RH真空精煉控氮工藝研究

崔家冀

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243000)

為了發(fā)揮V等元素的合金化效果，進(jìn)一步提高特鋼產(chǎn)品的性能，越來(lái)越多的特鋼產(chǎn)品在成分設(shè)計(jì)上對(duì)氮含量的上下線都有要求。即在冶煉過(guò)程中不能只進(jìn)行脫氮，需要增氮與脫氮相結(jié)合，穩(wěn)定控制鋼中氮含量保持一個(gè)上下限范圍內(nèi)，以保證成品中的氮含量滿足性能要求。RH精煉爐具有良好的真空脫氣處理功能，是控制鋼水氮含量的關(guān)鍵工藝之一，因此研究RH精煉過(guò)程中鋼水氮含量變化規(guī)律具有重要的實(shí)踐意義。本文對(duì)120 t RH精煉爐冶煉過(guò)程中鋼水脫氮和增氮過(guò)程進(jìn)行了分析，確定了RH精煉爐真空控氮的具體措施。

1 控氮過(guò)程的分析和討論

1.1 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件

某廠鋁鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)品成分要求氮含量在50～70 ppm，冶煉工藝流程為EAF→LF→RH→連鑄流程，控氮工藝主要在RH精煉工序。RH精煉過(guò)程主要操作流程為：進(jìn)站→抽真空(提升氣體為氬氣)→保持真空過(guò)程中切換提升氣體為氮?dú)狻瓶铡稣?。RH真空處理過(guò)程中提升氣體流量為600～1000 L/min，精煉周期為45 min左右，真空度小于100 Pa的保持時(shí)間大于20 min。

1.2 控氮過(guò)程的分析和討論

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果可知[1]-[3]，真空條件下氮的流向主要由鋼水中的氮?jiǎng)莺蜌庀嘀械獎(jiǎng)菟鶝Q定。鋼水在RH精煉過(guò)程中，鋼液的滲碳和脫氮的速率主要受液相傳質(zhì)和界面反應(yīng)混合控制。在高氧位和高硫位條件下，化學(xué)反應(yīng)速率主要受界面反應(yīng)控制；當(dāng)在高真空、低氧位、低硫位條件下，化學(xué)反應(yīng)主要受液相傳質(zhì)控制。結(jié)合脫氮和增氮反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，可推斷出在RH精煉過(guò)程中，真空度小于100 Pa條件下，提升氣體為氬氣時(shí)為脫氮過(guò)程，提升氣體切換為氮?dú)夂鬄樵龅^(guò)程。而鋁鎮(zhèn)靜鋼經(jīng)過(guò)LF工序后，鋼中活度氧[O]一般小于10 ppm，鋼中[S]一般小于20 ppm，屬于低氧位、低硫位鋼水，因此整個(gè)控氮過(guò)程應(yīng)該主要受氮在液相邊界層中的傳質(zhì)影響，則脫氮速度可表示為：

(1)

2 脫氮和增氮過(guò)程的取樣分析

2.1 脫氮過(guò)程的取樣分析

為研究整個(gè)脫氮過(guò)程中鋼水氮元素含量的變化規(guī)律，確定提升氣體切換為氮?dú)鈺r(shí)的初始氮含量，在RH冶煉過(guò)程中，分別于進(jìn)站、抽真空7 min、抽真空14 min、破空時(shí)分別取氧氮樣并用LECO公司的TC-600氧氮測(cè)定儀進(jìn)行檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 脫氮過(guò)程取樣分析

圖1 脫氮過(guò)程氮含量曲線

由取樣檢測(cè)結(jié)果可以看出5爐鋼進(jìn)站氮含量在73 ppm-87 ppm，在整個(gè)21分鐘真空處理過(guò)程中，抽真空7分鐘時(shí)，鋼水中氮含量降到41 ppm-45 ppm，前7 min內(nèi)平均脫氮速率為5.5 ppm/min，脫氮速率較快，在7 min到破空時(shí)鋼水氮含量降至36 ppm-39 ppm，在后面的14 min內(nèi)平均脫氮速率約為0.4pp m/min，脫氮速率很低，可以說(shuō)在抽真空7 min時(shí)或者之前，鋼水的脫氮速率就已經(jīng)達(dá)到拐點(diǎn)，脫氮速率由快變慢。這主要是由于在前7 min鋼水在抽真空過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的沸騰，鋼水沸騰時(shí)式(1)中氮的傳質(zhì)系數(shù)比不沸騰鋼水的傳質(zhì)系數(shù)約增加5倍，此外鋼水中的氫主要在真空處理前期脫去，脫氫過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微氣泡，攪拌熔池的同時(shí)增加脫氣反應(yīng)面積促進(jìn)脫氮反應(yīng)。而在真空處理中后期，真空槽內(nèi)早已穩(wěn)定達(dá)到100 Pa左右的真空度，鋼水在真空槽內(nèi)已完成2-3個(gè)循環(huán)，鋼水中大部分[H]已被去除，整個(gè)鋼水循環(huán)過(guò)程平緩穩(wěn)定，鋼水中氮的傳質(zhì)系數(shù)大大下降，同時(shí)由于鋼水靜壓力的原因，真空槽內(nèi)脫氮反應(yīng)僅在距離鋼水自由表面較淺的深度內(nèi)才能夠進(jìn)行，脫氮?jiǎng)恿W(xué)條件較差[4]。因此通過(guò)脫氮過(guò)程的取樣分析可以得出在抽真空7min后將提升氣體切換為氮?dú)膺M(jìn)行增氮時(shí)，可認(rèn)為鋼水初始氮含量為42 ppm左右。

2.2 增氮過(guò)程的取樣分析

為研究控氮過(guò)程中鋼水中氮含量變化規(guī)律，進(jìn)行了3爐控氮工藝試驗(yàn)研究，試驗(yàn)過(guò)程為：在RH精煉過(guò)程中，前期采用氬氣為提升氣體進(jìn)行脫氮，中后期切換提升氣體為氮?dú)膺M(jìn)行增氮，增氮時(shí)間為6 min-8 min。在3爐控氮鋁鎮(zhèn)靜鋼RH生產(chǎn)過(guò)程中，分別于RH進(jìn)站、提升氣體切換為氮?dú)鈺r(shí)、破空時(shí)分別取氧氮樣并進(jìn)行檢驗(yàn)分析，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 控氮過(guò)程取樣分析

注：增氮時(shí)間為切換提升氣體為氮?dú)鈺r(shí)至RH破空。

由表2中檢測(cè)結(jié)果可以得出，3爐鋼在RH精煉過(guò)程中切換提升氣體為氮?dú)膺M(jìn)行增氮時(shí)，鋼水已經(jīng)過(guò)13 min-15 min的脫氮過(guò)程，根據(jù)上文所述，鋼水中氮元素都達(dá)到拐點(diǎn)氮含量，并能穩(wěn)定控制在40 ppm左右，在分別經(jīng)過(guò)6 min-8 min的增氮后，鋼水氮含量都達(dá)到了目標(biāo)范圍(50 ppm-70 ppm)。根據(jù)不同增氮時(shí)間的結(jié)果可以看出增氮速率比較穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得增氮速率為2 ppm/min左右，這主要是由于在增氮過(guò)程中，提升氣體流量、鋼水循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)、鋼水成分等都處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)氮的傳質(zhì)系數(shù)比較穩(wěn)定，因此控氮速率比較穩(wěn)定。為進(jìn)一步驗(yàn)控氮工藝的正確性，并確定準(zhǔn)確的增氮速率，按照上述控氮工藝，在32爐鋁鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證，其中N元素滿足要求(50 ppm-70 ppm)的爐數(shù)為30爐，合格率為93.8%，同時(shí)對(duì)相關(guān)控氮數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出：在鋁鎮(zhèn)靜鋼中硫含量低于0.002%，RH提升氣體流量為600 NL/min條件下，110 t鋼水增氮速率約為2.2 ppm/min。

3 結(jié)語(yǔ)

由于RH精煉過(guò)程前期氮的傳質(zhì)系數(shù)大于中后期，導(dǎo)致在抽真空7 min時(shí)或者之前，鋼水的脫氮速率就達(dá)到拐點(diǎn)，脫氮速率由快變慢，拐點(diǎn)處鋼水中氮含量為42 ppm左右。

在RH精煉過(guò)程中，采用在中后期切換提升氣體為氮?dú)膺M(jìn)行增氮的工藝可穩(wěn)定對(duì)鋼水進(jìn)行增氮，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)控氮數(shù)據(jù)可得，在鋁鎮(zhèn)靜鋼中硫含量低于0.002%，RH提升氣體流量為600 NL/min條件下，110噸鋼水增氮速率約為2.2 ppm/min。