重钢LF和VD炉吹氮合金化生产工艺研究
2015-03-27 08:53:06
本文分析了吹氮合金化热力学及动力学原理,结合目前重钢的V-N合金化钢种,提出了LF和VD炉吹氮合金化生产工艺控制条件,简要地对吹氮合金化精炼工艺路线选择进行了探讨,对炼钢厂吹氮合金化生产含氮钢具有一定借鉴意义。
研究表明,氮对微合金化钢中的碳氮化物的析出起重要作用,尤其是在钒微合金化的钢中,氮被认为是一种有价值的合金化元素。在现行转炉、电弧炉、精炼炉(RH、LF、VD、VOD)等冶炼工艺中,氮合金化主要通过两种途径来实现,一种是加入氮化合金(包括喂氮化合金包芯线),如氮化钒铁、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅铁;另一种是直接吹氮气合金化。由于氮化合金价格昂贵,合金化时氮的收得率较低,钢中氮含量不易控制,另外某些氮化合金杂质含量较高,污染钢液。因此,炼钢厂可以充分利用氧气厂分离空气获取氧气资源得到的丰富且廉价的氮气作原料,通过向钢液吹氮进行氮合金化,对提高钒微合金化钢的性能,大幅度降低生产成本是非常有效的。
1钢水增氮热力学及动力学
1.1钢水增氮热力学
标准状态下,氮在钢液中的溶解度很小,氮以原子和化合物的形式溶解在钢中,钢水吸氮是自发过程,从热力学的研究可知,钢液中的[N]不是 直接溶解进入,而是以原子、化合态形式存在于钢液中的。影响氮在钢液中溶解度的因素有三个:温度(T)、氮分压(PN2)和钢液中合金元素的含量[j]与氮的活度相互作用系数ejN。
在常压(PN2取0.79)、不同温度条件下,根据表1计算出钢种HRB400、HRB500、Q420B(T)在成分控制中限时钢液中的理论氮的溶解度见表2所示。按照重钢的成分控制要求,HRB400、HRB500、Q420B(T)这三个钢种在炼钢温度控制范围内,理论氮溶解度差异并不大,但都大于其要求氮含量。从热力学分析可见,在常压下HRB400、HRB500、Q420B(T)三个钢种完全可通过吹氮进行合金化实现氮控要求。
表1 钢液中元素与[N]的活度相互作用系数
j
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C
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Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Al
|
Cr
|
Nb
|
V
|
O
|
ejN
|
0.13
|
0.065
|
-0.02
|
0.05
|
0.013
|
0.006
|
-0.047
|
-0.067
|
-0.12
|
0.05
|
表 2 常压不同温度条件下钢液中理论氮的溶解度 %
温度,K
|
1823
|
1873
|
1923
|
1973
|
HRB400
|
0.0374
|
0.0376
|
0.0378
|
0.0380
|
HRB500
|
0.0386
|
0.0389
|
0.0391
|
0.0393
|
Q420B(T)
|
0.0395
|
0.0397
|
0.0400
|
0.0402
|
结合VD对真空度的控制特点,针对钢种Q420B(T),在底吹氮流量、钢水温度一致的前提下,根据对不同真空度时钢水中氮的理论溶解度进行计算,结果表明,改变真空度导致的PN2变化是影响真空条件下钢中氮理论溶解度的主要因素。
1.2钢水增氮动力学
