LF和VD炉吹氮合金化生产工艺研究

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G0 10800 20.97T J/mol
⑵
从⑵式中可知，炼钢温度下（1550～1700 ℃）， N 2 在钢液中的溶解吉布斯自由能均＞ 0，反应不能自发进行，因此，钢液中的[N]不是 N 2 直接溶解进入，而是以原子、化合态形 式存在于钢液中的。 根据⑴式可推导出氮的溶解平衡方程：
%, N K N
lgN
PN 2 fN
⑶
188.1 1 lg PN 2 lg f N 1.246 T 2
⑷
式中： lg f N
e j
m j 2 j N
式中：K N ——氮溶解的平衡常数：PN 2 ——氮在钢液上的分压； f N ——氮的活度系数；
LF、VD 炉吹氮合金化生产工艺研究
刘晓峰 安昌遐
（重庆钢铁股份公司二炼钢厂，重庆 401258） 摘 要：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 含氮钢具有一定指导意义。 关键词：LF，VD，氮气，合金化，工艺。
1.2 钢水增氮动力学
在一般炼钢条件下， 虽然理论计算的氮的溶解度比钢种标准要求的氮含量高， 但通常钢 液中的氮含量不可能达到相应条件下的溶解度， 钢液实际的氮含量决定于钢液吸氮速度和吸 氮的时间。因此钢液能否实现吹氮合金化，吹氮过程的动力学条件也是关键[3]。钢液吸收氮 气的反应可以表示为 N 2 2N 。反应过程由以下 3 个环节组成[5]： 1）氮气向钢液表面扩散： N 2 N 2
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变化是影响真空条件下钢种氮理论溶解度的主要因素。 表 3 不同真空度下 Q420B（T）氮的理论溶解度 /% 真空度/Pa [N]/% 真空度/Pa [N]/% 2000 0.0056 9000 0.0118 3000 0.0068 10000 0.0124 4000 0.0079 11000 0.0130 5000 0.0088 12000 0.0136 6000 0.0096 13000 0.0142 7000 0.0104 14000 0.0147 8000 0.0111 15000 0.0152
、
2.1.3 吹氮流量
研究表明[3 6 13 14]：氮气流量增大，钢液吸氮速率增大。增大吹入钢液的氮气流量之所 以能够增加钢液的吸氮速率， 一方面是因为增大吹人的氮气流量， 氮气本身与钢液的接触面 积增大，增大了传质的面积；从而也使反应的接触面积增大，有利于钢液的吸氮反应正向进 行。 另一方面， 增大氮气流量， 氮气对钢液的搅拌加剧， 钢液中的传质动力学条件大为改善， 钢中的扩散、对流加强，从而有利于钢液的吸氮反应继续进行。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能的钢水搅 拌强度，这与 LF 吹氮合金化过程中为了控制较窄的出站氮范围，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 定的大流量（50-60 Nm³/h）吹氮气时间高强度搅拌钢液，迅速提高钢液中的氮含量。
j ——各元素与氮的活度相互作用系数； j ——各元素在钢中的含量。 eN
从上式可以看出，影响氮在钢液中溶解度的因素有 3 个：温度（T）、氮分压（ PN 2 ）
j 和钢液中合金元素的含量 j 与氮的活度相互作用系数 eN 。
表 1 钢液中元素与[N]的活度相互作用系数[3-4] j
ln
N e [ N ]o N e N

FeARm
W
t
⑸
式中：N e -氮气泡表面 N 浓度/(mol·m-3)；N o -钢中原始[N]浓度/(mol·m-3)；N -实际 N 浓度/(mol·m-3)； Fe -钢液密度/(kg·m-3)；A -传质面积/m2；Rm -传质系数； W -钢液质量/kg；
* * *
2）吸附化学反应： N 2 2 N g 吸 2N
*
*
源自文库
3）氮气原子在钢液中的扩散： N N 从现有的研究认为， 钢液吹氮气时， 氮气向钢液表面扩散并不显著地影响它在钢液中的 溶解速率，而溶解过程受吸附化学反应或吸附化学反应和钢液内的传质所限制。对于 N 的 传质系数可根据式(5)计算：
j eN
C 0.13
Si 0.065
Mn -0.02
P 0.05
S 0.013
Al 0.006
Cr -0.047
Nb -0.067
V -0.12
O 0.05
表 2 常压不同温度条件下 HRB400、HRB500、Q420B（T）在钢液中的理论氮的溶解度 /% 温度/K 牌号 HRB400 HRB500 Q420B（T） 1823 0.0374 0.0386 0.0395 1873 0.0376 0.0389 0.0397 1923 0.0378 0.0391 0.0400 1973 0.0380 0.0393 0.0402
2.1.2 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[6 11-12]。卢永等[11]研究 表明：氮在液态铁合金中的溶解度随温度变化的规律存在临界浓度点。在临界浓度点处，氮 溶解度与温度无关，超过该临界浓度时，溶解度随温度升高而下降。王志才等[12]实践表明： 在钢液中的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），笔者通过数学计算（见表 2），温度每提 高 50 ℃，钢液中氮的溶解度提高 2 ppm。李刚等[6]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。
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，冶炼过程中氮的的溶解反应如下[3]：
N 2 2N
⑴
作者简介：刘晓峰（1983- ），男，重庆钢铁股份有限公司二炼钢厂，工程师，在职研究生，从事炉外精 炼工艺技术研究。
在常压（ PN 2 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。 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，根据式⑷对不同真空度时钢水中氮的理论溶解度进行计算，计算结果见表 3。从 表 3 可见，真空度不同，Q420B（T）氮的理论溶解度差异很大，说明改变真空度导致的 PN 2
Blowing nitrogen alloying study on production process of LF、VD furnace
LIU Xiao-feng AN Chang-xia （Second Steel Plant of Chongqing Iron and Steel Co.Ltd.,Chongqing 401258） Abstract ： Analysis of the blowing nitrogen alloying thermodynamics and kinetics theory, combined with the present V-N alloy steels of Chongqing Iron and Steel, LF and VD proposed by blowing nitrogen alloying process control conditions, briefly on the nitrogen blowing refining process selection is discussed, the steelmaking plant of blowing nitrogen alloy produce steel containing nitrogen with certain guidance significance. Key words：Ladle furnace，vacuum degassing，Nitrogen，Alloying，Technology。 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 [1] 中，氮被认为是一种有价值的合金化元素 。钢中增氮，促进了钒的析出，增强了钒的沉淀 强化作用，明显提高钢的强度。因此，充分利用廉价而富有的氮元素，对提高钒微合金化钢 的性能，降低成本是非常有效的[2]。含氮钢在现行转炉、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。本文分析了吹氮合金化热力学及动力学原理，结 合目前的 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，有助于指导重钢 80 t LF 和 VD 炉吹氮合金化工艺 实施。
t -时间/s。
钢液中的[O]和[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]及 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。吹氮的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 [3] 的界面就越大，钢液吸氮的速度也越大 。
2.工艺控制 2.1 LF 吹氮工艺 2.1.1 化学成分控制
结合表 1 的数据，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 V 的加入就可以使钢中氮的溶解度提高 8 ppm。李刚等[6]研究认为：既然合金元素对氮在
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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 入钢种所需加入的合金，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[7-8]：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 20 ppm 的脱氧钢液 在底吹氮条件下，钢液吸氮明显；溶解氧大于 200 ppm 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[9]。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[10]。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，造白渣应尽可能早地使钢水脱氧良好，w[S]≤0.018 %。