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劉金剛 李戰(zhàn)軍 朱志遠 王星 郝寧 柴玉國

（首鋼技術(shù)研究院）1（秦皇島首秦金屬材料有限公司）2

摘要通過對某中厚板廠現(xiàn)有品種的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品對氮含量的要求進行分析，確定了該廠大部分品種具備全程底吹氮氣工藝可行性。對各影響鋼水氮含量因素進行試驗后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐后期底吹氣體采用氮氣替代氬氣并不會造成鋼水明顯增氮，且對于大多數(shù)中厚板品種均可以采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝。經(jīng)過批量試驗后，采用全程底吹氮氣工藝與原工藝相比，鋼水成品中氮含量僅增加0. 000 22%，連鑄坯表面質(zhì)量和鋼板性能未產(chǎn)生不良影響，并可以使噸鋼氣體成本降低1.0 -1.5元。

關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)爐底吹氮氣

 轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖痛倒に嚺c轉(zhuǎn)爐頂吹工藝相比，有效加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了生產(chǎn)效率，還降低了鋼水和鋼渣的氧化性，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，轉(zhuǎn)爐底吹工藝采用全程吹氬氣或氮氬切換方式，對于對氮含量要求極為嚴格的鋼種采用全程吹氬，而對于一般鋼種均采用在吹煉到供氧量的60% - 70%時進行氮氬切換，即前期采用底吹氮氣，后期切換為氬氣，既降低了氣體成本，又防止了鋼水氮含量超標。為了降低底吹氣體成本，在20世紀80年代左右就有研究者開展了全程底吹氮氣工藝的摸索，但由于設(shè)備保障和控制水平等諸多原因未能獲得成功應(yīng)用，近幾年也有一些研究者重新開展了這方面研究，但均未見成功應(yīng)用報道。隨著各方面技術(shù)的進步以及控制水平的穩(wěn)定提高，之前限制該技術(shù)發(fā)展的瓶頸已基本得到解決，為進一步降低氣體成本，在某中厚板廠進行了轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝研究。

1  品種結(jié)構(gòu)及對氮含量的要求

為確定降低氣體成本的應(yīng)用目標和范圍，對2010年某中厚板廠主要品種比例進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

 由表1可見，2010年某中厚板廠主要品種產(chǎn)量最大為船板，達到了43%，其次為低合金鋼板，達到了21%，第3為管線鋼，達到了14%，由高到低的順序依次為船板、低合金鋼、管線鋼、橋梁用鋼、普碳鋼、容器用鋼和Z向鋼。

 對各品種氮含量要求進行了分析，得知抗酸管線鋼對鋼中氮含量要求最為嚴格，為不大于0. 006%；其次為西氣東輸二線管線鋼的氮含量要求，為不大于0. 007%，除此之外，其他品種的標準為不大于0. 008%。可見，各品種對鋼中氮含量的控制并不嚴格，尤其對于現(xiàn)在非常穩(wěn)定成熟的生產(chǎn)工藝來說氮含量控制并不是難題，因此轉(zhuǎn)爐采用氮代氬進行全程底吹氮氣工藝的研究是可行的。

2轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝研究

2.1  現(xiàn)有底吹工藝下鋼水氮含量的變化

為研究轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝的可行性，首先對現(xiàn)有底吹工藝下鋼水氮含量進行分析，包括全程底吹氬氣和氮氬切換2種底吹工藝。轉(zhuǎn)爐公稱容量為100 t，底吹流量前期為300m³/h，中后期為200 m³/h。某中厚板廠100 t轉(zhuǎn)爐現(xiàn)有底吹工藝下鋼水氮含量變化見表2。

 由表2可見，全程底吹氬氣工藝與氮氬切換工藝相比，全程底吹氬氣工藝對鋼水氮含量的影響僅限于LF爐結(jié)束之前，且2種工藝在不同階段鋼水氮含量的差值均小于0. 000 5%，即精煉過程對鋼水氮含量的影響大于氮氬切換工藝對鋼水氮含量的影響，而經(jīng)過RH真空處理后，2種工藝下鋼水氮含量均小于0. 003 5%，中間包內(nèi)鋼水氮含量也相差很小，說明底吹氣體由氬氣換為氮氣對鋼水氮含量的影響不大，即不會對鋼水質(zhì)量造成不良影響，因此對全程底吹氮氣工藝進行了嘗試。

