RH冶炼IF钢控氮工艺实践

王现周 刘彬 徐宝剑

(河北钢铁集团邯钢分公司邯宝炼钢厂)

0 前言

目前，IF 钢国内市场需求旺盛，但生产技术难度较大。其中，钢水中氮一般要求控制在30 ppm 以内，对工艺控制水平和设备保障能力要求较高，是诸多企业在开发IF 钢时遇到的一个共性问题。2014年，邯宝炼钢厂IF 钢成品氮超出钢种标准炉次达0．7%。为了保证IF 钢成品氮的控制，对RH 真空炉冶炼环节进行了攻关，采取了一系列有效措施，提高了IF 钢成品氮合格率。

1 IF 钢的冶炼工艺及工艺装备

1．1 冶炼工艺

铁水预处理—转炉—RH—连铸

1．2 主要工艺设备

1．2．1 铁水预处理

邯宝炼钢厂有2 套铁水预处理设施，由达涅利康力斯设计，设计能力520 万t/年，采用Ca0 －Mg复合喷吹工艺，基础自动化控制系统等，

1．2．2 转炉

邯宝炼钢厂有3 座公称容量250 t 的顶底复合吹炼转炉，采用顶底复吹工艺，顶吹氧气，底吹惰性气体(氮气或氩气)，全汽化冷却烟道系统，副枪技术，溅渣护炉技术等。主要设备参数见表1。

1．2．3 RH 精炼炉

邯宝炼钢厂RH 精炼炉设备从德国西马克公司引进，采用了双工位炼钢，真空槽快速更换、多功能氧枪等技术。主要设备参数见表2。

表1 转炉主要设备参数

1．2．4 铸机

邯宝炼钢厂从德国西马克公司引进2 台(900 mm ～2150 mm)×230 mm 双机双流板坯连铸机，采用了钢包下渣检测，全程无氧化保护浇注、结晶器漏钢预报，扇形段动态轻压下等技术。

2 IF 钢的成分要求及控氮原理

2．1 IF 钢化学成分

邯宝炼钢厂生产的IF 钢(以牌号DC06 为代表)的主要化学成分见表3。

2．2 IF 钢的控氮机理与关键

对IF 钢而言，氮为有害元素，在钢中易于钛、铝等合金元素形成氮化物夹杂，降低钢的塑性和冲击韧性，在生产过程中需要严格控制。从热力学分析，氮气为双原子分子，真空下脱氮遵循脱氮的平方根定律，提高并保持较高的真空度是脱氮的必要条件。从动力学分析，由于氮原子半径比氢大，在钢中的扩散系数比氢原子小两个数量级，故真空下脱氮速度比脱氢慢，一般需要较长的高真空保持时间才可达到较稳定的脱氮效果;另一方面，在真空精炼时，脱氮为二级反应，脱氮速度还要受氮原子在钢液中的传质和界面反应速度的影响［1］。邯宝炼钢厂在冶炼IF 钢时采用的是转炉－RH 工艺路线，转炉出钢氮含量一般控制相对较低，w［N］＜25 ×10－6。因此，氮在钢液中的传质应为脱氮的限制性环节，在极限真空下增大环流，提高传质的动力学条件是提高脱氮速度的关键。

表2 RH 主要设备参数

针对IF 钢控氮问题，邯宝炼钢厂采取了如下措施:采用合理的炼钢工艺，来降低钢中氮含量，精炼RH 工序一方面是通过采用高真空、大环流量的深处理模式，保证RH 良好的脱氮能力;另一方面是减少原材料和大气对钢水的增氮，以保证RH 的控氮效果。

3 RH 冶炼过程控制分析及措施

表3 IF 钢的化学成分(质量分数)

3．1 RH 处理前期的控制

高的脱碳速率带来高的脱氮速率［2］。因此在处理前期主要是提高脱碳速度，相应就提高了脱氮速率。要提高脱碳速率就要控制RH 初始碳和氧含量，合适的碳和氧含量可以减少RH 吹氧量，有利于脱碳反应的进行。转炉控制RH 初始碳在0．015% ～0．04%之间，氧含量在0．04% ～0．07%左右，见表4。

表4 RH 处理前碳和氧

在RH 处理前期尽快降低真空槽真空度，通过工艺优化缩短了深真空时间，要求4 min 左右，真空度降到1．2 mbar 以下;真空脱气时间在20 min 以上，采取措施后提高了脱碳反应速率，相应的也提高了脱氮反应速率。

3．2 RH 处理中期的控制

RH 处理中期主要是在强制脱碳结束后，此时脱碳明显减弱，产生的CO 气泡不能主导脱氮反应，必须快速提高真空度、提高提升氩气流量和钢水循环流量等，以创造再深脱氮的良好条件，这是维持继续深脱氮的关键。

