù)，在10 Pa的氬氣注入下進(jìn)行15 min的真空處理，滿足w([O])≤20×10-6，w([S])≤100×10-6，w([N])≥50×10-6的進(jìn)站鋼液可達(dá)到50%的脫氮率[7]。而國(guó)內(nèi)電弧爐鋼企在不進(jìn)行合金加料操作時(shí)也可以達(dá)到這一水平。

但是實(shí)際上，國(guó)內(nèi)電弧爐鋼企真空處理工位的脫氮率一般在20%～30%，甚至存在不減反增的情況，可能原因有：

(1)工藝操作不足，部分國(guó)內(nèi)企業(yè)真空度較高，處理時(shí)間不足。

(2)部分鋼企在真空處理工位會(huì)繼續(xù)加入合金料與脫氧劑，從而帶入氮元素。

(3)真空后保護(hù)不足，導(dǎo)致處理后鋼液與空氣接觸，大量吸氮。

2.4 連鑄工位氮含量變化分析

進(jìn)入連鑄工位的鋼液氮含量很低，其增氮的主要因素是鋼液與空氣接觸?，F(xiàn)代生產(chǎn)流程采用保護(hù)澆注，在鋼包到中間包間采用長(zhǎng)水口，在其連接處采用氬氣氣封，中間包到結(jié)晶器間采用浸入式水口并投入中間包覆蓋劑與結(jié)晶器保護(hù)渣，極大地減少了鋼液吸氮?，F(xiàn)代連鑄工位防止鋼液吸氮的關(guān)鍵在于細(xì)節(jié)操作，要盡可能的防止鋼液與空氣接觸，可采取以下措施：

(1)在開澆時(shí)排盡中間包內(nèi)的空氣；

(2)進(jìn)行中間包氬封并保證連鑄時(shí)鋼包的自動(dòng)開澆。

國(guó)內(nèi)鋼企基本上普及了長(zhǎng)水口鋼液保護(hù)裝置并加入氬氣保護(hù)裝置，對(duì)中間包進(jìn)行氬封，連鑄工位密閉性得到了極大地提高，可以保證連鑄工位增氮量在10×10-6以下，部分生產(chǎn)低氮鋼的鋼企可以將其控制在3×10-6左右。

3 電弧爐煉鋼控氮技術(shù)新進(jìn)展

對(duì)電弧爐煉鋼流程各工序控氮工藝和氮含量數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，一般全廢鋼電弧爐煉鋼流程，很難實(shí)現(xiàn)w(N)<45×10-6鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)，電弧爐煉鋼流程中的控氮潛力主要在電弧爐工位。

而隨著鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展，用戶對(duì)鋼材質(zhì)量要求日益提高，低氮鋼(如IF鋼)對(duì)氮含量的要求達(dá)到30×10-6以下，現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿足先進(jìn)鋼種生產(chǎn)的需求，極大影響了電弧爐煉鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；本章針對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀，介紹了一些實(shí)用的先進(jìn)控氮技術(shù)，展示了電弧爐冶煉低氮鋼生產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展方向。

3.1 電弧爐煉鋼流程原輔料優(yōu)化

向電弧爐中配加低氮原料，例如DRI，HBI等，可以有效降低入爐料的總含氮量，繼而降低鋼液中的含氮量；向電弧爐中配加生鐵塊或鐵水，不僅具有氮含量低的特點(diǎn)，而且可以向熔池中提供了大量的碳，產(chǎn)生大量CO氣泡，大量脫氮，同時(shí)產(chǎn)生了大量的泡沫渣覆蓋鋼液，既降低了鋼液中的氮含量又抑制了鋼液吸氮；如圖6所示為某廠85 t電弧爐在不同原料結(jié)構(gòu)下入爐料的總含氮量(該廠生產(chǎn)低碳鋼，冶煉噴碳量為10 kg/t，耗氧量為20 m3/t。如圖7所示為某廠90 t 康斯迪電弧爐鐵水加入量對(duì)鋼中氮含量的影響[8]。

圖6 不同原料結(jié)構(gòu)下入爐料的總含氮量

圖7 電弧爐鐵水加入量對(duì)鋼液氮含量的影響

國(guó)內(nèi)電弧爐鋼企一般沒有高爐與直還鐵生產(chǎn)設(shè)備，外購(gòu)這些原料又面臨著巨大的成本壓力；針對(duì)于此，研究人員開發(fā)出電弧爐用鐵碳球團(tuán)，其成分及性質(zhì)如表7所示；相較生鐵塊與鐵水，鐵碳球團(tuán)含碳量更高，能夠更加有效地向熔池增碳并促進(jìn)爐渣發(fā)泡，實(shí)現(xiàn)快速造渣，降低電弧爐鋼液氮含量；而在鐵碳球團(tuán)的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了高溫烘干，大大降低了鐵碳球團(tuán)中氮與其他有害元素的含量，對(duì)電弧爐生產(chǎn)低氮鋼十分有利。

表7 鐵碳球團(tuán)成分及性質(zhì)