 從全流程的氮含量變化來看，增氮主要發(fā)生在轉(zhuǎn)爐終點到LF爐進站和LF爐進站到LF爐結(jié)束，即出鋼過程和精煉過程，鋼水氮含量增加均小于0. 001 5%，即LF爐結(jié)束鋼水氮含量均可以控制在0. 0045%以內(nèi)，因此對于采用轉(zhuǎn)爐冶煉-LF爐精煉一連鑄工藝生產(chǎn)的鋼種在氮含量控制上尚有較大空間，而經(jīng)過RH真空處理后鋼水氮含量將降低，因此對采用轉(zhuǎn)爐冶煉-LF爐精煉一RH精煉一連鑄工藝生產(chǎn)的鋼種在氮含量控制上更加容易。該廠幾乎所有品種均采用這2種工藝生產(chǎn)，因此大多數(shù)鋼種均可通過這一措施降低冶煉成本。

2.2不同底吹流量對轉(zhuǎn)爐

 終點鋼水氮含量的影響

 為細化各工藝參數(shù)對鋼水氮含量的影響，進行了不同底吹流量對轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量的影響試驗。試驗爐次轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量為0. 04%-0.08%，溫度為1 640 -1 680℃。吹煉過程采用全程底吹氮氣，在吹煉過程中底吹流量不變，共使用4支底吹槍，不同底吹模式下流量分別為200，240，280 m³/h，每種底吹模式取樣30爐。3種底吹模式下鋼水平均氮含量依次為0. 00234%．0. 00258%，0.00293%。可見，隨著底吹流量的增加，轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量也增加。轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量在底吹流量為240，280 m³/h時比底吹流量為200 m³/h時分別增加0.000 24%．0. 000 59%，增加比例分別為10.3%，25. 2%，說明當?shù)状盗髁窟_到240 m³/h以上后，底吹流量對轉(zhuǎn)爐終點鋼水氮含量影響較大，因此全程底吹氮氣時轉(zhuǎn)爐底吹流量不宜超過240m³/h。

2.3轉(zhuǎn)爐終點溫度對鋼水氮含量的影響

由于不同的工藝要求不同的轉(zhuǎn)爐終點溫度，因此進行了不同轉(zhuǎn)爐終點溫度下全程底吹氮氣對鋼水氮含量的影響試驗。試驗前期底吹流量為300 m³/h，試驗中后期底吹流量為200 m，/h，轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量為0. 04%-0.08%，轉(zhuǎn)爐終點溫度為1 580—1 720℃，共試驗23爐，結(jié)果如圖1所示。

 由圖1可見，轉(zhuǎn)爐終點溫度為1 580 -1 720℃時，鋼水氮含量為0. 001 5% -0. 003 0%，分布無規(guī)律，且無明顯變化趨勢。

2.4轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量對氮含量的影響

為考察鋼種不同所引起的碳含量對鋼水氮含量影響，分別在轉(zhuǎn)爐終點碳含量分布在0. 02%-0.10%的爐次進行了試驗，試驗前期底吹流量為300 m³/h，試驗中后期底吹流量為200 m³/h。轉(zhuǎn)爐終點溫度控制在1 640 -1 680℃，共試驗29爐，結(jié)果如圖2所示。

 由圖2可見，隨著轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量的降低，鋼水氮含量呈逐漸增加的趨勢，但當終點碳含量降至0. 08%以下時，鋼水氮含量增加的趨勢不明顯。在轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量高于0. 08%時，鋼水氮含量基本在0. 002 00-10以下；當轉(zhuǎn)爐終點鋼水碳含量低于0. 08%時，鋼水氮含量大部分高于0. 002 0%，且最高接近0.0030%。

2.5轉(zhuǎn)爐脫氧工藝對轉(zhuǎn)爐出鋼增氮的影響

為研究出鋼過程鋼水增氮情況，針對不同轉(zhuǎn)爐脫氧工藝進行了出鋼增氮試驗，轉(zhuǎn)爐脫氧工藝分為強脫氧（鋁鐵脫氧）和弱脫氧（硅錳脫氧）2種，分別在轉(zhuǎn)爐出鋼前和LF爐精煉開始取鋼樣，結(jié)果見表3。

