轉(zhuǎn)爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼氮含量的影響環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)爐煉鋼廠冶煉工藝路線為:轉(zhuǎn)爐—LF精煉—連鑄。因鋼液吸氮貫穿于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)的全過(guò)程。煉鋼過(guò)程需要在每一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)增氮進(jìn)行控制。要降低最終鋼液中的氮含量, 必須控制爐料中的原始氮含量和熔煉過(guò)程、轉(zhuǎn)爐爐出鋼過(guò)程、LF 精煉過(guò)程、中間包及結(jié)晶器中的增氮。

轉(zhuǎn)爐鋼按爐襯的耐火材料性質(zhì)可分為堿性轉(zhuǎn)爐鋼和酸性轉(zhuǎn)爐鋼。按氣體吹入爐內(nèi)的部位可分為頂吹轉(zhuǎn)爐鋼、底吹轉(zhuǎn)爐鋼和側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼，還有頂吹、底吹復(fù)合轉(zhuǎn)爐鋼等?，F(xiàn)在氧氣轉(zhuǎn)爐鋼生產(chǎn)效率高，質(zhì)量也很好，己被廣泛應(yīng)用，成為世界上的主要鋼類(lèi)。轉(zhuǎn)爐鋼的主要品種有碳素鋼、低合金鋼和少量合金鋼。

在通常情況下, 鋼中氮被認(rèn)為是有害元素。鋼中的氮對(duì)鋼的影響主要有以下幾個(gè)方面:氮在晶界析出, 造成鋼質(zhì)出現(xiàn)藍(lán)脆;氮與鋼中Ti 或A1 結(jié)合為(TiN)或(AlN), 弱化晶界強(qiáng)度, 使得鋼的脆性區(qū)發(fā)生變化, 易造成鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;鋼中氮存在,降低了鋼的韌性、焊接性能、熱應(yīng)力區(qū)韌性, 使鋼材脆性增加 。

目前,轉(zhuǎn)爐的工藝路線中, 轉(zhuǎn)爐爐料主要是80 ～ 85 %的鐵水, 其余為廢鋼。原料情況較為穩(wěn)定, 保證了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量較穩(wěn)定。因此, 增氮的環(huán)節(jié)為轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中合金增氮及鋼水吸氮, 精煉過(guò)程增氮及連鑄澆注過(guò)程中吸氮。根據(jù)鋼中氮含量的影響環(huán)節(jié), 在各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣, 通過(guò)美國(guó)LECO 公司的TCH600 氧氮?dú)溥B測(cè)儀分析。

轉(zhuǎn)爐出鋼前鋼中的氮含量為0.0244 %, 出鋼過(guò)程及合金化增氮0.0132 %, 精煉過(guò)程氮增加量為0.0364 %, 連鑄過(guò)程增氮為0.0194 %(主要是精煉出站到中包增加)。通過(guò)取樣分析, 說(shuō)明鋼液增氮貫穿于整個(gè)煉鋼生產(chǎn)過(guò)程。

而最主要的增氮環(huán)節(jié)為精煉過(guò)程增氮。因此精煉過(guò)程增氮是目前杭鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼的限制性環(huán)節(jié)。如能合理改善LF 精煉工藝則可以有效地控制鋼中氮含量 。

1 　精煉工序氮來(lái)源分析

從上述分析可知, 精煉工序增氮為轉(zhuǎn)爐煉鋼全程增氮的限制性環(huán)節(jié)。而精煉工序增氮的影響因素主要有:原輔材料帶入、喂線工藝鋼水外翻吸氮、通電過(guò)程鋼水吸氮。

為搞清楚精煉工序增氮的變化規(guī)律, 特將精煉過(guò)程分為進(jìn)站、中間樣、鈣處理前、出站四個(gè)節(jié)點(diǎn)分析鋼中氮含量的變化規(guī)律。

增氮過(guò)程貫穿于整個(gè)精煉過(guò)程, 最主要的節(jié)點(diǎn)為進(jìn)站到取中間樣及通電結(jié)束成分微調(diào)、鈣處理兩個(gè)階段。分析精煉工藝過(guò)程,第一個(gè)增氮環(huán)節(jié)主要因素有造渣初期, 大量的原輔料加入帶入的氮, 泡沫化白渣未成形造成鋼水吸氮。第二個(gè)增氮環(huán)節(jié)為鋼水成分微調(diào)喂入碳線、鈣線帶入的氮及喂線過(guò)程鋼水大翻吸氮。因此, 原輔料帶入氮及鋼液吸氮為精煉工序增氮因素。

