电炉-真空脱气-连铸工艺终点氮含量的控制

对电弧炉炼钢工艺（EAF），由于进入钢水中的氮量增加以及脱氮率低等因素，难以生产出低氮含量的钢。在利用EAF-VAD-CC工艺生产重要钢种的过程中，SAIL进行了工业规模的试验，成功地生产出低氮含量的钢。在对传统工艺生产过程中氮含量的变化测量研究后，提出了改进的工艺方案。对EAF，采用新铁料，在泡沫渣和开放式出钢操作下冶炼，限制了氮卷入到钢水中。在随后的VAD精炼过程中，利用脱硫吸附强的炉渣进行脱硫处理，采用高的吹氩搅拌速率以及深度真空处理提高脱氮效果。浇注过程中全程气体与陶瓷保护，防止空气卷入到钢水中。这些措施的使用实现了钢中终点氮含量大约50%的下降。钢中氮含量高，严重影响了钢的塑性与时效硬化性能，并降低钢的热塑性，这可能导致连铸过程中铸坯出现横向裂纹。SAIL公司Durgapur合金钢厂（ASP）利用EAF-VAD-CC工艺生产重要用途用低碳、低氮的铝镇静钢。ASP生产出的重要钢种，其它残余元素含量整体较低，但是氮和硫含量高，不符合标准。采用传统的炼钢生产工艺，最终产品中氮和硫的平均含量分别达到100ppm和180ppm。而标准规定[N]不超过60ppm，[S]不超过100ppm。为了符合标准要求，进行了实验研究。与气体炼钢精炼反应器不同，EAF通过渣金反应不能脱氮。影响炼钢生产中脱氮效果的因素非常复杂，与表面活性元素的浓度以及氮在钢水和界面的迁移速度有关。这些因素阻止了炼钢以及脱气操作过程中氮的迁移，因此，要生产出低氮含量的钢，限制氮进入钢水以及提高氮脱除效果同样重要。一般而言，电炉钢比转炉钢的氮含量要高。EAF所用铁料如废钢的来源途径不一，可能导致钢中氮的增加。闪弧过程中电离的等离子气体环绕电弧，促进周围的氮分解成单原子态并快速地被钢水吸收。与氧气转炉相比，EAF中脱去的碳量以及反应生成的CO量低，导致钢水中氮的脱除量少，最终产品中的氮含量波动范围大。能够降低EAF钢水中氮含量的操作方法很多，包括选择合适的兑铁料和能在熔化过程中生成早期渣的熔剂，以及在熔炼和精炼过程中通过泡沫渣与充分的CO形成而对电弧进行保护。在出钢过程中，密集的钢流以及钢中高的溶解氧含量阻止了氮卷入到钢水中。控制氮脱除速率的措施有氮在钢中扩散率以及表面活性元素对氮在界面出迁移的阻抗度，因此，在真空脱气处理脱氮前，必须保证搅拌速率高以及表面活性元素如硫和氧的浓度低。钢厂操作实践ASP的炼钢车间的设备有3座50tEAF、1台60tVOD、1台60tLF和一台板坯/方坯复合铸机。通过EAF-VAD-CC工艺路线，生产出中低碳含量（0.15%）的铝镇静钢，锰含量中等，用于重要的应用领域。在EAF，熔炼过程中加入两篮废钢，熔炼后采用纯度高的氧气（99.9%），钢水一般精炼约5个点的碳。废钢有外购的，也有厂内自产的。主要采用电力熔炼，偶尔也进行氧气冶炼。由于没有任何挡渣设备，钢包下渣量估计在12~15kg/t钢。出钢完毕后，立即用锰铁合金和少量的铝（0.5kg/t）对钢包炉中的钢水进行预脱氧。在VAD入口站加入石灰和脱氧剂进行完全脱氧与下渣稀释。真空脱气处理后，钢水连铸成板坯，其中钢包与中间包之间仅采用陶瓷保护，而中间包与结晶器之间采用SEN。这样的工艺生产出的最终产品中含200ppm的硫以及100ppm的氮。对由传统的EAF-VAD-CC工艺生产的13炉铝镇静钢测量分析了从完全熔化、EAF出钢前、VAD开始阶段、VAD脱气前、VAD终点以及中间包中氮的含量，从而计算出在不同工艺阶段氮的进入或脱除量。实际测量结果显示，完全熔化时平均氮含量在70ppm，而在中间包中达到97ppm。改进的工艺在对传统工艺炉次中的氮含量分析的基础上，找出影响氮含量控制的工艺步骤和关键措施，从而得出针对EAF和VAD设备而提出的工艺改进方案。