唐钢冷轧用低碳钢中氮含量的控制技术研究

1322007年炉外精炼年会论文集2007年7月LadleRefining2007AnnualMeetingProceedingsJuly.2007唐钢冷轧用低碳钢中氮含量的控制技术研究佟志新白连臣刘宏伟田启新郭联英贾建辉1）唐钢技术中心，河北唐山，0630162）唐钢一钢轧厂，河北唐山，063016摘要通过改进工艺技术措施，降低冷轧用钢中氮的含量。主要在转炉采用相对弱脱氧，氮氩切换、顶渣加厚等工艺技术，LF控制底吹氩强度和连铸保护浇铸的逐步改进等技术措施，从转炉到连铸全程降低了冷轧用低碳钢中氮的含量。关键词转炉;LF炉;连铸;钢水;氮1前言2004年，唐钢冷轧薄板厂建成投产，将FTFC生产线（连铸3、4#机）和1700线（连铸1#机）的热轧薄板做为冷轧生产用原料，主要品种有：SPHC、SPHD、QD等；目前两条生产线的热轧薄板屈服强度偏高，影响冷轧的生产，分析原因之一是冷轧料中氮含量偏高，钢中生成微小的氮化物，致使其强度偏高。在炼钢过程中，氮会从炉气和炉料进入钢水。对于低碳钢，由于会析出Fe4N，导致出现时效和蓝脆现象，当钢中氮含量超过一定量时，易在钢中形成气泡和产生组织疏松，氮和铝、钛等形成性脆的夹杂物，由于在冷轧用低碳钢Al的含量较高，因此，无论是液态钢水和固体钢中都有AlN的存在，在通常情况氮含量（40～60ppm）下，晶粒度与AlN的析出有关。在热加工后期，AlN的奥氏体内弥散析出时阻碍加工再结晶，并在A-A3区间及高温回火时可以有效地阻碍铁素体晶界迁移，从而细化晶粒，使冷轧料强度增大。氮在冷轧用低碳钢中被认为是一种有害的杂质。因此，在炼钢生产的各个工艺环节采取相应的技术措施，降低冷轧用低碳钢中氮的含量。2转炉生产中氮的控制唐钢一钢轧厂有3座150t顶底复吹转炉，每座转炉出钢量为160～170t，底吹供气装置采用镁碳质24针孔管式透气砖，均匀布置在炉底，底吹气体为氮气和氩气，流量在0～800m3/h，采用分阶段定量装入法，废钢比：18～22％。影响转炉冶炼SPHC等钢种氮含量的因素主要有：氮氩切换时间、底吹氮气强度、补吹次数、出钢过程的影响（脱氧方式、出钢口的维护）等。顶底复吹转炉在冶炼过程中，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、硫表面活性元素对钢液吸氮和脱氮的阻碍作用消失，钢液能通过碳氧反应的生成物CO气泡携带法脱氮。在转炉吹氧脱碳过程中，存在着激烈的碳氧反应。由于碳氧反应生成的CO气泡，如同向钢液中吹入的氩气泡一样，冶炼时对钢液中的氮来说，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分子进入CO气泡，随着CO气泡上浮而从钢液中去处。在转炉吹炼的前期和中期，碳氧反应激烈，脱碳速度大，碳氧反应生成大量的CO，CO将熔池中的氮带走，这一阶段碳氧反应可以有效脱氮，脱氮速度很大，此时，脱氮量大于吸氮量，在这一时期，底吹氮不会影响增氮。转炉冶炼后期，由于碳氧反应减弱，如果全程底吹氮，钢水中氮含量会增加，但由于钢中氧、硫含的存在，当钢水中氧、硫含量达到一定程度时，钢液吸氮过程相应变慢，此时，钢水为氧化性，钢中的溶解氧和硫含量较高，氧和硫占据表面的分数增加，阻碍吹入的氮气泡进入钢液，同时，也能阻碍钢液与空气接触时从空气中吸氮。（1）基于以上理论，转炉底吹氮氩切换点分别为60％、70％、80％等情况下，对大包样进行氮含量分析（分析采用贺利氏普通取样器，把样品园杆部分加工成直径4mm的园棒送氧氮仪分析），从分析的数据（图1）可以看出；70％的切换点钢中氮含量较低，平均为：25.96ppm。July.20072007年炉外精炼年会论文集•133•不同切换SPHC中N含量051015202530354012345炉号N含量，ppn60％切换70％切换80％切换图1不同氮氩切换点条件下转炉大包钢水中氮含量（2）底吹氮气流量对终点〔N〕的影响表1氮气流量对终点氮的影响底吹氮气流量m3/min终点中N含量，ppm0.0259.50.030270.05033.30.07036.7表1是全程吹氮时不同氮气流量下终点中氮含量，从表1可以看出：随着底吹供氮气的流量的加大，钢水终点中氮含量增长很多，因此，为降低转炉大包中氮的含量，冶炼后期应切换为底吹氩气。