510 L汽車(chē)大梁鋼LF精煉氮含量控制分析與應(yīng)用

張苓志 郭永謙 李志廣 劉海強(qiáng)

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

510 L汽車(chē)大梁鋼LF精煉氮含量控制分析與應(yīng)用

張苓志 郭永謙 李志廣 劉海強(qiáng)

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

介紹了安鋼第二煉軋廠采用鐵水預(yù)處理→BOF→LF→CC 的工藝路線生產(chǎn)510 L汽車(chē)大梁鋼中的氮含量情況及LF精煉過(guò)程增氮的原因。結(jié)果表明，LF加熱時(shí)間、埋弧效果、鋼包底吹氬等操作是鋼水增氮的主要原因。提出了LF精煉過(guò)程控制措施，通過(guò)合理控制加熱時(shí)間、加強(qiáng)埋弧操作、穩(wěn)定吹氬等措施，可控制氮含量≤50×10-6，滿足510 L汽車(chē)大梁鋼對(duì)氮的控制要求。

汽車(chē)大梁鋼 LF精煉 控制鋼水增氮 工藝實(shí)踐

0 前言

510 L汽車(chē)大梁鋼主要用于制造汽車(chē)縱梁、橫梁、加強(qiáng)梁、油箱掛梁、槽鋼或矩形管、橋殼、保險(xiǎn)桿等構(gòu)件，該鋼種要求具有足夠的強(qiáng)韌性、良好的耐疲勞性、冷成型性和焊接性能，因此對(duì)雜質(zhì)元素含量要求嚴(yán)格。鋼中[N]易與鋼中的[Al]、[Ti]等元素形成夾雜物簇群，影響鋼的抗疲勞性能。氮含量高還會(huì)使鋼材產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)效，降低鋼的成形性及高溫韌性和塑性[1]。因此，必須嚴(yán)格控制鋼中氮含量。安鋼第二煉軋廠雙流板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的510 L汽車(chē)大梁鋼，由于LF精煉過(guò)程鋼水增氮明顯，易造成氮含量超標(biāo)，影響產(chǎn)品性能穩(wěn)定。為此，分析LF精煉工序增氮原因，確定減少鋼水增氮的措施，對(duì)提高安鋼汽車(chē)用鋼產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

1 510 L煉鋼生產(chǎn)工藝狀況及氮含量控制水平

1.1 煉鋼工藝狀況

當(dāng)前安鋼510 L的工藝路線：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐吹煉→LF精煉→雙流板坯連鑄。

主要裝配包括2座165 t鐵水脫硫預(yù)處理設(shè)施、3座150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、3座150 t LF精煉爐、兩臺(tái)兩機(jī)兩流板坯連鑄機(jī)。

1.2 氮含量控制水平

為調(diào)查氮含量實(shí)際控制水平，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤一個(gè)澆次15爐510 L汽車(chē)大梁鋼的生產(chǎn)，并在工藝過(guò)程的5個(gè)工序節(jié)點(diǎn)(轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)、氬站、LF精煉進(jìn)站、LF精煉上鋼、連鑄)分別取餅樣，再將餅樣加工成Ф5 mm圓棒試樣，用惰性氣體脈沖紅外熱導(dǎo)法分析試樣中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同一工序取15爐氮含量的平均值，繪制成氮含量變化趨勢(shì)。煉鋼過(guò)程氮含量變化如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，安鋼510 L成品氮含量較高，實(shí)際控制在60 ppm～70 ppm。轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程氮含量平均增加4 ppm，連鑄過(guò)程氮含量平均增加5 ppm，而LF精煉過(guò)程氮含量平均增加35 ppm。精煉過(guò)程增氮量明顯高于出鋼及連鑄過(guò)程增氮量，說(shuō)明安鋼510 L增氮行為主要發(fā)生在LF精煉過(guò)程，是關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。

圖1 煉鋼工序節(jié)點(diǎn)氮含量變化

2 LF精煉增氮原因分析

2.1 鋼水吸氮的理論基礎(chǔ)

2.1.1 吸氮熱力學(xué)

煉鋼溫度下，氮溶解在鋼中[2]。氮在鋼液中的溶解服從平方根定律，溶解反應(yīng)為：

1/2N2=[N]

(1)

△Gθ=3602+23.86T(J/ mol)

(2)

(3)

