1、电炉冶炼工序钢液电炉冶炼工序钢液氮含量的控制工艺研究氮含量的控制工艺研究 舞阳钢铁公司 付冬阳 目目 录录1.摘要摘要2.脱氮的基本理论脱氮的基本理论3.冶炼过程钢液氮含量的变化冶炼过程钢液氮含量的变化4.生产中部分因素对钢液氮含量的影响生产中部分因素对钢液氮含量的影响5.结论结论1、摘要、摘要v通过对电炉炼钢过程中不同条件、不同时期气体样进行分析，研究了电炉铁水配比、VD真空保持时间等工艺参数对钢液中氮含量变化的影响。v实践表明电炉出钢氮含量随铁水配比的增加而降低，但当铁水配比大于40%后，变化不明显，出钢氮含量可控制在（3567）ppm；20分钟与15分钟的真空保持时间相比，脱氮率可提高1
2、5%以上。2、脱氮的基本理论、脱氮的基本理论 2.1、脱氮热力学v 在炼钢温度下，氮溶解在钢中，并遵循西华特定律：（1）（2）v 由公式（2）可以看出，降低氮分压可降低氮在钢液中的溶解度，所以真空处理可以在一定程度上脱氮。v 氮在钢液中的溶解是吸热过程，随着温度的升高，氮的溶解度是增加 的，所以温度过高会增加脱氮难度。在炼钢温度范围下，钢液中的氮含量远没有达到平衡，如条件允许，钢液会继续自发的吸氮。221NN 221NN 221NN 2fNNNPKN 2、脱氮的基本理论脱氮的基本理论2.2 脱氮动力学脱氮动力学 脱氮过程包括以下三个环节：（1）氮原子由钢液向气-液界面扩散；（2）氮原子在气-液
3、界面吸附，并结合成氮分子再从界面脱附；（3）氮分子向气相扩散。其中环节（1）为脱氮的限制性环节，即脱氮的动力学由氮原子向气-液界面扩散传质控制。3、冶炼过程钢液氮含量的变化、冶炼过程钢液氮含量的变化3.1电炉冶炼时期氮含量变化电炉冶炼时期氮含量变化v 在熔化期，电极下方固体料熔化塌落时无炉渣保护，金属液滴直接与炉气接触，有利于氮的溶解。炉气中的氮气在电弧的作用下直接分解，为钢液吸气创造了优越的环境，所以钢中氮含量在熔化过程中增加。v 在氧化期，由于氧化期吹氧脱碳反应迅速，熔池剧烈沸腾，此时脱气速度大于吸气速度，加之熔池渣层形成，从一定程度上隔绝了钢液与炉气的直接接触，钢液氮含量逐渐降低。但到了
4、氧化末期，脱碳速度降低、CO量减少且氧化渣变稀薄，炉气中氮气量增加，钢中氮含量稍有回升。3、冶炼过程钢液氮含量的变化、冶炼过程钢液氮含量的变化 3.2 LF3.2 LF精炼炼时期氮含量变化精炼炼时期氮含量变化 LF精炼过程虽有氩气搅拌，但熔池仍相对平静，脱气能力差。精炼过程处在较高的冶炼温度下，同时氩气搅拌使得钢液有机会与炉气直接接触，造成增氮，并且期间所加入的渣料、合金和脱氧剂等本身就含有一定量的氮，所以LF精炼过程中钢液氮含量不可避免的增加。3、冶炼过程钢液氮含量的变化、冶炼过程钢液氮含量的变化3.3 VDVD真空脱气时期氮含量变化真空脱气时期氮含量变化 VD抽真空脱气处理时，真空室内氮的
5、气体分压降低，溶解在钢液中的气体就会扩散出去，从而降低了钢液中气体含量。真空状态下氢的脱除效率较高，但由于氮的原子半径大，扩散速度慢，同时氮多以氮化物状态存在，真空脱氮效率不如脱氢高。4 4、生产中部分因素对钢液氮含量的影响、生产中部分因素对钢液氮含量的影响4.1 电炉铁水配比对钢中气体含量的影响电炉铁水配比对钢中气体含量的影响 对铁水成分偏差不大、生产过程无异常的不同铁水配比炉次进行出钢前气体含量分析，结果见图图1。在铁水配比40%以下时，随着铁水比增加，出钢氮含量明显降低，这是由于冶炼炉料的整体配碳比升高，氧化期碳氧反应剧烈脱气效果提高；但在铁水配比大于40%以后，受电炉炉膛限制，提高配铁
6、比后供氧强度并不能同比例增加，熔池沸腾剧烈程度一定，只能增加脱气时间，出钢氮含量降幅减缓。4 4、生产中部分因素对钢液氮含量的影响、生产中部分因素对钢液氮含量的影响4.2LF精炼周期对钢液氮含量的影响 对同一钢种Q345R，相同氩气搅拌强度，不同精炼周期情况下精炼毕氮含量的变化进行取样分析，结果见图图2。随着精炼周期的延长，钢液中氮含量增加，主要是因为经铝脱氧后，钢液中的溶解氧降低，氧的表面活性作用下降，抑制吸氮界面反应的能力降低，有利于钢液吸氮，随着精炼周期的延长，脱氧后的钢液与大气接触的机会增多，钢液氮含量增加。4 4、生产中部分因素对钢液氮含量的影响、生产中部分因素对钢液氮含量的影响4.
