转炉钢炼钢工序氮含量变化规律

目前,转炉的工艺路线中, 转炉炉料主要是80 ～ 85 %的铁水, 其余为废钢。原料情况较为稳定, 保证了转炉终点氮含量较稳定。因此, 增氮的环节为转炉出钢过程中合金增氮及钢水吸氮, 精炼过程增氮及连铸浇注过程中吸氮。根据钢中氮含量的影响环节, 在各个节点进行取样, 通过美国LECO 公司的TCH600 氧氮氢连测仪分析。

转炉出钢前钢中的氮含量为0.0244 %, 出钢过程及合金化增氮0.0132 %, 精炼过程氮增加量为0.0364 %, 连铸过程增氮为0.0194 %(主要是精炼出站到中包增加)。通过取样分析, 说明钢液增氮贯穿于整个炼钢生产过程。

而最主要的增氮环节为精炼过程增氮。因此精炼过程增氮是目前杭钢转炉炼钢的限制性环节。如能合理改善LF 精炼工艺则可以有效地控制钢中氮含量 。

转炉炼钢厂冶炼工艺路线为:转炉—LF精炼—连铸。因钢液吸氮贯穿于转炉炼钢生产的全过程。炼钢过程需要在每一个环节对增氮进行控制。要降低最终钢液中的氮含量, 必须控制炉料中的原始氮含量和熔炼过程、转炉炉出钢过程、LF 精炼过程、中间包及结晶器中的增氮。

转炉钢按炉衬的耐火材料性质可分为碱性转炉钢和酸性转炉钢。按气体吹入炉内的部位可分为顶吹转炉钢、底吹转炉钢和侧吹转炉钢，还有顶吹、底吹复合转炉钢等。现在氧气转炉钢生产效率高，质量也很好，己被广泛应用，成为世界上的主要钢类。转炉钢的主要品种有碳素钢、低合金钢和少量合金钢。

在通常情况下, 钢中氮被认为是有害元素。钢中的氮对钢的影响主要有以下几个方面:氮在晶界析出, 造成钢质出现蓝脆;氮与钢中Ti 或A1 结合为(TiN)或(AlN), 弱化晶界强度, 使得钢的脆性区发生变化, 易造成铸坯表面出现裂纹;钢中氮存在,降低了钢的韧性、焊接性能、热应力区韧性, 使钢材脆性增加 。

1 　精炼工序氮来源分析

从上述分析可知, 精炼工序增氮为转炉炼钢全程增氮的限制性环节。而精炼工序增氮的影响因素主要有:原辅材料带入、喂线工艺钢水外翻吸氮、通电过程钢水吸氮。

为搞清楚精炼工序增氮的变化规律, 特将精炼过程分为进站、中间样、钙处理前、出站四个节点分析钢中氮含量的变化规律。

增氮过程贯穿于整个精炼过程, 最主要的节点为进站到取中间样及通电结束成分微调、钙处理两个阶段。分析精炼工艺过程,第一个增氮环节主要因素有造渣初期, 大量的原辅料加入带入的氮, 泡沫化白渣未成形造成钢水吸氮。第二个增氮环节为钢水成分微调喂入碳线、钙线带入的氮及喂线过程钢水大翻吸氮。因此, 原辅料带入氮及钢液吸氮为精炼工序增氮因素。

2 　精炼工序原辅料分析

对目前精炼工序原辅料中可能带来氮的原辅料逐一取样排查。分析出其中造渣剂、碳芯线氮含量较高, 生产工程加入量较大。

1)造渣剂:为检验其中的氮含量,造渣剂中氮含量较高,且批次间含量极不稳定。为研究造渣剂中的氮的存在方式, 利用XRD -6100 衍射仪定性分析。

从XRD 分析可知, 造渣剂中的氮主要以AlN 形式存在。通过下式进入钢中, 从而使钢水增氮。用于精炼结束成分微调, 取样分析,碳芯线中氮含量较高。因此通过一定速度达到一定深度要求喂入含氧较低的钢液, 碳芯线中氮直接进入钢中, 从而使钢水增氮。

1 　工艺改进措施

根据上述分析, 控制转炉钢中氮含量, 主要控制精炼环节原辅料增氮, 及整个转炉生产过程钢液吸气增氮。钢中的氮即可得到有效控制。具体改进工艺如下:

1)精炼过程的吹氩、供电制度进行完善, 尽量减少钢水不裸露吸氮;

2)减少精炼造渣剂使用量, 由原来3kg/吨降低到0 .6kg/吨钢, 减少造渣剂增氮;

3)改进精炼成分微调的碳芯线, 降低碳芯线中氮含量。要求达到0 .05 %以下;

4)做好连铸全程保护浇注, 控制钢水在浇注过程中吸氮。

2 　实施效果

通过以上改进措施, 跟踪成材中圆钢中氮含量, 结果明显下降。取转炉生产40Cr 、20Cr 、A105 三钢种。

经过工艺改进后, 转炉钢中氮含量明显下降(下降比例达到40 %～ 50 %)。跟踪后续圆钢, 圆钢表面鳞状裂纹的基本消除。

1)转炉炼钢增氮的主要环节为LF 精炼工序,而LF 精炼工序增氮主要为前期造渣阶段及后期成分微调阶段;