在实验过程中对EAF进行改进的措施有：◆加料：废钢（BOF废钢）40%~50%；打包废钢15%~20%；铸铁6%~15%；板5%~10%；轻质破碎废料。在没有铸铁的情况下使用低氮焦炭补充加料中的C装料。◆熔剂操作：石灰20kg/t；铁矿石15kg/t；在70%熔化时开始喷碳造泡沫渣；完全熔化后脱碳沸腾至少0.40%。◆出钢：炉中不进行脱氧。◆钢包加入：粉末石灰石和焦炭（50:50）1kg/t。在VAD中改进的工艺突出特点是：开始阶段全脱氧以及加入熔剂；在真空室压力500毫巴下进行温度调整；改进炉渣化学成分使其接近石灰饱和态；在压力2毫巴时对钢水深度脱气15分钟，[S]达到~120ppm；在深度脱气过程中采用高密度的吹氩搅拌。采用改进的工艺后，对上述炉次的氮含量进行重新测量，发现在各个阶段氮含量均有所下降，其中，完全熔化时的氮含量下降到58ppm，中间包中的氮下降到55ppm，且整个工艺流程过程中氮含量均没有超过60ppm。对传统工艺炉次中氮含量的分析，发现其中突出的特点有：全部熔化阶段氮含量高65~75ppm；精炼过程中（全部熔化至出钢前）氮含量上升5ppm；出钢过程卷入钢中氮10~12ppm；在VAD开始与脱气前这一阶段氮含量无变化；在VAD深脱气过程中氮脱去量低4~8ppm；在浇注/连铸过程中钢包和中间包中卷入的氮高达15ppm。熔炼与精炼传统炼钢生产过程中，全部熔化阶段钢水中的氮含量高，原因是使用了氮含量高的废钢，在熔炼过程中炉渣形成延迟或者加料中无早期炉渣形成材料，如铁矿石或直接还原铁，以及在熔炼过程中无CO生产。炉渣料如铁矿石加入量从0~15kg/t变化，而采用铸铁导致加料中的碳装入量增加，在6~18%之间变化。由试验发现，溶解的[C]越多，则钢水中溶解的[N]就随着下降。BOF废钢加入量对完全熔化阶段氮含量也有影响，总的趋势是BOF废钢加入比例越大，氮含量越低。但由于BOF废钢成本高，所以在生产炉次中入料比例限制在最大45%~50%，而且加入的铸铁中带入磷，从而也将铸铁的加入比例限制在最大15%。通过这些措施的混合使用，试验炉次中溶解的氮含量能降低到50~58ppm。发现在传统精炼的炉次中，氮含量上升了5ppm，而不是下降了。原因是熔炼采用开放式电闪弧、无脱碳沸腾以及无炉渣发泡等。在试验中，为了控制熔炼和精炼过程中氮的卷入，用泡沫渣保护电弧，并采用0.20%~0.40%的脱碳沸腾。出钢过程氮的卷入采用开放式出钢操作，也就是对炉中的钢水不进行脱氧处理，通过对流槽的有效维护，保证了简单紧凑。而这会使5~7ppm氮卷入到试验炉次钢水中，但对传统工艺炉次，发现卷入量却在10~12ppm。在无法有效测量溶解氧的情况下，脱氧程度由渣中FeO含量反映。试验炉次中FeO含量为18%~20%，而传统工艺炉次则为8%~10%。VAD脱氮加入到VAD中的石灰量增加，以获得接近石灰饱和点的炉渣成分，同时也加入少量的CaF2（0.5kg/t）以提高渣的流动性。在VAD脱气开始阶段就完成脱氧剂和熔剂的加入，希望钢水能够完全脱氧，获得所需的高硫化物吸附能力的渣成分。改变炉渣成分，在脱气前钢水中硫含量降低到120ppm。发现VAD脱气更能有效地脱氮。试验结果发现，降低表面活性元素的浓度可以提高脱氮率。浇注过程氮的卷入在试验过程中，除了在钢包和中间包之间采用陶瓷保护外，也使用气体保护浇注，可有效地控制钢包和中间包之间的氮的卷入。在试验过程中，这些措施有效地把卷入到钢中的氮量降低到5~7ppm，而传统工艺炉次中卷入氮却在15ppm。结论电炉生产过程中，通过加入早期渣形成材料、提高加料中的碳装料水平以及氧气辅助熔炼等措施，限制了完全熔化阶段氮的二次卷入量，保证钢中氮含量低；泡沫渣保护下熔炼可使精炼终了时钢中的氮至少下降5ppm；钢水中高的溶解氧以及改善的钢水流紧凑度，限制了EAF出钢过程中氮的增加；钢水中S含量的降低可提高二次精炼设备氮的脱去效果；提高钢水流的保护降低了铸机中氮的吸收量。