260 t轉(zhuǎn)爐高廢鋼比條件下成品氮含量的控制

齊志宇，毛志勇，王鵬，張相春，趙小野，王一名

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

近年來，綠色發(fā)展成為鋼鐵行業(yè)提升綜合競爭力與生存能力的主要方向[1]。轉(zhuǎn)爐冶煉時，入爐主要原材料之一的廢鋼具有清潔、低碳、可循環(huán)、低成本等諸多優(yōu)點，能夠大幅度降低環(huán)境污染和綜合能耗，有利于提高鋼鐵企業(yè)的社會、環(huán)保和經(jīng)濟效益。

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠（以下簡稱“四分廠”）有3座260 t轉(zhuǎn)爐。為了提高產(chǎn)能，減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn)成本，2021年1月開始，轉(zhuǎn)爐采用高廢鋼比冶煉，廢鋼比從之前的160 kg/t提升至200 kg/t以上，結(jié)果成品氮含量超過0.005 0%的比率大幅度增加。氮在絕大多數(shù)鋼中被視為一種有害元素，即使鋼中殘留氮很少，也會與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工，顯著降低鋼的韌性和塑性；當(dāng)鋼中殘留氮較高時，會導(dǎo)致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡，使鑄坯開裂[2-3]，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。含氮較高的鑄坯需要下線清角，不僅增加勞動強度，還會造成后道工序待料，影響軋制的連續(xù)性。因此，四分廠對轉(zhuǎn)爐冶煉過程中影響成品氮含量的因素進行了分析，對高廢鋼比條件下的冶煉工藝進行了優(yōu)化，最終實現(xiàn)了成品氮含量的穩(wěn)定控制。

1 煉鋼工藝條件

四分廠生產(chǎn)鋼種復(fù)雜，其中IF鋼種占年產(chǎn)量的30%～40%，其工藝路線為：鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐冶煉-RH精煉-板坯連鑄。復(fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)見表1，鐵水條件見表2，廢鋼種類主要為普通廢鋼、重型廢鋼、渣鋼、生鐵塊和粒鐵。

表1 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)Table 1 Technique Parameters for Top-bottom Combined Blowing Converter

表2 鐵水條件Table 2 Conditions for Hot Metal

2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程中影響成品氮含量因素分析

2.1 入爐原材料變化

轉(zhuǎn)爐入爐主要原料為鐵水、廢鋼和熔劑。提高廢鋼比以后，原料中增加了提溫劑，提高了輕型廢鋼、重型廢鋼和生鐵塊的用量，其他入爐原材料未變，入爐原料氮含量見表3。由表3看出，提溫劑氮含量高達0.65%，另外由于輕型廢鋼等用量的增加，入爐原料的氮含量也有所增加。

表3 入爐原料氮含量Table 3 Content of Nitrogen in Raw Materials Charged into Converter %

除了氮，提溫劑還主要含85.2%的碳和0.28%的硫，提溫劑使用前后轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量變化見圖1。當(dāng)提溫劑加入量為4～8 kg/t時，冶煉終點氮含量平均為0.002 1%，比不加提溫劑時平均增加0.000 7%。

圖1 提溫劑使用前后轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量的變化Fig.1 Changes in Content of Nitrogen in Molten Steel at End of Blowing in Converter before and after Adding Heating Agent

2.2 廢鋼量及結(jié)構(gòu)種類

對提高廢鋼比后的27爐轉(zhuǎn)爐終點氮含量進行檢測，并與常規(guī)廢鋼比操作對比分析。廢鋼比提高前后轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量的變化如圖2所示，由圖2可以看出，氮含量從平均0.002 1%提高到0.003 8%，最高為0.005 5%。分析認(rèn)為，廢鋼量增加、廢鋼比提高以后，造成過程溫度偏低，爐內(nèi)溫度梯度小，前中期廢鋼熔化極為緩慢或者不能完全熔化。吹煉后期溫度提高以后，隨著溫度梯度的增加，廢鋼逐漸熔化，此時，碳氧反應(yīng)逐漸減弱，廢鋼內(nèi)氮排出量大大降低，造成后期鋼液增氮。