钢液中的[O]是活性元素,它们能和N原子在钢液表面争夺活性点,优先吸附。钢液中溶解的w[O]高时,能降低氮在钢液中的溶解速率。仅当它们的浓度低时,钢液内[N]的扩散才是限制环节。氮气流量虽然不直接影响钢液吸氮速度,但它影响着钢液的搅拌强度和钢液中氮气泡的弥散程度,显然钢液中氮气泡的弥散程度越高,氮气与钢液的界面就越大,钢液吸氮的速度也越快。
2工艺控制
2.1 LF吹氮工艺
1)化学成分控制
重钢的HRB400、HRB500和Q420B(T)钢种中添加的[V]元素与氮形成V-N化合物,相互作用系数为负值,可提高氮的溶解度。经理论计算可知,Q420B(T)仅加入V就可以使钢中氮的溶解度提高8ppm。有研究认为:既然合金元素对氮在钢中的溶解度和增氮速率有较大的影响,因此,在实际钢液吹氮气合金化之前,应当首先加入钢种所需的合金,至少先加入能增大氮溶解度和提高增氮速度的合金元素(锰铁、钒铁)后,再进行吹N2合金化。
研究表明:氧是表面活性元素,会吸附在钢液表面,阻碍钢液吸氮和脱氮界面反应的进行。钢液溶解氧含量对吸氮过程有决定性影响,其含量决定了钢液吸氮速率的大小,当溶解氧含量大于某一临界值后,钢液吸氮过程将基本停滞。溶解氧低于20ppm的脱氧钢液在底吹氮条件下,钢液吸氮明显;溶解氧大于200ppm的不脱氧钢液在底吹氮气条件下,钢液中的氮基本不发生变化。随着钢中氧、硫含量的降低,传质系数增大,钢液吸氮的阻力减小,提高了钢液的增氮速率。随着钢中硫含量的增加,吸氮速率减慢,特别是钢中硫含量达到0.06%时,钢中氮含量基本不变。当钢液中硫从0.025%降至0.002%时,氮的溶解速度可增加2.7倍。因此,为了提高氮向钢液的溶解速度,在LF吹氮合金化生产Q420B(T)时,通过喂铝线沉淀脱氧,造白渣促进钢水脱氧良好,w[S]≤0.018 %。
2)钢水温度控制
钢水中氮的溶解度与温度的关系比较复杂,不同学者有不同解释。实践表明:在钢液中氮压力一定的前提下,钢液中氮溶解度与温度是成正比的,即随着温度的升高,钢液中氮溶解度是增加的。对钢种Q420B(T),通过数学计算(见表2)可知,温度每提高50℃,钢液中氮的溶解度提高2ppm。研究表明:冶炼温度升高,能增大钢液对氮的吸收速率。由于氮在钢液中的溶解过程是吸热反应,温度的升高,有利于吸热反应的进行;同时,冶炼温度的提高,冶金熔体内分子运动加剧,降低了钢液的黏度,增加了钢液的流动性,有利于传质过程的进行。所以,冶炼温度的提高,为促进氮在钢液中的溶解吸收提供了良好的热力学和动力学条件,利于吹氮合金化进行。因此,提高LF炉处理过程温度,使LF一次升温结束温度保持在1580℃以上,有利于钢水快速增氮。
3)吹氮流量
采用底吹氮,氮气泡在钢液中的上浮时间将延长,弥散程度增大,钢液吸氮的速度也将增大,钢液达到相同的氮含量的时间将缩短。良好的氩气搅拌是LF精炼的一大特色,不同的精炼功能要求有不同的钢水搅拌强度,这与LF吹氮合金化过程中为了控制较窄的出站氮含量,尽量控制比较稳定的氮气流量形成矛盾。因此,精炼过程中,在保证正常供电的情况下,尽量提高吹氮气流量,保持一定的(50-60Nm3/h)吹氮气时间,以便高强度搅拌钢液,从而迅速提高钢液中的氮含量。
4)吹氮方式
研究表明:吹氮的前期阶段钢中增氮量较大,后期的增氮量则明显降低,这主要是由于前期钢水中氮含量较低,吹氮合金化效果非常明显,随着钢水氮含量的增加,此时的增氮效果则随之下降。LF炉吹氮气合金化工艺,考虑到氩气成本为1.45元/m3,氮气成本为0.41元/m3,可按照现有炉机节奏(LF处理周期48±2 min)控制,采用LF全程吹氮气合金化工艺,避免长时间吹氮,确保出LF钢水氮含量不高于200 ppm的内控要求。
