抗震鋼筋鋼LF吹氮氣合金化工藝研究與應用

劉曉峰 程 殿 杜亞偉

（1.重慶鋼鐵股份有限公司； 2.安陽鋼鐵集團有限責任公司）

抗震鋼筋鋼LF吹氮氣合金化工藝研究與應用

劉曉峰1程 殿1杜亞偉2

（1.重慶鋼鐵股份有限公司； 2.安陽鋼鐵集團有限責任公司）

吹氮氣合金化是一種新型氮化合金技術。通過理論分析抗震鋼筋鋼鋼水吹氮氣合金化增氮的熱力學和動力學影響因素，在重鋼80 t LF進行吹氮氣合金化工藝現場試驗。提出了合理控制LF大流量吹氮氣前的鋼水溫度、氮氣流量、吹氮氣時間等工藝控制措施。實踐結果表明：抗震鋼筋鋼未加入任何含氮合金，經LF吹氮氣合金化工藝后鋼水增氮效果良好，氮含量穩定，鋼材力學性能夠滿足國家標準。

抗震鋼筋鋼 LF 氮氣 合金化 實踐

0 前言

目前在抗震鋼筋鋼的生產中，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合微合金化方案均比較少見。從微合金化效果、經濟性、工藝可靠性等方面綜合考慮，企業采用較多的微合金化方案大致順序為：VN、V、Nb、Ti［1］。 重慶鋼鐵股份公司煉鋼廠（以下簡稱重鋼）生產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，氮被認為是一種有價值的合金化元素［1］。鋼中增氮，促進了釩的析出，增強了釩的沉淀強化作用，明顯提高鋼的強度。因此，充分利用廉價而富有的氮元素，對提高釩微合金化鋼的性能，降低成本是非常有效的［2］。吹氮氣合金化作為一種新型氮化合金技術，在爐外精煉裝備上應用較多，LF、VD、RH等吹氮氣合金化工藝國內學者做過不少研究，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，決定了其生產工藝的復雜性。在LF實施吹氮氣合金化工藝，要準確地控制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在抗震鋼筋鋼進行煉鋼試生產研究，該技術主要是采用吹氮氣替代（或部分替代）氮化錳鐵，從而實現抗震鋼筋鋼合金結構優化和成本的降低。

1 生產試驗

1.1 試驗條件

試驗鋼種HRB400E，主要化學成分內控要求見表1，共試驗6爐。試驗工藝路線：80 t BOF→LF→CC。LF主要性能參數見表2。

1.2 鋼液增氮理論

表1 試驗鋼種HRB400E主要成分內控要求

表2 LF主要性能參數

冶煉過程中氮的的溶解反應［6］為：

KN——氮溶解的平衡常數；

PN2——氮在鋼液上的分壓，Pa；

fN——氮的活度系數；

［j］——各元素在鋼中的含量，%。

表3 1 600℃時鋼液中元素與［N］的活度相互作用系數

表3 1 600℃時鋼液中元素與［N］的活度相互作用系數

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，根據表1、表3計算出鋼種成分控制中限時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準氮含量要求。由此可見，在常壓下試驗鋼種可通過吹氮氣進行合金化實現氮控要求。

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。鋼液吸收氮氣的反應過程由3個環節組成，即氮氣向鋼液表面擴散、氮原子被鋼液吸附、氮氣原子在鋼液中的擴散。鋼液吹氮氣時，氮氣向鋼液表面擴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反應或吸附化學反應和鋼液內的傳質所限制。

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］等對氮的溶解度影響不大。因此，在實際生產條件下，應先在轉爐進行完Mn、V合金化后再進行LF吹氮氣，這樣有利于提高增氮速率。

對于N的傳質系數可根據式（2）計算：

式中：［N］e——氮氣泡表面 N 濃度，mol／m3；

［N］0——鋼中原始［N］濃度，mol／m3；

［N］——實際 N 濃度，mol／m3；

ρFe——鋼液密度，kg／m3；

A——傳質面積，m2；

Rm——傳質系數，單位；

W——鋼液質量，kg；

t——時間，s。

吹氮氣時間是鋼液增氮的動力學主要控制因素。氮氣流量雖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度和鋼液中氮氣泡的彌散程度，顯然鋼液中氮氣泡的彌散程度越高，則氮氣與鋼液的界面就越大，那么鋼液吸氮的速度也就越大。

1.3 試驗方案

根據前期現場試驗結論［7－8］，結合抗震鋼筋鋼化學成分優化現狀，本次試驗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 吹氮氣時間（43±2）min共3爐，（30±2）min共3爐，試驗方案見表4。在鋼水進LF、大流量吹氮氣前后和鋼水出站時分別進行測溫、取氣體樣記錄并對其進行分析，同時記錄各階段氮氣流量和吹氮氣時間。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吹氮氣合金化試驗方案