（3）补吹对增氮的影响补吹也是影响转炉终点氮含量的主要因素之一，补吹可使钢液氮含量明显增加。转炉冶炼接近终点时，因为硫、磷超标或温度偏低等原因，在吹炼末期，需要进行补吹，此时熔池碳已经很低，产生的CO量很小，氧气流吹开渣面，使钢液暴露与空气接触，吹氧过程，处于熔池平均温度的钢液将从气相中吸氮，所以应避免补吹操作；通过跟踪SPHC钢种的冶炼，取样分析氮含量发现：补吹一次氮含量平均增加3～4ppm，补吹两次钢液氮含量平均增加14ppm，补吹次数越多，增加的氮含量越大。在冶炼SPHC等冷轧用低碳钢时，制定了以下工艺技术措施：入炉铁水全部经铁水预处理，入炉铁水S≤0.005％，转炉冷料全部使用优质废钢（或配加部分优质的直接还原铁），增大铁水比，拉碳争取一次拉碳，避免补吹，终点S≤0.010％；同时加入铁皮、轻烧白云石等使炉内炉渣发泡，避免或减少钢液裸露。（4）脱氧制度对钢液增氮有很大的影响。理论研究和生产实践表明：钢液溶解氧含量对吸氮过程影响极大，钢液不脱氧时，吸氮速度很小，钢液氮含量几乎不会增加，在冶炼SPHC时，转炉出钢时的溶解氧含量控制在200~300ppm之间(考虑到下一道LF工序的负担和生产节奏的要求)。出钢时的脱氧制度对吸氮的影响比较大。目前转炉出钢只加Fe-Mn和部分Fe-Al进行预脱氧和合金化的脱氧工艺，钢液氧含量保持在较高水平，此时吸氮量很小。在炉役后期，加强出钢口的维护，及时更换出钢口，避免出钢过程钢液散流，减少出钢过程吸氮（散流一般增氮5～7ppm）；另外，在出钢过程脱氧合金化完成后加入精炼石灰和精炼渣，保证足够的顶渣层厚度，阻止钢液从空气中吸氮；通过以上技术措施的实施，SPHC的转炉大包氮含量平均小于28ppm。3LF精炼过程氮的控制普遍认为LF增氮的主要原因是电弧区增氮、钢液与大气的接触、原材料增氮。LF精炼精炼过程主要是电弧区增氮。在电极加热时，电弧的阴极和阳极轮流位于石墨和钢液上，作用于钢液上时，这部分钢液较其它部位的钢液温度高，当其为阳极时温度为2600K，其为阴极时温度为2400K，而当钢液温度超过2130℃时，[O]对氮的影响作用消失。当温度升高时钢液中氮的溶解度增大，故电弧区增氮严重；为防止电弧区钢液面裸露，减少电弧区的增氮，LF精炼过程必须造好泡沫渣或保证有足够的渣层厚度。LF精炼时，钢液脱氧、脱硫良好，由于氧、硫的表面活性作用消失，只要钢液裸露就有吸氮的可能，因此在精炼过程控制吹氩功率，避免钢液面裸露。另外，供电制度对钢液吸氮也有较大影响。在没有通电的条件下，钢液被渣层覆盖，•134•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月与大气没有接触，钢液吸氮的热力学和动力学条件不足，此时吸氮很微弱，渣层可起到防止钢液吸氮的作用。如果LF加热采用大功率供电，短时间内钢液迅速升温，可减少电弧电离增氮的机会，同时减少了高温渣存在的时间，有利于防止氮通过渣层进入钢液。在LF精炼SPHC等低碳钢时主要采取了一下措施：（1）采用造泡沫渣埋弧（2）采用微正压操作（3）控制氩气搅拌功率，保证钢液面不裸露。（4）足够的渣层厚度（由于在转炉出钢时加入了精炼石灰和精炼渣，而且在LF精炼时还回浇余，因此LF精炼时渣层有足够的厚度）。表2是在1#机浇铸SPHC时LF工序氮含量，从表2可以看出：LF进站样与转炉大包样的氮含量水平相当（平均小于28ppm），出站氮含量平均30.49ppm,LF精炼过程平均增氮3.38ppm。这些数据表明以上技术措施还是很有效果的，控制住了LF工序这一增氮环节。