降低電爐管線鋼氮含量生產(chǎn)工藝摸索

王學(xué)義，宋智宇

（天津鋼管集團股份有限公司特鋼公司，天津300301）

隨著管線管產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，新的應(yīng)用領(lǐng)域如腐蝕環(huán)境、海洋環(huán)境對管線管產(chǎn)品提出了更高的要求，鋼中氮含量的不利影響也越來越得到重視[1]，氮的含量在API SPEC 5L 第43 版中并沒有明確要求，但從第44版開始，在酸性服役環(huán)境和海洋服役環(huán)境中增加了w(N)≤0.012 0%的要求，并明確了w(Al)/w(N)≥2的要求，重點客戶的內(nèi)部標準，甚至要求w(N)≤0.008 0%。眾所周知，從單純氮含量控制方面，電爐較之轉(zhuǎn)爐是有明顯劣勢的，主要原因是電弧電離造成的，在電極加熱時，電弧的陰極和陽極輪流位于石墨和鋼液上。作用在鋼液上時，這部分鋼液較其他部位的鋼液溫度高，當其為陰極時，溫度為2 400 K，為陽極時，溫度為2 600 K，研究表明:當鋼液溫度為2 130 K 時，[O]對氮的影響作用消失。根據(jù)氮的溶解反應(yīng)式，當?shù)謮阂欢〞r，鋼液中氮的溶解度與氮溶解反應(yīng)常數(shù)及其活度系數(shù)有關(guān)[2]。當溫度升高時，K值增大，鋼液中氮的溶解度亦增加。因此，針對電爐開展降低氮含量的工藝研究，不僅有利于改善電爐鋼的質(zhì)量，增加電爐鋼品種，而且也可以提高電爐鋼產(chǎn)品的市場競爭力。

1 主要生產(chǎn)設(shè)備狀況

某公司煉鋼系統(tǒng)分為一區(qū)和二區(qū)，主要設(shè)備狀況如表1所示：

表1 主要設(shè)備狀況

2 降低管線鋼N含量生產(chǎn)工藝摸索

2.1 電弧爐冶煉工藝

電爐煉鋼與轉(zhuǎn)爐煉鋼相比較，由于廢鋼原料含氮高以及電弧區(qū)鋼液容易吸氮，鋼中氮含量較高，這是電爐煉鋼的先天性缺陷之一[3]。轉(zhuǎn)爐鋼的含氮量比較低，一般在2×10-5～4×10-5，而電爐熔清氮含量一般在8×10-5～1.2×10-4，因此，降氮必須從電爐冶煉開始。

1）造好泡沫渣

電爐冶煉鋼水中的氮主要有兩個來源，一是廢鋼中帶來的氮，另一個是電弧電離空氣造成鋼水增氮。原則上應(yīng)該盡可能選用低氮的廢鋼，但是，由于廢鋼種類繁多，來源廣泛，在大生產(chǎn)的條件下很難具體測定和鑒別，因此，減少電弧電離增氮就顯得尤為重要，這就需要冶煉過程中必須要造好泡沫渣，泡沫渣是熔池激烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體（主要是CO）和鋼、渣一起形成的乳化物，對穩(wěn)定電弧、加速升溫和防止鋼水吸氣都十分必要，良好的泡沫渣系可以有效的使鋼水與空氣隔離，防止弧區(qū)鋼液面裸露，減少因電弧區(qū)鋼液的增氮[4]。因此合理使用好碳槍，盡可能提前并持續(xù)噴吹碳粉，控制石灰的加入量和加入時機，從而保證合理的渣量，以使熔池內(nèi)形成良好的泡沫渣，理想成分如表2所示，據(jù)實際統(tǒng)計，泡沫渣良好的情況下，管線鋼水電爐熔清初始氮要比泡沫渣效果不佳時降低1×10-5～2×10-5。

圖1 管線鋼泡沫渣效果優(yōu)劣鋼水熔清氮含量對比

表2 電爐較好效果泡沫渣成分

2）適當增加鐵水比

通過統(tǒng)計，電爐冶煉增加鐵水比例可有效的降低鋼水熔清氮含量，這是因為鐵水比的增加會使配碳量顯著增加[5]，雖然會加重脫碳任務(wù)，但由于脫碳時生成大量的CO氣泡相當于一個小真空室，其中氮的分壓極低，鋼液中的[N]很容易進入氣泡中而被攜帶走，可以認為脫碳量的增加，對鋼液氮含量是有益處的。在電爐冶煉過程中鋼水的吸氮集中于冶煉前期（熔化期），在脫碳反應(yīng)劇烈的冶煉中后期，鋼水中的氮會擴散進入CO 氣泡并隨之逸出，因此反而形成鋼水脫氮的效果。當然，針對管線鋼特點而言，由于其成品C 高求不高，一般在0.10%左右，過高的鐵水量會增加電爐的脫碳負擔，導(dǎo)致冶煉周期延長，電極給電時間上升，反而增加了鋼水增氮的可能，起到相反的效果。通過大量現(xiàn)場試驗，某鋼管公司煉鋼系統(tǒng)一區(qū)鐵水比例在30%～40%，二區(qū)鐵水比在40%～50%時，管線鋼電爐熔清樣氮含量最低。