2)LF 精炼工序前期造渣阶段主要是大量的造渣剂加入, 造渣剂中AlN 进入钢中增氮;

3)LF 精炼成分微调主要是碳芯线中大量的氮进入钢中增氮及钢液裸露吸气增氮;

4)通过工艺改进, 圆钢中氮含量明显降低, 裂纹基本消除 。2100433B

1951年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功，并于1952年投入工业生产。1954年开始开展小型氧气顶吹转炉炼钢 的试验研究工作，1962年将首钢试验厂空气侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性试验。在试验取得成功的基础上，我国第一个氧气顶吹转炉炼钢车间（2×30t）在首钢建成，于1964年12月26日投入生产。以后，又在唐山、上海、杭州等地改建 了一批3.5~5t的小型氧气顶吹转炉。1966年上钢一厂将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间，改建成3座30t的氧气顶吹转炉炼钢车间，并首次采用了先进的烟气净化回收系统，于当年8月投入生产，还建设了弧形连铸机与之相配套，试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢 的品种。这些都为我 国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后，我国原有的一些空气侧吹转炉车 间逐渐改建成中小型氧气顶吹炼钢车 间，并新建了一批中、大型氧气顶吹转炉车 间。小型顶吹转炉有天津钢厂20t转炉、济南钢厂13t转炉、邯郸钢厂15t转炉、太原钢铁公司引进 的50t转炉、包头钢铁公司50t转炉、武钢50t转炉、马鞍山钢厂50t转炉等；中型的有鞍钢150t和180t转炉、攀枝花钢铁公司120t转炉、本溪钢铁公司120t转炉等；20世纪80年代宝钢从日本引进建成具70年代末技术水平的300t大型转炉3座、首钢购入二手设备建成210t转炉车间；90年代宝钢又建成250t转炉车间，武钢引进250转炉，唐钢建成150转炉车间，重钢和首钢又建成80t转炉炼钢车间；许多平炉车间改建成氧气顶吹转炉车间等。到1998年我国氧气顶吹转炉共有221座，其中100t以下的转炉有188座，（50~90t的转炉有25座），100-200t的转炉有23座，200t以上的转炉有10座，最大公称吨位为300t，顶吹转炉钢占年总钢产量的82.67% 。

为了克服空气侧吹转炉炼钢热效率低、钢中含氮量高的缺点，用氧气代替空气吹炼是惟一的出路，但一般耐火材料喷嘴承受不了吹氧炼钢时的强烈侵蚀。1973年，中国东北工学院(冶金系、沈阳第一钢厂、唐山钢厂参照氧气底吹转炉使用油、氧喷嘴的经验，将侧吹转炉的风嘴改为油、氧喷嘴，解决了吹氧炼钢的喷嘴寿命问题。于是空气侧吹碱性转炉炼钢法被改造成为氧气侧吹转炉炼钢法。氧气侧吹转炉炼钢的工艺操作和空气侧吹碱性转炉炼钢基本相同。只是由于不再把空气中大量的氮吹入炉内，热效率提高，原料中废钢比可达10%～25%，钢铁料消耗降低30～100kg/t钢，铁损减少使炉龄也有了提高。油、氧喷嘴的构造如图4所示。它由两根同心套管组成，外管为无缝钢管，内管为紫铜管。铜管内通氧气，外壁切削出几条细的螺旋油槽，和外层钢管构成轻柴油的通路。轻柴油和氧同时吹入炉内，轻柴油在喷嘴出口受热气化和裂解，吸收了很多热量，使喷嘴受到冷却，喷嘴出口温度保持在200～250℃，使喷嘴能正常吹氧而保持较长的寿命。

从1974年到1976年，中国有26座空气侧吹碱性转炉改造成氧气侧吹转炉，总容量达150_t。在推广应用吹氧后，发现氧气侧吹转炉容量仍然不能增大。侧吹转炉的除尘设备大(因为需要在吹炼时倾动炉身，8t侧吹转炉和25t顶吹转炉的除尘设备相当);氧气侧吹转炉消耗轻柴油4～8L/t;钢铁料消耗比顶吹转炉高10～20kg/t。由于存在这些缺点，到90年代初，除唐山钢厂一个氧气侧吹转炉车间还在继续生产外，其余的氧气侧吹转炉或改为顶吹氧气转炉，或者停止了生产。

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出钢口是熔融钢水从转炉流向钢包的通道，它是转炉的关键耐火元件之一。 出钢口使出钢过程实现了钢渣分离，减少钢渣流入钢包所造成的钢水污染，也减轻了合金元素烧损；同时，出钢口钢流对钢包钢水强搅拌，促进了夹渣和脱氧产物上浮，不仅影响了钢水冶炼的生产效率，也影响钢水的质量。 国内外转炉炼钢企业均将转炉出钢相关技术（出钢口及挡渣出钢工艺技术）置于十分重要的位置。