RH冶煉IF鋼控氮工藝實踐

王現(xiàn)周 劉彬 徐寶劍

(河北鋼鐵集團邯鋼分公司邯寶煉鋼廠)

0 前言

目前，IF 鋼國內(nèi)市場需求旺盛，但生產(chǎn)技術(shù)難度較大。其中，鋼水中氮一般要求控制在30 ppm 以內(nèi)，對工藝控制水平和設(shè)備保障能力要求較高，是諸多企業(yè)在開發(fā)IF 鋼時遇到的一個共性問題。2014年，邯寶煉鋼廠IF 鋼成品氮超出鋼種標(biāo)準(zhǔn)爐次達(dá)0．7%。為了保證IF 鋼成品氮的控制，對RH 真空爐冶煉環(huán)節(jié)進(jìn)行了攻關(guān)，采取了一系列有效措施，提高了IF 鋼成品氮合格率。

1 IF 鋼的冶煉工藝及工藝裝備

1．1 冶煉工藝

鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—RH—連鑄

1．2 主要工藝設(shè)備

1．2．1 鐵水預(yù)處理

邯寶煉鋼廠有2 套鐵水預(yù)處理設(shè)施，由達(dá)涅利康力斯設(shè)計，設(shè)計能力520 萬t/年，采用Ca0 －Mg復(fù)合噴吹工藝，基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)等，

1．2．2 轉(zhuǎn)爐

邯寶煉鋼廠有3 座公稱容量250 t 的頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐，采用頂?shù)讖?fù)吹工藝，頂吹氧氣，底吹惰性氣體(氮氣或氬氣)，全汽化冷卻煙道系統(tǒng)，副槍技術(shù)，濺渣護(hù)爐技術(shù)等。主要設(shè)備參數(shù)見表1。

1．2．3 RH 精煉爐

邯寶煉鋼廠RH 精煉爐設(shè)備從德國西馬克公司引進(jìn)，采用了雙工位煉鋼，真空槽快速更換、多功能氧槍等技術(shù)。主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表1 轉(zhuǎn)爐主要設(shè)備參數(shù)

1．2．4 鑄機

邯寶煉鋼廠從德國西馬克公司引進(jìn)2 臺(900 mm ～2150 mm)×230 mm 雙機雙流板坯連鑄機，采用了鋼包下渣檢測，全程無氧化保護(hù)澆注、結(jié)晶器漏鋼預(yù)報，扇形段動態(tài)輕壓下等技術(shù)。

2 IF 鋼的成分要求及控氮原理

2．1 IF 鋼化學(xué)成分

邯寶煉鋼廠生產(chǎn)的IF 鋼(以牌號DC06 為代表)的主要化學(xué)成分見表3。

2．2 IF 鋼的控氮機理與關(guān)鍵

對IF 鋼而言，氮為有害元素，在鋼中易于鈦、鋁等合金元素形成氮化物夾雜，降低鋼的塑性和沖擊韌性，在生產(chǎn)過程中需要嚴(yán)格控制。從熱力學(xué)分析，氮氣為雙原子分子，真空下脫氮遵循脫氮的平方根定律，提高并保持較高的真空度是脫氮的必要條件。從動力學(xué)分析，由于氮原子半徑比氫大，在鋼中的擴散系數(shù)比氫原子小兩個數(shù)量級，故真空下脫氮速度比脫氫慢，一般需要較長的高真空保持時間才可達(dá)到較穩(wěn)定的脫氮效果;另一方面，在真空精煉時，脫氮為二級反應(yīng)，脫氮速度還要受氮原子在鋼液中的傳質(zhì)和界面反應(yīng)速度的影響［1］。邯寶煉鋼廠在冶煉IF 鋼時采用的是轉(zhuǎn)爐－RH 工藝路線，轉(zhuǎn)爐出鋼氮含量一般控制相對較低，w［N］＜25 ×10－6。因此，氮在鋼液中的傳質(zhì)應(yīng)為脫氮的限制性環(huán)節(jié)，在極限真空下增大環(huán)流，提高傳質(zhì)的動力學(xué)條件是提高脫氮速度的關(guān)鍵。