從式(3)可以看出，影響氮在鋼液中溶解度的因素有4個(gè)：溫度T、氮分壓、鋼液中合金元素的含量和氮的活度相互作用系數(shù)。溫度越高，鋼液中氮的溶解度越高，氮分壓越高，鋼液中氮的溶解度越高。在煉鋼溫度下，鋼液中的氮含量遠(yuǎn)未達(dá)到平衡值，所以大氣下煉鋼，鋼液會(huì)自發(fā)吸氮。

2.1.2 吸氮?jiǎng)恿W(xué)

煉鋼過(guò)程中吸氮為液相傳質(zhì)-界面反應(yīng)混合控制[3]，鋼液吸氮為鋼液傳質(zhì)控制，為一級(jí)反應(yīng)，其表示式為：

d[N]dτ=k1FV([N]1-[N])

(4)

式(4)中,[N]1—與氮分壓平衡的鋼液中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ；

V —鋼液體積，m3；

F —鋼液表面積，m2；

k1—吸氮速度常數(shù)，m/s 。

鋼液中的氧、硫含量能夠影響氮的傳質(zhì)系數(shù)，氧、硫含量越高，值越低。

2.2 送電加熱時(shí)間的影響

鋼液的裸露是LF精煉增氮的直接原因[4]。LF送電時(shí)，在電極電弧作用下，鋼液表面會(huì)形成沖擊凹坑，凹坑部位由于電弧直接加熱，鋼液溫度超過(guò)2 300 ℃，在氮分壓一定時(shí)，溫度越高，鋼液中的溶解度也越高。在高溫下，氧、硫?qū)@部分鋼液的表面活性作用消失，在氮分壓一定時(shí)，溫度越高，鋼液中的溶解度也越高，只要鋼液有裸露就會(huì)吸氮。加熱時(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知在LF加熱送電過(guò)程中，增氮量與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系。因此，在加熱過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)埋弧操作，早造泡沫渣，同時(shí)保持爐內(nèi)微正壓氣氛，以避免鋼液裸露。

圖2 加熱時(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系

2.3 鋼包底吹氬的影響

LF精煉過(guò)程中，吹氬攪拌起到強(qiáng)化鋼水流動(dòng)、均勻成分和溫度、去除夾雜物的作用，但過(guò)大的吹氬量會(huì)造成鋼液大面積的裸露，造成鋼液自發(fā)吸氮。在加熱過(guò)程中，若氬氣流量控制不合理，增氮尤其嚴(yán)重。同樣，吹氬時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成鋼水增氮。吹氬流量和吹氬時(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。

圖3 吹氬流量與鋼水增氮量的關(guān)系

圖4 吹氬時(shí)間與鋼水增氮量的關(guān)系

2.4 510 L鋼種成分對(duì)增氮的影響 氮元素在鋼中的溶解度與鋼種成分有關(guān)，見(jiàn)式(3)[5]。

由式(3)可知，C、Mn、Si、P、S元素有利于降低氮在鋼中的溶解度，即這些元素含量越高，氮的溶解度越低。Al、Nb、Ti等元素易與N形成氮化物和碳氮化物，使得空氣中的氮較易進(jìn)入鋼液中，造成鋼中氮含量升高。510 L屬于低碳鋼，為保證鋼材綜合性能，成分設(shè)計(jì)要求P、S元素含量低，冶煉過(guò)程中添加Al、Nb、Ti等元素，造成了該鋼種更易增氮，增加了控氮難度。

3 改進(jìn)措施及實(shí)施效果

3.1 合理控制除塵閥門(mén)開(kāi)口度

精煉前期，由于需要加入大量渣料，爐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，在保持爐內(nèi)微正壓操作情況下，適度調(diào)大除塵管道閥門(mén)開(kāi)口度；在精煉中、后期，爐內(nèi)產(chǎn)生煙氣較少，這時(shí)要將除塵閥門(mén)開(kāi)口度盡量調(diào)小，保證爐內(nèi)微正壓；軟攪拌時(shí)關(guān)閉除塵閥門(mén)，減少空氣吸入爐內(nèi)。試驗(yàn)表明合理控制除塵閥門(mén)開(kāi)口度，可減少精煉過(guò)程增氮10 ppm以上。