表2LF精炼过程增氮情况（ppm）炉号LF进站LF出站LF增氮129.932.62.7228.334.76.4335.532.7-2.8420.824.33.5521.923.11.2621.830.48.6731.635.74.1平均值27.1130.493.384连铸过程氮含量的控制唐钢FTSC连铸机和1700线连铸过程钢包到中间包之间的钢水保护采用大包长水口加氩气密封，在接缝处使用耐火纤维密封圈，中间包加碱性覆盖剂保护钢液。中间包到结晶器的保护采用浸入式水口加连铸保护渣对钢液进行保护浇注，防止二次氧化和吸氮。由于该保护措施使得钢液与空气完全隔离开来，钢液从中间包到结晶器二次氧化和吸氮现象很弱，增氮小于3ppm，长水口氩封形式使用过三种类型：弥散型、长城槽型、双层钢壳型，经使用过程效果比较，最后都使用双层钢壳型的长水口；连铸保护浇铸的关键是钢包滑动水口与长水口连接部位密封的状况，这是空气最易进入的区域，。因为长水口内径大未被钢流充满，如同一个抽气泵把空气从接缝处吸入，如此处密封不严，吸入的空气量比敞开浇铸还可能严重，因此，保护浇铸的重点应放在此处。刚开始在FTSC连铸机和1700连铸机浇铸SPHC等低碳钢时，分析大包和LF出站样中氮含量，发现中包增氮在18～25ppm，中包增氮严重，为此，对使用的耐火纤维密封圈提高了其耐火度，并进行了改型和加厚，也试用过密封耐火泥圈的密封效果。表3是不同密封圈中包的增氮量对比，加厚型的密封效果相对好些，采用了加厚改进型的密封圈。表3不同形式密封圈对中包增氮的影响密封圈类型1400耐火度1600耐火度大薄型加厚型增氮量，ppm24.7421.3421.6115～20.5但是，只对密封圈改造中包增氮量还是较大，因此，对支撑长水口的机械臂的支撑压力进一步加大，1#机系统支撑压力达到120kg以上，3、4#机通过加大液压缸和支撑杆，压力也在50kg以上，同时改造了氩封流量控制装置，采用澳镁公司的动态流量控制系统。结果这些改造效果是明显的，使中包1#机增氮量控制在10ppm以下，3、4#机增氮量也控制在5ppm以下，3、4#机浇铸SPHC时中包氮含量在40～50ppm。表4是3、4#机采用澳镁动态流量控制系统后中包增氮情况，表5是1#机支撑系统提压后浇铸SPHC时中包增氮的数据。July.20072007年炉外精炼年会论文集•135•表4采用澳镁动态流量控制3#、4#机中包增氮情况（ppm）炉号LF出站中包中包增氮137.539.42.2231.5375.5327.531.44449.247.50525.731.45.7平均值34.2837.343.48表5支撑机械臂压力提高中包增氮的情况（ppm）炉号LF出站中包中包增氮129.334.65.3235.749.714.0330.236.96.7430.531.51.0528.134.56.4平均值30.7637.446.68通过以上的技术措施，1#、3、#4#机在浇铸SPHC等冷轧料时中包氮含量维持在较低水平，长水口支撑压力的提高和氩气密封控制起到了关键作用，下一步准备在1#机也采用澳镁的流量控制技术。5．结论唐钢一钢轧厂顶底复吹转炉大包氮含量达到了正常水平（小于28ppm）,以后随着RH的投产，转炉大包溶解氧可控制在500～600ppm，大包氮含量还可以降低5～6ppm，大包氮含量可达到20ppm左右；LF的氮含量控制主要在操作的稳定性，严格执行各项控氮措施，LF增氮应控制在10ppm以下；连铸环节1#、3#、4#机增氮较小，取得了较好的效果；总之，通过以上技术措施的实施，唐钢冷轧用低碳钢氮含量有了较大幅度的降低，能够满足冷轧的需要，同时唐钢在生产SPHC等冷轧用钢的氮含量控制方面有了比较完善的技术措施，为今后生产更高档次的钢种打下了较好的基础。参考文献1刘阳春，傅杰，王天义，等.150吨顶底复吹转炉全程底吹氮的试验研究.2005年薄板坯连铸连轧品种与工艺技术研讨会论文集，扬州，2005年4月：12-16.2傅杰.钢冶金过程动力学.北京，冶金工业出版社，2001：141～148.3蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M]