表2 RH 主要設(shè)備參數(shù)

針對IF 鋼控氮問題，邯寶煉鋼廠采取了如下措施:采用合理的煉鋼工藝，來降低鋼中氮含量，精煉RH 工序一方面是通過采用高真空、大環(huán)流量的深處理模式，保證RH 良好的脫氮能力;另一方面是減少原材料和大氣對鋼水的增氮，以保證RH 的控氮效果。

3 RH 冶煉過程控制分析及措施

表3 IF 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3．1 RH 處理前期的控制

高的脫碳速率帶來高的脫氮速率［2］。因此在處理前期主要是提高脫碳速度，相應(yīng)就提高了脫氮速率。要提高脫碳速率就要控制RH 初始碳和氧含量，合適的碳和氧含量可以減少RH 吹氧量，有利于脫碳反應(yīng)的進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐控制RH 初始碳在0．015% ～0．04%之間，氧含量在0．04% ～0．07%左右，見表4。

表4 RH 處理前碳和氧

在RH 處理前期盡快降低真空槽真空度，通過工藝優(yōu)化縮短了深真空時間，要求4 min 左右，真空度降到1．2 mbar 以下;真空脫氣時間在20 min 以上，采取措施后提高了脫碳反應(yīng)速率，相應(yīng)的也提高了脫氮反應(yīng)速率。

3．2 RH 處理中期的控制

RH 處理中期主要是在強制脫碳結(jié)束后，此時脫碳明顯減弱，產(chǎn)生的CO 氣泡不能主導(dǎo)脫氮反應(yīng)，必須快速提高真空度、提高提升氬氣流量和鋼水循環(huán)流量等，以創(chuàng)造再深脫氮的良好條件，這是維持繼續(xù)深脫氮的關(guān)鍵。

IF 鋼真空處理前4 min，碳氧反應(yīng)劇烈，鋼水噴濺太厲害，真空度控制在80 mbar ～120 mbar 左右;真空處理4 min 后，真空度控制要處于極限真空度，即1．2 mbar 以下，目的是增大鋼液與真空接觸面積，在高真空度下繼續(xù)深脫碳和降低鋼水中氮含量。IF 鋼冶煉時的真空度控制情況如圖1 所示。

圖1 IF 鋼冶煉時的真空度控制曲線

3．3 RH 處理后期的控制

RH 處理后期主要是控制鋼水中的氧含量。保持鋼水中極低的氧及硫含量對RH 處理后期深脫氮至關(guān)重要，因為氧、硫為鋼液表面活性元素，擴散比氮快，阻礙氮向反應(yīng)面擴散，影響鋼液深脫氮。IF鋼真空處理20 min 后，脫碳基本結(jié)束，IF 鋼一般采用鋁粒脫氧，可將鋼中氧含量降低到10 ×10－6以下，同時通過鐵水的預(yù)脫硫及轉(zhuǎn)爐冶煉工序控制回硫，可以將硫含量控制在100 ×10－6以下，保證了處理后期的深脫氮。

整個RH 真空處理過程中，環(huán)流氣量采用表格控制模式，即在不同的處理時間，氣量按照程序設(shè)定自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍在2000 NL/min ～3500 NL/min之間。RH 處理前期，碳氧反應(yīng)劇烈，環(huán)流氣量控制在2000 L/min 左右，RH 處理中后期，將環(huán)流氣流量由前期的2000 L/min 提高到2900 L/min，目的是增大鋼水循環(huán)流量可以促進(jìn)［C］、［O］、［N］向CO 氣泡的擴散，使鋼液中產(chǎn)生更多的CO 氣泡，增大了循環(huán)管上升區(qū)的氣液相界面，同時也使噴濺到真空室的懸浮液滴增加，增大了鋼液乳化區(qū)的氣液相界面，使脫碳速度加快，從而有利于脫氮。環(huán)流氣量控制情況如圖2 所示。