3.2 加強(qiáng)埋弧造渣操作

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，LF精煉過(guò)程中由于渣層薄，電極送電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大噪音，說(shuō)明埋弧效果不好。為此在冶煉該鋼種時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高精煉造渣量，把合成精煉劑用量由原來(lái)的0.9 kg/t·鋼，提高到1.5 kg/t·鋼。操作工根據(jù)渣況，可適時(shí)調(diào)整渣料用量，以保證埋弧效果。

3.3 減少精煉持續(xù)送電時(shí)間

為減少LF精煉爐的加熱送電時(shí)間，降低精煉爐的升溫負(fù)擔(dān)，著重優(yōu)化了生產(chǎn)流程，強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐—連鑄機(jī)的匹配，杜絕轉(zhuǎn)爐提前甩鋼；同時(shí)提高轉(zhuǎn)爐出鋼溫度10 ℃～20 ℃，加強(qiáng)鋼包熱周轉(zhuǎn)，減少鋼包溫降，規(guī)范操作工操作行為，合理控制生產(chǎn)節(jié)奏，使精煉加熱總時(shí)間控制在10 min以內(nèi)。

3.4 改進(jìn)吹氬操作

轉(zhuǎn)爐出鋼后，鋼包坐到LF處理工位，先開(kāi)通底吹氬破渣，流量為800 NL/min，待渣殼破開(kāi)，立即將氬氣調(diào)至200 NL/min，期間，嚴(yán)禁開(kāi)旁通大氬氣攪拌；精煉前期送電升溫時(shí)，氬氣流量控制在200 NL/min～300 NL/min；精煉中期，造渣埋弧良好，調(diào)整氬氣流量400 NL/min～500 NL/min，加強(qiáng)鋼水脫氧脫硫和合金化；精煉后期，為防止鋼液裸露、促進(jìn)夾雜物的上浮，氬氣調(diào)至軟攪拌狀態(tài)，以鋼液面微微波動(dòng)為準(zhǔn)。

3.5 采取措施后的效果

通過(guò)在LF精煉過(guò)程中采取上述措施，鋼水增氮量得到有效地控制。工藝優(yōu)化后34 144澆次連續(xù)5爐510 L氮含量過(guò)程變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可看出，LF精煉過(guò)程增氮量可以控制在10 ppm以內(nèi)，鑄坯成品氮含量控制在50 ppm以下。

圖5 過(guò)程氮含量控制情況

4 結(jié)語(yǔ)

(1)安鋼510L汽車(chē)大梁鋼生產(chǎn)過(guò)程中，鋼液增氮行為主要發(fā)生在LF精煉，LF精煉增氮的主要受鋼包底吹氬、送電加熱時(shí)間、埋弧造渣等因素的影響。

(2)通過(guò)對(duì)LF精煉過(guò)程控氮工藝進(jìn)行優(yōu)化，LF精煉平均增氮量由優(yōu)化前的38 ppm降低為優(yōu)化后的10 ppm以內(nèi)。

[1] 李晶.LF精煉技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009:73-74.

[2] 陳稼祥.煉鋼常用圖標(biāo)數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

[3] 蔣國(guó)昌.純凈鋼及二次精煉[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1996:268.

[4] 高德勝，楊森祥，李桂軍.LF精煉過(guò)程氮含量控制技術(shù)與實(shí)踐[J].煉鋼，2012(2):14-16

[5] 陳稼祥.鋼鐵冶金學(xué)(煉鋼部分)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990:90-91.

ANALYSIS AND APPLICATION OF NITROGEN REGULATION IN 510L BEAM STEEL IN LF PROCESS

Zhang Lingzhi Guo Yongqian Li Zhiguang Liu Haiqiang

(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

The content of nitrogen and the reason of nitrogen absorption in 510L beat steel by the processing route of Hot Metal Pretreatment→BOF→LF→CC are introduced in NO.2 steel Making and Rolling Plant of Anyang Steel。The results show that main reasons of the nitrogen absorption are LF heating time、operating、ladle bottom argon blowing process factors. By adoption of such a few measures as manipulating the submerged arc more care-fully ,regulating the heating level more appropriately and stabilizing argon blow nitrogen pickup in refining ,the nitrogen content is controlled down to 50×10-6,,meets the requirements of 510L beam steel on nitrogen content.

beam steel LF refining control of Nitrogen pick-up in molten steel process practice

2016-10-29

*聯(lián)系人：張苓志，助理工程師，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠；