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1、转炉特钢生产流程中氮的行为及控制项目研究报告,江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司武汉科技大学,2009.4,汇报内容,汇报内容,1,2,3,4,5,6,冶炼各工序增氮情况分析,转炉冶炼及出钢过程氮的变化,转炉终点氮的控制,精炼过程中氮的控制,连铸过程中氮的控制,现场取样及钢样化学成分,7,结论及建议,钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,1.现场取样及钢样化学成分 2008年10月下旬和2009年3月上旬在淮钢冶炼的25Mn2、36Mn2V 和45#、42CrMo四个钢种进行了现场取样分析：25Mn2为8个炉号（分别在1#和2#转炉冶炼）36Mn2V为10个炉号（在2#转炉上冶炼），45#为1
2、0个炉号（分别在1#和2#转炉冶炼）42CrMo为13个炉号（分别在1#和2#转炉冶炼）冶炼工艺：25Mn2和45#钢种：转炉吹氩LF精炼软吹连铸（380圆坯）36Mn2V和42CrMo：转炉吹氩LF精炼RH软吹连铸（200 200方坯、450）通过钢水取样（球拍样）、线切、丙酮和无水乙醇两次清洗、TC500C型 和TC436型 LECO氧氮分析仪测定钢样氮含量。,图2 25Mn2钢冶炼各工序氮含量变化,图3 36Mn2V钢冶炼各工序氮含量变化,图4 45#钢冶炼各工序氮含量变化,图5 42CrMo钢冶炼各工序氮含量变化,转炉出钢后45#钢的钢水氮含量在后续各工序都存在明显的增氮现象；45Cr
3、Mo在RH真空处理阶段氮含量下降和软吹阶段氮含量没有增加外，其它各工序普遍存在增氮现象。,2.冶炼各工序钢水氮含量变化情况分析,25Mn2钢冶炼各工序氮含量变化,36Mn2V钢冶炼各工序氮含量变化,25Mn2增氮量最大的工序发生在软吹至中包阶段（+20.3ppm），其次是LF精炼和中包至结晶器阶段（都分别增加了+5.2ppm）；36Mn2V增氮量最大的工序是软吹至中包阶段（+10.2ppm）、LF精炼阶段（+10.2ppm）和出钢阶段（+6.3ppm），而RH真空处理阶段氮含量降低4.2ppm。,武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室
4、,45#钢冶炼各工序氮含量变化,42CrMo钢冶炼各工序氮含量变化,45#钢增氮量最大的工序发生在长水口（+14.6ppm）、LF精炼（+12ppm）和转炉出钢（+10.3ppm）42CrMo增氮量最大的工序发生在长水口（+12.6ppm）、LF精炼（+10.4ppm）和转炉出钢（+5.7ppm）三个阶段，RH处理降低氮含量8.8ppm。,通过两次取样的系统分析，可以发现在整个炼钢工序中，钢水增氮的情况大致相似，即：大包至中包之间的长水口增氮：占40以上%LF精炼增氮：占35左右%转炉出钢增氮：占20%左右。,45#钢冶炼各工序氮含量变化,42CrMo钢冶炼各工序氮含量变化,3.转炉终点氮的控
5、制,3.1 转炉吹炼过程中熔池氮含量变化趋势,铁水中氮含量一般在4060ppm之间。而在1600大气下纯铁液中可溶解0.04%的氮。在转炉吹炼过程中，同时存在着吸氮和脱氮过程。在碳氧反应区，钢气界面层温度可达2600左右，氧、硫表面活性对钢液吸氮和脱氮的阻碍作用消失，钢液能通过C-O反应生成的CO气泡携带脱氮。在转炉吹氧脱碳过程中，存在激烈的C-O反应，由C-O反应生成的CO气泡，对钢液中的氮来说，相当于一个个的小真空室，气泡中的氮分压等于零，钢液中的氮原子可以扩散到CO气泡与钢液的界面上形成N2进入CO气泡。,转炉吹炼过程中，钢液脱氮速度与脱碳速度呈正比。因此，在转炉冶炼中期，碳氧反应激烈，
6、脱碳速度很大，大量的碳氧化生成CO将熔池中的氮带出，脱氮量吸氮量，脱氮速度很大。冶炼后期，由于碳氧反应减弱，脱碳速度降低，脱氮量减少，在非碳氧反应区，炼钢温度下钢液与大气中的N2 作用可以吸氮。,钢水氮含量随转炉吹炼时间的变化,转炉吹炼过程中熔池脱氮速率,3.2 转炉终点碳对终点氮含量的影响,图11 转炉终点碳含量对终点氮含量的影响,碳拉得越低，吹炼后期脱碳速度大大下降，熔池脱氮量吸氮量，转炉终点氮就会升高。图11（b）为二次取样四个钢种的转炉平均终点氮含量与终点碳含量的关系。第二次取样的两个钢种（42CrMo和45#）的转炉终点平均碳含量比第一次取样的两个钢种（25Mn2和36Mn2V）的转