圖2 一二區(qū)不同鐵水比例電爐熔清氮含量

3）電爐底吹CO2對初始氮含量的影響

2017 年某公司與高校合作，在管線鋼生產(chǎn)中試驗了電爐底吹CO2工藝，通過試驗，發(fā)現(xiàn)電爐底吹CO2氣體對脫氮存在明顯的優(yōu)勢，首先，電爐熔池中底吹CO2與[C]反應(yīng)后，生成吹入氣體2 倍的CO，使熔池攪拌更強烈。有利于氮氣的逸出。圖3 為底吹CO2爐次與未底吹CO2爐次電爐出鋼后氮含量對比情況，從圖3可以看出，底吹CO2爐次氮含量總體要低于未底吹CO2爐次，平均低1×10-5～2×10-5。

圖3 底吹與未底吹CO2電爐熔清氮含量

2.2 精煉工藝

2.2.1 LF工藝

LF 工位整個操作過程鋼液往往會吸氮，LF 增氮的主要原因是鋼液與大氣接觸、電弧區(qū)增氮、原材料的增氮。為了降低LF吸氮，管線鋼生產(chǎn)中的主要措施有:

加強埋弧加熱，處理過程中保持微正壓氣氛；LF處理過程中要隨時觀察氬氣攪拌強度的大小，LF處理初期Ar 采用中等強度攪拌，不能大面積裸露鋼水，精煉處理后期，采用弱攪拌，禁止處理過程中對鋼水進行大氬氣強攪拌，防止鋼液吸氮吸氧，造成鋼液二次氧化；選用低氮合金。

采用以上措施后，可將管線鋼在LF工位的增氮量控制在一個合理的水平，所生產(chǎn)爐次增氮最高1.2×10-5，最低1×10-6，平均8.3×10-6，增氮量不是非常穩(wěn)定，這與生產(chǎn)過程中氬氣控制、爐內(nèi)氣氛等操作控制有一定的關(guān)系。

2.2.2 VD控制

真空吹氬脫氮是VD脫氮的主要有效手段。但是脫氮一般很困難，主要是因為：

鋼液中，氮與多數(shù)元素反應(yīng)生成的氮化物處于溶解狀態(tài)，故無法通過沉淀法去除；氮原子的半徑比氫大，擴散系數(shù)比氫小得多（小兩個數(shù)量級），故真空去氮的效果比去氫差得多；氧、硫等表面活性元素阻礙鋼液脫氮。w(O)、w(S)在小于2×10-5的情況下對脫氮的影響可以消除，氧較易控制，而要將硫降至2×10-5以下則比較困難，因而增加了脫氮的難度；在實際生產(chǎn)中，VD抽真空過程中，高真空保持后要盡可能調(diào)大氬氣，保證鋼液進行充分的循環(huán)，VD 真空處理后，需要進行鈣處理操作，鋼液在鈣處理時，底吹氬吹破渣面，絲線周圍鋼水噴濺，易吸收空氣中的氮。在氬氣攪拌過程中，如果氬氣流量太大導(dǎo)致鋼液裸露，也會導(dǎo)致鋼液吸氮。弱攪拌以保持渣面微動為準，嚴禁吹開渣面造成鋼液裸露。因此，合理的精煉結(jié)束溫度以及氬氣攪拌制度也是生產(chǎn)低氮鋼的必備要素。

采取以上措施，管線鋼VD前后增氮量在0.001 0%～0.002 0%，比較穩(wěn)定。

2.3 連鑄工藝

連鑄保護澆注對連鑄工藝增氮有很大的影響，連鑄過程中的增氮主要發(fā)生在鋼包到中間包之間的環(huán)節(jié)上。對于管線鋼，連鑄保護澆注采取的措施主要是：開澆前中包進行吹氬操作，將中間包內(nèi)的空氣排出，減少開澆過程中鋼水吸氮；確保澆鑄時大包長水口垂直，密封圈每爐一換，吹氬保護效果良好；注意對長水口上部碗口處的清理，保證密封環(huán)壓緊、壓實；加強對保護吹氬的氬氣管檢查，如有漏氣，必須立即更換；如氮要求嚴格的管線鋼，在4～5爐更換1支新長水口，防止長水口侵蝕造成密封不嚴進而使鋼水吸氮。

通過批量管線鋼的生產(chǎn)實踐與不斷摸索，同一爐次連鑄過程樣與VD結(jié)束對比，增氮可以控制在6×10-6以內(nèi)，見圖4。

3 管線鋼氮含量控制實績

某公司煉鋼系統(tǒng)將以上措施運用于國家“一帶一路”重點管線合同中，共計生產(chǎn)約11 000 噸，經(jīng)統(tǒng)計鋼中氮含量控制較好，符合合同要求，實際氮含量見圖5。

圖4 精煉至連鑄氮含量變化

圖5 管線鋼氮含量

4 結(jié) 語

由于冶煉模式的影響，電爐鋼水氮含量較之轉(zhuǎn)爐控制較困難，天津鋼管集團股分有限公司煉鋼系統(tǒng)通過電爐適當提高鐵水比例，提高泡沫渣效果，底吹二氧化碳，精煉采用優(yōu)化氬氣攪拌強度、選用低氮合金，VD過程適當加大攪拌強度，連鑄中包預(yù)吹氬和全程保護澆注，有效的降低了管線鋼氮含量，取得了不錯的效果。