7、3合金加入量对精炼毕钢中氮含量的影响合金加入量对精炼毕钢中氮含量的影响 对于钢液中氮的活度系数而言，Cr、Mo、Mn、Ti、V等对氮的作用是降低钢中氮的活度系数，提高氮在钢种的溶解度，而B、C、Ni、P、S、Si等元素的作用则相反。同时目前使用的增碳剂、脱氧剂和合金中都含有一定量的氮3（如表1），在精炼增碳、脱氧和合金化过程都可能造成钢液增氮。对相同生产条件不同合金含量Cr-Mo系钢种炉次进行取样分析，结果见图图3。随着钢液中加入合金量的增加，主要是Cr、Mo、Mn元素的含量增加，钢液的氮含量有增长趋势。4 4、生产中部分因素对钢液氮含量的影响、生产中部分因素对钢液氮含量的影响4.4、VD真空
8、初始氮含量对钢中终点氮含量的影响真空初始氮含量对钢中终点氮含量的影响 在实际生产中，钢液经VD处理后的终点氮含量与入VD时钢液初始氮含量有明显的关系，如图4。初始氮含量越低，真空处理后终点氮含量也越低，因此，要想控制好钢液真空后的终点氮含量，必须从EAF-LF环节着手，降低电炉出钢氮含量，减少精炼过程增氮量。4 4、生产中部分因素对钢液氮含量的影响、生产中部分因素对钢液氮含量的影响4.5、VD真空保持时间对钢液终点氮含量的影响 真空脱氮包含两部分：一是依靠氩气泡携带脱氮；二是由于真空环境中氮分压降低，使得氮由钢液向真空扩散。但是由于脱氮的动力学条件可知，受氮原子向气-液界面扩散速度的限制，脱氮
9、速率较慢，因此适当延长VD真空保持时间可以降低终点氮含量，如表2所示。真空保持时间10分钟时的脱氮率为38.2%，明显高于真空保持时间15分钟时的脱氮率22.6%。5、结论（1）电炉出钢氮含量随铁水配比的增加而降低，但当铁水配比大于40%后，受电炉冶炼条件限制，氮含量降低幅度下降。出钢氮含量可控制在35-67ppm。（2）通过对LF-VD工艺的优化控制，整个精炼过程氮含量可以控制为负增长。目前可控制在真空后钢液氮含量较出钢时平均降低约5ppm。（3）经VD处理后终点氮含量控制在33-66ppm，且真空保持时间20min时的脱氮率38.2%，高于真空保持时间15min时的22.6%。图1电炉铁水
10、配比对出钢氮含量的影响图2 LF精炼周期对钢中氮含量的影响图3 合金加入量对钢中氮含量的影响表1 部分冶炼用材料中的氮含量 名称 中碳锰铁 高碳锰铁 低碳铬铁 硅钙 铝线 硅铁 石灰 萤石 氮含量/%0.046 0.00790.03380.5560.00050.00050.00210.0081图4 VD真空初始氮含量对终点氮含量的影响表2 不同真空保持时间前后氮含量及脱氮率真空保持真空保持15min15min真空保持真空保持20min20min炉号初始N/ppm终点N/ppm脱氮率/%炉号初始N/ppm终点N/ppm脱氮率/%1410211351.9045.83 11.71410250895.
11、7042.2355.91410238673.6559.55 19.11410251065.3037.1043.21410221462.5041.27 34.01410212871.5033.4053.31410206963.9054.70 14.41410250764.1751.9719.01410221764.2048.60 24.314102383113.0077.0531.81410204477.5566.60 14.11410238568.5548.8528.71410252569.1554.65 21.01410238468.9039.2043.11410238783.8552.05 37.91420049961.8746.6724.6合计68.3452.9122.6合计76.1247.0638.2