IF 钢真空处理前4 min，碳氧反应剧烈，钢水喷溅太厉害，真空度控制在80 mbar ～120 mbar 左右;真空处理4 min 后，真空度控制要处于极限真空度，即1．2 mbar 以下，目的是增大钢液与真空接触面积，在高真空度下继续深脱碳和降低钢水中氮含量。IF 钢冶炼时的真空度控制情况如图1 所示。

图1 IF 钢冶炼时的真空度控制曲线

3．3 RH 处理后期的控制

RH 处理后期主要是控制钢水中的氧含量。保持钢水中极低的氧及硫含量对RH 处理后期深脱氮至关重要，因为氧、硫为钢液表面活性元素，扩散比氮快，阻碍氮向反应面扩散，影响钢液深脱氮。IF钢真空处理20 min 后，脱碳基本结束，IF 钢一般采用铝粒脱氧，可将钢中氧含量降低到10 ×10－6以下，同时通过铁水的预脱硫及转炉冶炼工序控制回硫，可以将硫含量控制在100 ×10－6以下，保证了处理后期的深脱氮。

整个RH 真空处理过程中，环流气量采用表格控制模式，即在不同的处理时间，气量按照程序设定自动调节，调节范围在2000 NL/min ～3500 NL/min之间。RH 处理前期，碳氧反应剧烈，环流气量控制在2000 L/min 左右，RH 处理中后期，将环流气流量由前期的2000 L/min 提高到2900 L/min，目的是增大钢水循环流量可以促进［C］、［O］、［N］向CO 气泡的扩散，使钢液中产生更多的CO 气泡，增大了循环管上升区的气液相界面，同时也使喷溅到真空室的悬浮液滴增加，增大了钢液乳化区的气液相界面，使脱碳速度加快，从而有利于脱氮。环流气量控制情况如图2 所示。

图2 IF 钢真空处理下环流气量控制图

3．4 RH 真空系统各连接部位的密封

RH 炼钢前，用低碳高温钢水洗真空槽，要求循环15 min 以上;检查真空泵系统密封效果，要求极限真空度达到1．2 mbar 以下。邯宝炼钢厂每周按照计划对RH 真空系统进行定修，查看蒸汽喷射泵磨损情况，对各级泵体进行检查，出现泵体损坏，则进行补焊或更换;重点对移动弯头和下料管密封圈进行检查，维护。钢水冶炼时，设备维护人员到现场保产，发现真空度异常，立即进行检漏、封堵，保证真空系统真空度满足钢种工艺要求。

真空槽的密封主要是做好三个方面的工作:1)提高热弯管与真空槽上部连接处密封胶圈的耐火度，同时真空槽快换作业要精细化操作，保证此处的密封效果;2)做好下部槽与上部槽连接处的密封，特别是要保证此处法兰的冷却效果，防止法兰变形;3)针对下部槽及浸渍管使用后期要做好监控，测量下部槽表面温度，如果温度超过300 ℃，下线处理，防止环流管及浸渍管泄漏。

3．5 合金增氮量的控制

实际生产发现，RH 处理后期钢水氮含量没有显著的降低，个别炉次有增加的现象。主要原因是由于RH 处理过程要进行部分元素的合金化，合金带入一部分氮含量，加之部分炉次真空密封不好造成吸氮，使得RH 脱氮与合金及系统增氮基本抵消。因此必须严格控制合金的含氮量。

首先RH 精炼炉所用合金要保证干燥，地面料仓严格把关，发现合金含水量大，不接收该批合金，并且通知合金库，将合金进行晾晒，烘烤，合金干燥后再上料仓。RH 精炼炉上料时，上料工全程监护，对物料二次确认，发现混料或物料异常时，及时停止上料，避免不合格物料进入RH 料仓。

4 生产效果

通过采取上述一系列措施，IF 钢成品氮不合格炉次比例由2014年的0． 7% 下降到2015年的0．3%，IF 钢控氮取得一定效果，炼钢厂成品氮成份控制水平显著提高并趋于稳定。2015年以来随机抽查8 炉IF 钢，成品氮含量均控制在30 ×10－6以下，具体情况见表5。

表5 成品氮控制情况

5 结论

1)精炼RH 工序处理前期提高脱碳速度，处理中期快速提高真空度、提高提升氩气流量和钢水循环量，处理后期控制钢水中的氧含量是保证IF 钢RH 控氮的关键。

2)加强真空系统的密封，设备室定修和现场保产相结合是保证IF 钢RH 控氮的基础。

3)料仓合金严格把关，加强上料管理，减少合金增氮量是稳定IF 钢RH 控氮效果的有力措施。

［1］宋万平，李晶． 钢液中氮含量控制的工艺研究，河南冶金，2008，16(5):4 －6．

［2］章奉山，朱万军． 利用RH－KTB 工艺同时深脱碳和氮，炼钢，2007，23(2):14 －17．

［3］成国光，萧忠敏，姜周华，等．新编钢水精炼暨铁水预处理1500问［M］．北京:中国科学技术出版社，2007:3．