 由表3可見，強脫氧工藝轉(zhuǎn)爐出鋼增氮明顯高于弱脫氧工藝。強脫氧工藝鋼水平均增氮量為0. 00233%；弱脫氧工藝鋼水平均增氮量為0. 00082%。

 在弱脫氧工藝下，脫氧劑加入量大的爐次鋼水增氮量也相對較多，即出鋼過程脫氧越徹底的爐次鋼水增氮量越大，脫氧程度較弱的爐次鋼水增氮量較小，但所有爐次LF爐進站鋼水氮含量均控制在0. 0050%以內(nèi)，按正常LF爐精煉過程鋼水增氮水平，LF爐結(jié)束鋼水氮含量均可以控制在0. 0070%以內(nèi)，即滿足絕大多數(shù)鋼種要求。

3轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣

  工藝應(yīng)用情況及對比

3.1  轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝各工序鋼水氮含量控制水平

以上研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝具有可行性，因此首先對采用轉(zhuǎn)爐冶煉-LF爐精煉-RH精煉一連鑄的轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝生產(chǎn)的鋼種進行了批量試驗，共試驗22爐，其各工序鋼水氮含量控制水平見表4。

 由表4可見，采用轉(zhuǎn)爐冶煉-LF爐精煉一RH精煉一連鑄工藝時各工序鋼水氮含量控制較好，連鑄中間包內(nèi)鋼水氮含量僅為0. 003 94%．LF爐結(jié)束時鋼水氮含量僅為0.004 18%，連鑄過程鋼水增氮量一般為0.00030%以下，最大時可達0.00150%，說明即使在無RH處理情況下鋼水氮含量也可控制在0. 00600%以下。

3.2轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝對主要品種氮含量的影響

通過以上試驗證明轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣具有可行性后，對轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝進行了推廣。轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝對主要品種氮含量的影響見表5。

 由表5可見，采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝前后各主要品種中氮含量差異最大的為低合金鋼和容器用鋼，分別達0. 00049%，0.00032%，而管線鋼和Z向鋼相差非常小。從整體來看，采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝后，各品種鋼水氮含量平均增加了0.00022%。

3.3轉(zhuǎn)爐全流程底吹氬氣工藝對連鑄坯表面質(zhì)量的影響

 采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝后對于未經(jīng)過RH真空處理的鋼種勢必會造成一定程度的氮含量升高，因此在連鑄工藝上加強了設(shè)備維護，保證設(shè)備精度，加強精準控制，采用窄過熱度范圍控制、恒拉速控制和保護澆注等諸多工藝，使連鑄坯表面質(zhì)量基本未受鋼水氮含量變化的影響，連鑄坯切角率一直穩(wěn)定在1%左右，在采用轉(zhuǎn)爐全流程底吹氮氣工藝前后未發(fā)生明顯變化。

3.4轉(zhuǎn)爐全流程底吹氬氣工藝對鋼板力學性能的影響

 對采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝生產(chǎn)的鋼板中氮含量分布、屈服強度、抗拉強度和應(yīng)變時效沖擊性能等力學性能沒有產(chǎn)生明顯影響。

4經(jīng)濟效益

 氮氣作為制氧車間制氧過程的附屬產(chǎn)品，可大量提供，是成本最低和使用最方便的底吹氣源，而氬氣則產(chǎn)量較少，生產(chǎn)成本較高。某中厚板廠內(nèi)生產(chǎn)的氮氣價格為0. 14元/m³，而氬氣的價格為3.0元/m³，用氮氣替代氬氣則可降低成本2. 86元/m³。氮氬切換底吹模式下轉(zhuǎn)爐通常約需氬氣50.3m³，則每爐鋼的成本約可降143. 86元，折合噸鋼為1.46元。因鋼種不同所耗氣體量不同，故噸鋼氣體成本可降1.0 -1.5元。

5結(jié)  論

 1)通過對某中厚板廠現(xiàn)有品種的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品要求進行分析，確定了該廠大部分品種具備轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝可行性，經(jīng)過系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣正常應(yīng)用。

 2)對影響鋼水氮含量因素進行試驗后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐終點鋼水的溫度和碳含量對氮含量影響不大，但底吹氮氣的流量對鋼水增氮有一定影響，出鋼過程的脫氧程度對鋼水增氮隨脫氧程度加強而增大，但增氮程度均在可接受范圍內(nèi)，大多數(shù)中厚板品種均可采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝。

 3)轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝與原工藝相比，中間包內(nèi)鋼水氮含量僅增加0. 000 22%，對連鑄坯表面質(zhì)量和鋼板性能未產(chǎn)生不良影響。

   4)采用轉(zhuǎn)爐全程底吹氮氣工藝可使噸鋼氣體成本降低1.0 -1.5元。