2.2 VD吹氮工艺
1)真空度控制
根据热力学原理和理论计算,真空度对钢水氮含量有显著影响。可以推断,VD炉内的真空度越高,真空罐内的PN2越低,氮的溶解度越小;真空度越低,真空罐内的PN2越高,氮的溶解度越大,钢水吹氮气增氮越明显。根据VD、VOD和RH吹氮气合金化生产实践,VD炉生产Q420B(T)等含氮钢时,真空度控制在10-20kPa,能够满足钢水氮含量对真空度的控制要求。
2)吹氮方式
实践证明:使用氮气搅拌,虽然氮的分压很低,但在脱氮的同时,也在不断向钢液补充氮气。相比之下,使用氮气搅拌的脱氮量要比使用氩气搅拌的小很多,有利于提高VD处理后钢液的氮含量。考虑到氩气与氮气成本差异较大,在VD炉吹氮气合金化工艺时,控制适当的真空度,真空处理过程可全程吹氮气。对于VD炉真空处理复压后,后续钙处理过程和软吹采用氩气还是氮气搅拌钢水,需要结合真空处理结束时钢中氮含量,来决定是否采取常压吹氮气补氮操作。
3工艺路线选择探讨
3.1 LF工艺路线
通过上述理论计算和分析,在常压下适当调整精炼工艺,LF全程吹氮合金化生产HRB400、HRB500、Q420B(T)是完全可行的,控制钢水在[N]=0.0100%-0.0200%目标范围内可以实现。对于某些通过氮合金化能够改善钢材力学性能,同时对钢水氢含量要求不是很苛刻的钢种,采用LF工艺路线吹氮合金化是一种有效的生产方式,甚至采用CAS或吹氩站工艺路线吹氮气合金化也是不错的选择。
3.2 LF-VD工艺路线
研究表明:LF-VD、LF-RH和RH工艺路线吹氮气合金化生产含氮钢,真空度按“两段式”控制,即第一阶段通过控制适当真空时间,在高真空度下脱除钢中的氢;第二阶段通过控制适当真空时间,在低真空度下吹氮气增氮,完全可以实现吹氮气合金化生产含氮钢。因此,对于某些通过氮合金化能够改善钢材力学性能,同时对钢水氢含量要求苛刻的钢种,采用LF-VD或VD-LF工艺路线吹氮合金化是一种有效的生产方式。
4结论
1)在常压和一定真空度下,重钢的HRB400、HRB500和Q420B(T)氮溶解度大于该钢种目标氮含量要求,从热力学分析看,LF、VD工艺路线向钢水吹氮合金化是可行的;
2)在钢液吹氮气合金化之前,应先加入能增大氮溶解度和提高增氮速度的合金元素后,再进行吹氮合金化;在LF吹氮合金化生产Q420B(T)时,通过喂铝线沉淀脱氧,造白渣使钢水脱氧良好,钢水中的硫≤0.018%;
3)对Q420B(T)钢种,温度每提高50℃,钢液中氮的溶解度提高2ppm。提高LF炉处理过程温度,使LF一次升温结束温度保持在1600 ℃以上,有利于钢水快速增氮;
4)LF或VD精炼过程中,在保证正常供电和不溢渣的情况下,保持一定的大流量(50-60 Nm3/h)吹氮气时间达到高强度搅拌钢液,迅速提高钢液中的氮含量;
5)LF吹氮气合金化工艺时,可按照现有炉机节奏(LF处理周期48±2 min)控制,采用LF全程吹氮气合金化工艺,避免长时间吹氮,确保出LF钢水氮含量不高于200ppm的内控要求;VD炉真空处理过程可全程吹氮气,钙处理过程和软吹采用氩气还是氮气搅拌钢水,需要结合真空处理结束时钢中氮含量,决定是否采取常压吹氮气补氮操作;
6)VD炉生产Q420B(T)等含氮钢时,真空度控制在10-20kPa,能够满足钢水氮含量对真空度控制要求;
7)对钢水氢含量要求苛刻的钢种,采用LF-VD或VD-LF工艺路线吹氮合金化是一种有效生产方式;而对钢水氢含量要求不高的钢种,采用LF工艺路线吹氮合金化是一种有效生产方式,甚至采用CAS或吹氩站工艺路线吹氮气合金化也是不错的选择。