2 　精煉工序原輔料分析

對(duì)目前精煉工序原輔料中可能帶來(lái)氮的原輔料逐一取樣排查。分析出其中造渣劑、碳芯線氮含量較高, 生產(chǎn)工程加入量較大。

1)造渣劑:為檢驗(yàn)其中的氮含量,造渣劑中氮含量較高,且批次間含量極不穩(wěn)定。為研究造渣劑中的氮的存在方式, 利用XRD -6100 衍射儀定性分析。

從XRD 分析可知, 造渣劑中的氮主要以AlN 形式存在。通過(guò)下式進(jìn)入鋼中, 從而使鋼水增氮。用于精煉結(jié)束成分微調(diào), 取樣分析,碳芯線中氮含量較高。因此通過(guò)一定速度達(dá)到一定深度要求喂入含氧較低的鋼液, 碳芯線中氮直接進(jìn)入鋼中, 從而使鋼水增氮。

1 　工藝改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析, 控制轉(zhuǎn)爐鋼中氮含量, 主要控制精煉環(huán)節(jié)原輔料增氮, 及整個(gè)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程鋼液吸氣增氮。鋼中的氮即可得到有效控制。具體改進(jìn)工藝如下:

1)精煉過(guò)程的吹氬、供電制度進(jìn)行完善, 盡量減少鋼水不裸露吸氮;

2)減少精煉造渣劑使用量, 由原來(lái)3kg/噸降低到0 .6kg/噸鋼, 減少造渣劑增氮;

3)改進(jìn)精煉成分微調(diào)的碳芯線, 降低碳芯線中氮含量。要求達(dá)到0 .05 %以下;

4)做好連鑄全程保護(hù)澆注, 控制鋼水在澆注過(guò)程中吸氮。

2 　實(shí)施效果

通過(guò)以上改進(jìn)措施, 跟蹤成材中圓鋼中氮含量, 結(jié)果明顯下降。取轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)40Cr 、20Cr 、A105 三鋼種。

經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后, 轉(zhuǎn)爐鋼中氮含量明顯下降(下降比例達(dá)到40 %～ 50 %)。跟蹤后續(xù)圓鋼, 圓鋼表面鱗狀裂紋的基本消除。

1)轉(zhuǎn)爐煉鋼增氮的主要環(huán)節(jié)為L(zhǎng)F 精煉工序,而LF 精煉工序增氮主要為前期造渣階段及后期成分微調(diào)階段;

2)LF 精煉工序前期造渣階段主要是大量的造渣劑加入, 造渣劑中AlN 進(jìn)入鋼中增氮;

3)LF 精煉成分微調(diào)主要是碳芯線中大量的氮進(jìn)入鋼中增氮及鋼液裸露吸氣增氮;

