LF精煉控氮工藝研究

劉鵬舉，李肖德

（河鋼唐鋼新區，河北 唐山 063000）

河鋼唐鋼新區投產以來，N含量長期偏高，嚴重影響了鑄坯質量。目前，普遍認為LF增氮的原因是電弧區增氮、鋼液與大氣接觸，原材料中的氮。針對熱軋事業部精煉車間鋼包增氮嚴重的情況，通過對LF工序SPHC鋼種的各個環節進行分析研究，制定出不同的對比方案，通過現場試驗得到的數據分析，制定規范操作，取得了良好的控氮結果。

1 N在鋼中的危害

除了在少量鋼種中，N能提高鋼的強度，塑性、耐磨性和改善鋼的焊接性能外，N在大部分鋼水中作為雜質元素存在。

氮的存在會降低了鋼的韌性和塑性，引起鋼的時效硬化，即鋼的強度、硬度隨時間的推移而增大，而塑性則有所下降。

氮的存在會造成鋼的藍脆、冷脆。即淬火鋼在250℃～400℃回火后，塑韌性下降，鋼呈現為藍色。

氮和氫綜合作用，促使鎮靜鋼錠產生中心疏松或形成顯微孔隙，產生發紋和和皮下氣泡，影響鋼的焊接性能、熱加工性能、深沖性能，甚至造成鑄坯開裂及引起晶間腐蝕所以，現在大多高等級鋼種對鋼中的氮含量有嚴格的要求[1]。

2 實驗設計

實驗在300t鋼包精煉LF爐內進行，鋼水裝入量在250t左右。由于影響LF工序增氮的因素較多，故設計了不同的實驗方案，整個實驗在同一班組，由同一精煉工進行冶煉，除了設計方案的不同外，其他因素保持一致。實驗分三個階段進行，及在前一個方案成立后進行下一個。試驗設計如下表1～表3所示。

表1 不同的造渣方案設計

表2 不同的給電方案設計

表3 不同的吹氬方案設計

3 實驗結果分析與討論

所有實驗方案的鋼種都是SPHC，每個實驗方案進行多個爐次進行，從中選取除控制因素不同外，其他因素都相同的4個爐次進行分析[2]。

3.1 實驗數據收集

表4 不同的造渣方案增氮量

表5 不同的給電方案增氮量

表6 不同的吹氬方案增氮量

3.2 結果分析與討論

3.2.1 不同的造渣方案對增氮量的影響

圖1 不同的造渣方案對增氮量的影響

對比方案1、方案3、方案5，對于回澆余爐次，造渣料超過1200KG后，對增氮無明顯影響。

對比方案2、方案4、方案6，對于無澆余回收爐次，隨著造渣料增加，增氮量逐漸減小。

對比方案1和方案2、方案3和方案4、方案5和方案6，回澆余爐次增氮量明顯小于不回澆余爐次。

3.2.2 不同的給電方案增氮量的影響

圖2 不同的給電方案增氮量的影響

當化渣后，電壓和電流較大時，增加電壓和電流對增氮量無影響。當電壓檔位超過5之后，增加電壓和電流，增氮量明顯增加。

3.2.3 不同的吹氬方案增氮量的影響

圖3 不同的吹氬方案增氮量的影響

當靜吹氬氣小于150NL/min時，流量大小對增氮無影響。當流量到達2000NL/min時，增當量有1×10-6增加到2×10-6。

3.3 結果討論

為了保障LF良好的脫氧脫硫效果，LF精煉整個冶煉過程在微正壓情況下進行操作，但無法避免從鋼包與爐蓋接觸部位，觀察孔部位等吸入空氣。特別是后期，鋼液面裸漏就有可能增氮。而造渣料的多少影響著渣層的厚度，對著整個冶煉過程埋弧效果、避免鋼液裸漏起著決定性作用。隨著造渣料的增加，渣層加厚，增強了給電埋弧效果和避免鋼液與空氣接觸，故可以降低鋼液的增氮量。

氮氣在鋼液中的溶解反應為：

氮溶解反應常數與溫度的關系為：

式中，a，b為兩個常數。

當溫度升高時，K值增大，鋼液中氮的溶解度亦增加，故電極區增氮嚴重。

化渣后，高電壓檔位和高電流檔位（即小電壓，小電流）會導致鋼液增氮加劇。由于LF處于非完全封閉的狀態，加熱過程中，氣氛中的氮氣會有部分被電離，在電弧的作用下，容易被鋼水吸收，造成鋼液吸氮。高功率給電，減少給電時間，降低電弧電離增氮的機會。低功率加熱，導致給電時長增加，增大了鋼液吸氮的幾率。在滿足埋弧條件下，應盡量加大給電時的電壓和電流，避免長時間給電。

對于脫氧完全并鈣處理后的鋼水，在氬氣流量小于150NL/min時，由于鋼渣的覆蓋作用，吹氬時無鋼水裸漏，故基本上無增氮現象。但氬氣大于2000NL/min時，由于攪拌作用加大，導致偶爾有鋼水裸漏，會造成鋼液吸氮。

4 結論

（1）造渣料的多少與增氮量的大小有比較密切的關系，對精煉工序對氮含量起決定性作用。精煉采用澆余回收機制，可以明顯降低鋼種氮的增加量。無澆余爐次，隨著造渣物料加入量的增加，增氮量減少。

（2）化渣后，小電壓，小電流會導致鋼液增氮加劇。在滿足埋弧條件下，應盡量增加給電時的電壓和電流檔位。

（3）靜吹時，氬氣流量較小時，小范圍增加氬氣流量，對氮含量無影響。