2 試驗結果與分析

LF吹氮氣合金化工藝6爐鋼的增氮數據見表5。基于試驗結果，針對LF吹氮氣合金化影響氮含量變化的主要因素進行討論分析。

表5 HRB400E鋼種LF吹氮氣合金化試驗結果

2.1 氮氣流量與增氮速率的關系

試驗過程LF吹氮氣流量與吹氬氣相同，氮氣壓力1.4 MPa～1.8 MPa，吹氮氣流量與鋼水增氮速率關系見表6。

表6 LF吹氮氣流量與增氮速率的關系

從表6可以看出，LF吹氮氣流量越大，鋼水增氮速率也越快，鋼水增氮量也越大。LF吹氮氣合金化試驗爐次第1次大流量吹氮氣吸氮速率高于第2次，這與前期鋼水的氮含量較低有關。試驗結果表明，保持足夠的底吹氮氣流量（≥55 m3／h），發揮出LF最大攪拌能力和氮氣泡的彌散程度，提高鋼液中氮氣與鋼液反應界面，可以在短時間內提高鋼水中的氮含量。

2.2 鋼水溫度與增氮速率的關系

在氮氣流量相近情況下，大流量吹氮氣開始鋼水溫度與增氮速率情況如圖1所示。

圖1 LF大流量吹氮氣開始溫度與增氮速率的關系

從圖1可以看出，LF大流量吹氮氣開始溫度與增氮速率呈正相關關系。1 560℃時，鋼水的增氮速率為 4.27×10－6／min，1 590 ℃時，鋼水的增氮速率達到8.49×10－6／min，提高了接近 2倍。 大流量吹氮氣前鋼水溫度越高，鋼水的增氮效果越明顯，增氮速率越快。LF大流量吹氮氣前鋼水溫度在1 580℃～1 600℃，可以將鋼水的增氮速率穩定在 6×10－6／min以上。

2.3 吹氮氣時間與鋼水增氮量的關系

受生產組織影響，試驗爐次吹氮氣時間與鋼水增氮量的關系如圖2所示。

圖2 LF吹氮氣時間與鋼水增氮量的關系

從圖2可以看出，延長吹氮氣時間有利于鋼水增氮。受轉爐煉鋼和連鑄生產節奏等諸多條件的限制，LF吹氮氣合金化時間必然受到限制。為了有效控制鋼水的增氮量，LF吹氮氣時間控制在40 min～60 min之間比較合適。

3 生產應用

根據試驗研究，從2017年5月中旬開始，LF吹氮氣合金化工藝在重鋼抗震鋼筋鋼生產中全面應用，目前已經生產500多爐。LF生產抗震鋼筋鋼過程溫度按現有制度執行，鋼包氮氣壓力1.4 MPa～2.0 MPa，合金化和脫硫階段氮氣流量55 m3／h～60 m3／h，時間 4 min～ 5 min，其余時間氮氣流量8 m3／h～10 m3／h，LF 吹氮氣時間 40 min～60 min。表7為8爐大生產抗震鋼筋鋼LF吹氮氣合金化鋼水增氮情況，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爐大生產抗震鋼筋鋼LF吹氮氣合金化效果

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全程吹氮氣都能達到一定的增氮量，出LF鋼水增氮量穩定在40×10－6以內，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LF吹氮氣合金化的抗震鋼筋鋼，軋制規格為Φ18 mm～Φ25 mm，鋼材的力學性能符合國家標準（GB 1499.2—2007）的要求。

4 結論

1） LF 吹氮氣流量為 55 m3／h～60 m3／h 時，鋼水的增氮速率為（5～6）×10－6／min；LF 吹氮氣流量為 8 m3／h～10 m3／h 時，鋼水的平均增氮速率為0.95×10－6／min。

2）LF大流量吹氮氣前鋼水溫度在1 580℃～1 600℃，可以將鋼水的增氮速率穩定在6×10－6／min以上。

3）LF吹氮氣時間按40 min～60 min控制，有利于氮含量的穩定控制。

4）LF全程吹氮氣合金化，出LF鋼水增氮含量穩定在40×10－6以內，增氮效果良好。

5）實踐結果表明，抗震鋼筋鋼未加入任何含氮合金，經LF吹氮氣合金化工藝后鋼水的增氮效果良好，氮含量穩定，鋼材的力學性能符合國家標準的要求。

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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

聯系人：杜亞偉，工程師，河南.安陽（455004），安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心長材產品研究室；

2017—7—10