圖2 IF 鋼真空處理下環(huán)流氣量控制圖

3．4 RH 真空系統(tǒng)各連接部位的密封

RH 煉鋼前，用低碳高溫鋼水洗真空槽，要求循環(huán)15 min 以上;檢查真空泵系統(tǒng)密封效果，要求極限真空度達(dá)到1．2 mbar 以下。邯寶煉鋼廠每周按照計劃對RH 真空系統(tǒng)進(jìn)行定修，查看蒸汽噴射泵磨損情況，對各級泵體進(jìn)行檢查，出現(xiàn)泵體損壞，則進(jìn)行補焊或更換;重點對移動彎頭和下料管密封圈進(jìn)行檢查，維護(hù)。鋼水冶煉時，設(shè)備維護(hù)人員到現(xiàn)場保產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)真空度異常，立即進(jìn)行檢漏、封堵，保證真空系統(tǒng)真空度滿足鋼種工藝要求。

真空槽的密封主要是做好三個方面的工作:1)提高熱彎管與真空槽上部連接處密封膠圈的耐火度，同時真空槽快換作業(yè)要精細(xì)化操作，保證此處的密封效果;2)做好下部槽與上部槽連接處的密封，特別是要保證此處法蘭的冷卻效果，防止法蘭變形;3)針對下部槽及浸漬管使用后期要做好監(jiān)控，測量下部槽表面溫度，如果溫度超過300 ℃，下線處理，防止環(huán)流管及浸漬管泄漏。

3．5 合金增氮量的控制

實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，RH 處理后期鋼水氮含量沒有顯著的降低，個別爐次有增加的現(xiàn)象。主要原因是由于RH 處理過程要進(jìn)行部分元素的合金化，合金帶入一部分氮含量，加之部分爐次真空密封不好造成吸氮，使得RH 脫氮與合金及系統(tǒng)增氮基本抵消。因此必須嚴(yán)格控制合金的含氮量。

首先RH 精煉爐所用合金要保證干燥，地面料倉嚴(yán)格把關(guān)，發(fā)現(xiàn)合金含水量大，不接收該批合金，并且通知合金庫，將合金進(jìn)行晾曬，烘烤，合金干燥后再上料倉。RH 精煉爐上料時，上料工全程監(jiān)護(hù)，對物料二次確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)混料或物料異常時，及時停止上料，避免不合格物料進(jìn)入RH 料倉。

4 生產(chǎn)效果

通過采取上述一系列措施，IF 鋼成品氮不合格爐次比例由2014年的0． 7% 下降到2015年的0．3%，IF 鋼控氮取得一定效果，煉鋼廠成品氮成份控制水平顯著提高并趨于穩(wěn)定。2015年以來隨機抽查8 爐IF 鋼，成品氮含量均控制在30 ×10－6以下，具體情況見表5。

表5 成品氮控制情況

5 結(jié)論

1)精煉RH 工序處理前期提高脫碳速度，處理中期快速提高真空度、提高提升氬氣流量和鋼水循環(huán)量，處理后期控制鋼水中的氧含量是保證IF 鋼RH 控氮的關(guān)鍵。

2)加強真空系統(tǒng)的密封，設(shè)備室定修和現(xiàn)場保產(chǎn)相結(jié)合是保證IF 鋼RH 控氮的基礎(chǔ)。

3)料倉合金嚴(yán)格把關(guān)，加強上料管理，減少合金增氮量是穩(wěn)定IF 鋼RH 控氮效果的有力措施。

［1］宋萬平，李晶． 鋼液中氮含量控制的工藝研究，河南冶金，2008，16(5):4 －6．

［2］章奉山，朱萬軍． 利用RH－KTB 工藝同時深脫碳和氮，煉鋼，2007，23(2):14 －17．

［3］成國光，蕭忠敏，姜周華，等．新編鋼水精煉暨鐵水預(yù)處理1500問［M］．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007:3．