圖2 廢鋼比提高前后轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量的變化Fig.2 Changes in Content of Nitrogen in Molten Steel at End of Blowing in Converter before and after Increasing Scrap Ratio

另外，當(dāng)生鐵塊不能熔化時，抬槍以后常伴隨冶煉終點爐內(nèi)劇烈反應(yīng)，或者出鋼搖爐過程中爐內(nèi)繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，此時爐內(nèi)鋼水面裸露，與空氣接觸面積增大導(dǎo)致吸氮，同時生鐵硫含量高導(dǎo)致鋼水增硫，硫為表明活性物質(zhì)，阻止鋼水中氮的 排出，使氮滯留在鋼液中。

2.3 氧氣純度

工業(yè)生產(chǎn)實踐表明，當(dāng)使用的氧氣純度在99.6%以上時，大型頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉鋼種的氮含量可穩(wěn)定控制在0.002 0%以下。對管道內(nèi)氧氣抽檢化驗，結(jié)果純度為99.7%，滿足生產(chǎn)需求。

2.4 渣量及過程化渣

轉(zhuǎn)爐渣量大小直接影響轉(zhuǎn)爐終點氮含量。轉(zhuǎn)爐采用少渣冶煉，在不留渣的情況下平均渣量為48 kg/t，留渣情況下為58 kg/t。理論計算爐內(nèi)渣層厚度為10～15 cm，隨著爐齡的增加，渣層還會逐漸減薄。爐役后期，渣層厚度為10 cm以下，尤其是化渣不好的情況下，渣層不能完全覆蓋鋼液表面，造成鋼水從爐氣中吸氮。化渣良好的情況下，爐渣泡沫化，渣層較好地覆蓋在鋼水表面，可有效阻止?fàn)t內(nèi)氮氣向鋼液中擴散和溶解。

2.5 底吹時間

由于底吹模型中氮氬切換時間在吹煉中期即吹煉的第8 min，廢鋼比提高以后，鐵水比降低，吹氧時間縮短（對應(yīng)原模型此時為吹煉后期）造成鋼種氮含量增加。

底吹氮氣攪拌時，爐內(nèi)溶池吸氮和排氮過程同時進行，鐵水比降低后，吹氧時間變短，按照原操作模式底吹氣體氮氬切換時間偏晚，此時轉(zhuǎn)爐已經(jīng)進入吹煉末期，鋼水溫度升高、碳氧反應(yīng)逐漸減弱等均會促使進入鋼液的氮氣進一步溶解，而排除量相對較少，造成爐內(nèi)增氮量提高。

2.6 出鋼溫度

提高廢鋼比后，轉(zhuǎn)爐終點溫度降低20℃，出鋼溫度在1 590～1 630℃，經(jīng)測定，氮在純鋼水中的溶解度與溫度和分壓的關(guān)系為：

常壓下，1 600℃氮在純鐵中的溶解度為0.045%。從鋼液脫氮的動力學(xué)分析可知，氮的脫除速度主要受液相傳質(zhì)速度控制，終點溫度降低，鋼水流動性降低，氮在鋼液中擴散速度減慢，排出速度減慢，造成終點氮含量增加。

2.7 二次吹煉

冶煉終點提槍后，此時會有部分空氣從爐口進入爐內(nèi)，造成爐氣中氮氣分壓增加，此時如果終點溫度或者成分不滿足要求時，需要二次吹煉。由于終點碳含量較低，爐渣不能泡沫化，氧氣射流吹開渣面攪動鋼水，鋼水裸露與爐氣充分接觸，從鋼水脫氮的熱力學(xué)分析可知，氮氣分壓的增加將使得氮在鋼水中的平衡濃度進一步增大，同時生成的CO量極少，溶于鋼水中的氮更難排出，造成鋼水氮含量升高。