7、炉终点平均碳含量低0.02%；相应地，第二次取样的两个钢种（42CrMo和45#）的转炉终点平均氮含量比第一次取样的两个钢种（25Mn2和36Mn2V）的转炉终点平均氮含量高出10ppm。,3.3 转炉倒炉补吹对终点氮含量的影响,（a）鞍钢（b）南钢,倒炉补吹对转炉终点氮含量存在一定影响，因为补吹过程中钢水脱碳速度小，熔池与空气接触机会增加，对降低终点氮含量存在不利影响。,3.4 铁水比对终点氮含量的影响,铁水比与转炉终点氮含量的影响 南钢100 t电弧炉铁水比对出钢氮含量影响,3.5 转炉出钢过程中氮的变化,氧是表面活性元素，大量氧原子占据了钢液自由表面，可阻碍空气中的氮气向钢液中熔解扩散。
8、当钢中w(O)0.03%时，可有效防止出钢增氮。因此，转炉出钢钢流与空气接触阶段不会发生增氮。转炉出钢过程中钢水增氮主要发生在钢水进入钢包以后，受钢包内脱氧合金化及钢包顶渣覆盖状况的影响。钢包内钢水脱氧充分，但顶渣熔化不良，覆盖不好的情况下很容易增氮。此外，增碳剂中的氮对转炉出钢过程增氮也有影响。转炉终点碳越低，出钢增碳量越大，增氮的可能性也就越大。,4.精炼过程中氮的控制,4.1 LF精炼过程中氮的控制,控制LF精炼阶段的钢水增氮，关键在于渣层厚度、吹氩流量和合金补加的控制。LF炉操作电弧电流强度2028kA，而每kA电弧电流吹出的凹坑深度平均为3mm，因此电极下吹出的凹坑深度可达6090m
9、m。当渣层较薄时电极下的钢液会曝露在大气中，电极下钢液温度可达24002600K，吸氮和增氧比较严重。经验表明，LF精炼渣层厚度应该达到：L渣（mm）=U电弧(V)(2025），采用泡沫渣埋弧精炼可实现在少渣状态下使渣层增厚，保证加热钢液时钢液面不裸露。LF精炼阶段避免大量补加合金和增碳致关重要，因为现场补加合金是在吹氩大翻的情况下进行的，钢液二次氧化率大于15ppm/min。现场大量增碳和补加合金后一般大搅拌56min，再氧化和增氮量大。因此，提高一次合金化率的准确率，以及用喂丝的方法调整C和其它合金成分可以大大减少二次氧化及增氮。,4.2 RH精炼过程中氮的控制,在RH精炼开始的前3min
10、，真空室内压力急速下降至4kPa，在这个过程中，钢液的脱氮速率是最快的。随着真空室内压力进一步降至工作真空度67Pa下，钢中氮含量也有所降低。在极限真空度下，随着保持时间延长，钢中氮含量持续下降。淮钢的真空处理时间20min左右，极限真空（平均71.7Pa）保持时间在67min左右。,RH真空处理过程中真空室压力变化 RH真空处理过程中钢水氮含量变化,4.3 钢液成分对RH真空脱氮的影响,合金元素：钢液中含有Cr、V、Ti、Nb等能降低氮的活度的合金元素时，RH真空脱氮的的效果会明显减弱。表面活性元素：O、S,5.连铸过程中氮的控制,长水口保护管内压力分布,42CrMo钢冶炼各工序氮含量变化,
11、新型氩封长水口,传统氩封长水口,6.结 论,（1）转炉：影响转炉终点氮含量的主要因素是转炉终点碳含量，其次是点吹次数。转炉终点碳含量越低，终点氮含量就越高；点吹次数越多，终点氮含量相应增加。建议在保证充分脱磷的前提下，尽量采取高拉碳工艺，将终点碳控制在0.1%以上，可望将转炉平均终点氮控制在0.0015%以下。此外，提高转炉终点碳含量，也可降低出钢增碳量，从而降低出钢过程钢水增氮。（2）出钢：钢包内使用低熔点铝酸钙预熔渣和白灰造渣，确保钢液面覆盖良好，同时合金化到位，提高一次合金准确率，以减少LF炉大量加合金，可望将炉后钢包氮含量控制在平均0.0020%以内。（3）吹氩：炉后吹氩强度应该适度，
12、保持渣面熔化，并具有足够渣层高度，避免吹翻。将氩后钢水氮含量控制在0.0022%以内。,（4）LF精炼：控制LF精炼阶段的钢水增氮，关键在于渣层厚度、吹氩流量和合金补加的控制。当渣层较薄时电极下的钢液会曝露在大气中，吸氮和增氧比较严重。厚渣层可以保证在较大吹氩流量下渣面不被吹破。另外，保持LF精炼炉微正压操作可防止精炼阶段增氮。LF精炼阶段避免大量补加合金和增碳，尽量用喂丝的方法调整C和其它合金成分可以大大减少二次氧化及增氮。力争LF出站钢水氮含量控制在0.0026%以内。（5）RH真空处理：在钢种一定的情况下，如工艺时间允许，应适当延长真空处理时间，特别是延长极限真空度下的处理时间。另外，提高上升管吹氩流量以提高钢水循环流量也有利于提高真空脱氮效果。（6）软吹：脱氧良好的钢水十分容易吸氮，软吹的关键是控制吹氩流量，严防吹露。建议100t钢包的吹氩流量控制在150l/min左右。力争上台钢水氮含量控制在0.0030%以内。（7）连铸：做好长水口氩封是解决连铸增氮的唯一途径。建议改进氩封结构，提高氩封质量，力争成品氮含量控制在0.0035%以内。,