國(guó)內(nèi)部分鋼企在電弧爐出鋼及精煉過(guò)程加料粗放，大量浪費(fèi)合金料與脫氧劑，同樣使得大量氮元素進(jìn)入鋼水；建立智能化配料系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各種原輔料進(jìn)行等級(jí)管理(見圖8)，按照鋼種的氮要求，選擇合適的原輔料種類并對(duì)電弧爐冶煉原輔料加入量進(jìn)行精確計(jì)算，避免大量氮元素隨之進(jìn)入鋼液，已成為當(dāng)務(wù)之急。

圖8 原料管理及智能配料平臺(tái)

3.2 電弧爐泡沫渣優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的電弧爐泡沫渣技術(shù)包括爐門噴碳技術(shù)，渣面加焦技術(shù)等；但是，這些技術(shù)造渣速度慢，對(duì)鋼液攪拌效果差，碳粉利用率低，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)造渣時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)控制，并不能很好地抑制電弧爐冶煉增氮現(xiàn)象。

北京科技大學(xué)開發(fā)的熔池內(nèi)碳粉噴吹技術(shù)[9]，如圖9所示，該技術(shù)將碳粉直接噴入鋼液內(nèi)部，避免了碳與爐內(nèi)高溫?zé)煔夂腿墼难趸磻?yīng)，顯著提高了碳粉利用率；同時(shí)，良好的熔池?cái)嚢杓铀倭颂挤墼阡撘簝?nèi)均勻彌散，提高了熔池滲碳效率，增強(qiáng)熔池內(nèi)的碳氧反應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)快速造渣；從而可以有效實(shí)現(xiàn)鋼液中氮元素的脫除并防止?fàn)t內(nèi)氮?dú)馔ㄟ^(guò)電弧電離或溶解的方式進(jìn)入鋼液中。

圖9 不同加入方式下碳利用率(碳加入量10 kg/t 鋼)

相關(guān)研究表明，采用大功率供電，令鋼水短時(shí)間內(nèi)快速升溫，可以有效減少電弧電離增氮的機(jī)會(huì)，但是如果泡沫渣造得不好 ,大功率供電時(shí)的高溫渣就會(huì)更易吸氮[10]；大功率供電操作必須配合電弧爐供氧快速造渣技術(shù)，北京科技大學(xué)對(duì)電弧爐不同時(shí)段的冶煉要求進(jìn)行分析計(jì)算，確定不同時(shí)段的冶煉參數(shù)，開發(fā)出電弧爐冶煉模塊化控制技術(shù)(見圖10)，實(shí)現(xiàn)電弧爐煉鋼集成控制，使電弧爐供電供氧與造渣技術(shù)相匹配，成為實(shí)現(xiàn)電弧爐生產(chǎn)低氮鋼種的重要環(huán)節(jié)[11]。

圖10 電弧爐煉鋼集成控制方案

3.3 電弧爐底吹攪拌優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的電弧爐底吹技術(shù)采用氬氣作為底吹氣，脫氮效果差，針對(duì)于此，研究人員研發(fā)了電弧爐CO2-Ar動(dòng)態(tài)底吹技術(shù)及系統(tǒng)(見圖11)；二氧化碳在高溫下具有弱氧化性，相較于傳統(tǒng)的氬氣底吹技術(shù)，CO2可與鋼液中的碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量彌散均勻的CO氣泡，擁有更強(qiáng)的攪拌及脫氮能力，同時(shí)有助于熔渣快速發(fā)泡，從而抑制鋼液的吸氮反應(yīng)，可以極大地降低終點(diǎn)鋼液氮含量[12]，如圖12所示為不同底吹介質(zhì)條件下鋼液氮含量變化。

圖11 電弧爐CO2-Ar動(dòng)態(tài)底吹系統(tǒng)

圖12 不同底吹介質(zhì)條件下鋼液氮含量變化

4 結(jié) 論

(1)在電弧爐煉鋼流程中，氮主要通過(guò)三種方式進(jìn)入鋼液中，即電弧電離空氣中的氮?dú)?、氮?dú)馊芙膺M(jìn)入鋼液以及冶煉原料帶入鋼液；鋼液脫氮主要通過(guò)真空處理及氣泡上浮帶出的方式。

(2)在電弧爐煉鋼流程中，LF和連鑄工位只要采用合適工藝，可將增氮量分別控制在10 ×10-6和3×10-6以下；真空處理工位只要注意處理后防護(hù)，脫氮率可達(dá)到30%左右。

(3)一般全廢鋼電弧爐煉鋼流程，很難實(shí)現(xiàn)w(N)<45×10-6鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)；電弧爐煉鋼流程中的控氮潛力主要在電弧爐工位。

(4)采用電弧爐用鐵碳球團(tuán)，建立智能化配料系統(tǒng)，推廣熔池內(nèi)碳粉噴吹技術(shù)與電弧爐CO2-Ar動(dòng)態(tài)底吹技術(shù)及系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)電弧爐控氮，對(duì)電弧爐冶煉低氮鋼有重要意義。