3 轉(zhuǎn)爐冶煉過程的控氮措施

3.1 優(yōu)化入爐提溫劑用量以及廢鋼量和種類

優(yōu)化提溫劑加入數(shù)量不超過8 kg/t，控制提溫劑自身增氮量，同時控制輕型廢鋼加入量在20 kg/t以內(nèi)，生鐵塊加入量不超過20 kg/t。為了防止廢鋼不熔化，出鋼完畢后根據(jù)渣況進行調(diào)渣，保證濺渣后爐內(nèi)殘留爐渣完全處于干渣狀態(tài)，不能對廢鋼進行包裹，以免影響廢鋼熔化。此外，將重型廢鋼、生鐵等容易被包裹的廢鋼放置于廢鋼槽尾部。

3.2 優(yōu)化造渣制度

對低硅鐵水采用留渣操作，保證渣量不低于12 t。轉(zhuǎn)爐吹煉周期槍位遵循高-低-高-低-低原則。第一批料加入結(jié)束至吹煉3 min時槍位為260 cm，有利于熔池迅速提溫，化好前期爐渣；第二批渣加入結(jié)束至吹煉5.5 min時將氧槍槍位降低到220 cm，增大熔池攪拌強度將造渣料熔化徹底；吹煉6 min后將氧槍抬高到260～280 cm，防止?fàn)t渣出現(xiàn)“返干”，形成泡沫渣避免熔池液面裸露從空氣中吸氮；吹煉后期槍位適當(dāng)降低，終點拉碳槍位設(shè)定為210 cm，不宜高槍位長時間軟吹。

3.3 優(yōu)化底吹及溫度制度

氮氬氣切換時間提前至6 min，后期供氣強度從 0.1 m3/（min·t）降至 0.06 m3/（min·t）。合理使用廢鋼，提高過程溫度，保證過程測試溫度在1 550℃以上，同時當(dāng)廢鋼比大于200 kg/t時采用變槍位、變流量操作，避免造成過程溫度偏低，廢鋼不易熔化或二次吹煉點吹增氮，同時如果過程溫度低則采用加硅鐵提溫的吹煉模式。

4 取得的效果

采用以上優(yōu)化措施以后，轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量控制效果得到明顯改善，從平均0.003 4%降低至0.001 7%，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量的對比Fig.3 Comparison in Content of Nitrogen in Molten Steel at End of Blowing in Converter before and after Optimization

優(yōu)化前后成品氮含量超過0.005 0%的比率見圖4所示，超過0.005 0%的平均比率從12.13%降至2.59%，實現(xiàn)了提高廢鋼比增產(chǎn)的同時，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖4 優(yōu)化前后成品氮含量超過0.005 0%的比率Fig.4 Ratio of Content of Nitrogen in Finished Products with Over 0.005 0% before and after Optimization

5 結(jié)論

（1）在轉(zhuǎn)爐高廢鋼比條件下，由于增加了提溫劑、輕型廢鋼、生鐵塊等原材料用量，同時其在碳氧反應(yīng)逐漸減弱的轉(zhuǎn)爐末期熔化，是造成原料增氮的主要原因。

（2）在轉(zhuǎn)爐高廢鋼比條件下，由于吹氧時間縮短，按照常規(guī)廢鋼比操作模式下的轉(zhuǎn)爐底吹氮氬切換易造成鋼水增氮，是造成氣體增氮的主要原因。

（3）爐渣泡沫化程度差及二次吹煉易造成空氣中的氮進入鋼水，出鋼溫度低造成鋼水流動性降低，進而降低氮在鋼液中的擴散速度及脫除速度，是造成煉鋼工藝增氮的主要原因。

（4）鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠轉(zhuǎn)爐廢鋼比從160 kg/t提升至200 kg/t后，通過優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、造渣制度、底吹制度及溫度制度，成品氮含量超過0.005 0%的平均比率從12.13%降至2.59%，實現(xiàn)了提高廢鋼比增產(chǎn)的同時，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。