4)通過(guò)工藝改進(jìn), 圓鋼中氮含量明顯降低, 裂紋基本消除 。2100433B

1951年堿性空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法首先在我國(guó)唐山鋼廠試驗(yàn)成功，并于1952年投入工業(yè)生產(chǎn)。1954年開(kāi)始開(kāi)展小型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼 的試驗(yàn)研究工作，1962年將首鋼試驗(yàn)廠空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐改建成3t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，開(kāi)始了工業(yè)性試驗(yàn)。在試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，我國(guó)第一個(gè)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車(chē)間（2×30t）在首鋼建成，于1964年12月26日投入生產(chǎn)。以后，又在唐山、上海、杭州等地改建 了一批3.5~5t的小型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐。1966年上鋼一廠將原有的一個(gè)空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車(chē)間，改建成3座30t的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車(chē)間，并首次采用了先進(jìn)的煙氣凈化回收系統(tǒng)，于當(dāng)年8月投入生產(chǎn)，還建設(shè)了弧形連鑄機(jī)與之相配套，試驗(yàn)和擴(kuò)大了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼 的品種。這些都為我 國(guó)日后氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。此后，我國(guó)原有的一些空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車(chē) 間逐漸改建成中小型氧氣頂吹煉鋼車(chē) 間，并新建了一批中、大型氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車(chē) 間。小型頂吹轉(zhuǎn)爐有天津鋼廠20t轉(zhuǎn)爐、濟(jì)南鋼廠13t轉(zhuǎn)爐、邯鄲鋼廠15t轉(zhuǎn)爐、太原鋼鐵公司引進(jìn) 的50t轉(zhuǎn)爐、包頭鋼鐵公司50t轉(zhuǎn)爐、武鋼50t轉(zhuǎn)爐、馬鞍山鋼廠50t轉(zhuǎn)爐等；中型的有鞍鋼150t和180t轉(zhuǎn)爐、攀枝花鋼鐵公司120t轉(zhuǎn)爐、本溪鋼鐵公司120t轉(zhuǎn)爐等；20世紀(jì)80年代寶鋼從日本引進(jìn)建成具70年代末技術(shù)水平的300t大型轉(zhuǎn)爐3座、首鋼購(gòu)入二手設(shè)備建成210t轉(zhuǎn)爐車(chē)間；90年代寶鋼又建成250t轉(zhuǎn)爐車(chē)間，武鋼引進(jìn)250轉(zhuǎn)爐，唐鋼建成150轉(zhuǎn)爐車(chē)間，重鋼和首鋼又建成80t轉(zhuǎn)爐煉鋼車(chē)間；許多平爐車(chē)間改建成氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車(chē)間等。到1998年我國(guó)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐共有221座，其中100t以下的轉(zhuǎn)爐有188座，（50~90t的轉(zhuǎn)爐有25座），100-200t的轉(zhuǎn)爐有23座，200t以上的轉(zhuǎn)爐有10座，最大公稱(chēng)噸位為300t，頂吹轉(zhuǎn)爐鋼占年總鋼產(chǎn)量的82.67% 。

為了克服空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱效率低、鋼中含氮量高的缺點(diǎn)，用氧氣代替空氣吹煉是惟一的出路，但一般耐火材料噴嘴承受不了吹氧煉鋼時(shí)的強(qiáng)烈侵蝕。1973年，中國(guó)東北工學(xué)院(冶金系、沈陽(yáng)第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗(yàn)，將側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的風(fēng)嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問(wèn)題。于是空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法被改造成為氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝操作和空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內(nèi)，熱效率提高，原料中廢鋼比可達(dá)10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使?fàn)t齡也有了提高。油、氧噴嘴的構(gòu)造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無(wú)縫鋼管，內(nèi)管為紫銅管。銅管內(nèi)通氧氣，外壁切削出幾條細(xì)的螺旋油槽，和外層鋼管構(gòu)成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時(shí)吹入爐內(nèi)，輕柴油在噴嘴出口受熱氣化和裂解，吸收了很多熱量，使噴嘴受到冷卻，噴嘴出口溫度保持在200～250℃，使噴嘴能正常吹氧而保持較長(zhǎng)的壽命。

從1974年到1976年，中國(guó)有26座空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐改造成氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，總?cè)萘窟_(dá)150_t。在推廣應(yīng)用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量仍然不能增大。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備大(因?yàn)樾枰诖禑挄r(shí)傾動(dòng)爐身，8t側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和25t頂吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備相當(dāng));氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉(zhuǎn)爐高10～20kg/t。由于存在這些缺點(diǎn)，到90年代初，除唐山鋼廠一個(gè)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車(chē)間還在繼續(xù)生產(chǎn)外，其余的氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐或改為頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，或者停止了生產(chǎn)。

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出鋼口是熔融鋼水從轉(zhuǎn)爐流向鋼包的通道，它是轉(zhuǎn)爐的關(guān)鍵耐火元件之一。 出鋼口使出鋼過(guò)程實(shí)現(xiàn)了鋼渣分離，減少鋼渣流入鋼包所造成的鋼水污染，也減輕了合金元素?zé)龘p；同時(shí)，出鋼口鋼流對(duì)鋼包鋼水強(qiáng)攪拌，促進(jìn)了夾渣和脫氧產(chǎn)物上浮，不僅影響了鋼水冶煉的生產(chǎn)效率，也影響鋼水的質(zhì)量。 國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)爐煉鋼企業(yè)均將轉(zhuǎn)爐出鋼相關(guān)技術(shù)（出鋼口及擋渣出鋼工藝技術(shù)）置于十分重要的位置。