转炉全程底吹氮气工艺研究与应用

刘金刚 李战军 朱志远 王星 郝宁 柴玉国

（首钢技术研究院）1（秦皇岛首秦金属材料有限公司）2

摘要通过对某中厚板厂现有品种的生产工艺和产品对氮含量的要求进行分析，确定了该厂大部分品种具备全程底吹氮气工艺可行性。对各影响钢水氮含量因素进行试验后发现，转炉后期底吹气体采用氮气替代氩气并不会造成钢水明显增氮，且对于大多数中厚板品种均可以采用转炉全程底吹氮气工艺。经过批量试验后，采用全程底吹氮气工艺与原工艺相比，钢水成品中氮含量仅增加0. 000 22%，连铸坯表面质量和钢板性能未产生不良影响，并可以使吨钢气体成本降低1.0 -1.5元。

关键词转炉底吹氮气

 转炉顶底复吹工艺与转炉顶吹工艺相比，有效加快了生产节奏，提高了生产效率，还降低了钢水和钢渣的氧化性，在国内外得到了广泛应用。一般情况下，转炉底吹工艺采用全程吹氩气或氮氩切换方式，对于对氮含量要求极为严格的钢种采用全程吹氩，而对于一般钢种均采用在吹炼到供氧量的60% - 70%时进行氮氩切换，即前期采用底吹氮气，后期切换为氩气，既降低了气体成本，又防止了钢水氮含量超标。为了降低底吹气体成本，在20世纪80年代左右就有研究者开展了全程底吹氮气工艺的摸索，但由于设备保障和控制水平等诸多原因未能获得成功应用，近几年也有一些研究者重新开展了这方面研究，但均未见成功应用报道。随着各方面技术的进步以及控制水平的稳定提高，之前限制该技术发展的瓶颈已基本得到解决，为进一步降低气体成本，在某中厚板厂进行了转炉全程底吹氮气工艺研究。

1  品种结构及对氮含量的要求

为确定降低气体成本的应用目标和范围，对2010年某中厚板厂主要品种比例进行了统计，结果见表1。

 由表1可见，2010年某中厚板厂主要品种产量最大为船板，达到了43%，其次为低合金钢板，达到了21%，第3为管线钢，达到了14%，由高到低的顺序依次为船板、低合金钢、管线钢、桥梁用钢、普碳钢、容器用钢和Z向钢。

 对各品种氮含量要求进行了分析，得知抗酸管线钢对钢中氮含量要求最为严格，为不大于0. 006%；其次为西气东输二线管线钢的氮含量要求，为不大于0. 007%，除此之外，其他品种的标准为不大于0. 008%。可见，各品种对钢中氮含量的控制并不严格，尤其对于现在非常稳定成熟的生产工艺来说氮含量控制并不是难题，因此转炉采用氮代氩进行全程底吹氮气工艺的研究是可行的。

2转炉全程底吹氮气工艺研究

2.1  现有底吹工艺下钢水氮含量的变化

为研究转炉全程底吹氮气工艺的可行性，首先对现有底吹工艺下钢水氮含量进行分析，包括全程底吹氩气和氮氩切换2种底吹工艺。转炉公称容量为100 t，底吹流量前期为300m³/h，中后期为200 m³/h。某中厚板厂100 t转炉现有底吹工艺下钢水氮含量变化见表2。

 由表2可见，全程底吹氩气工艺与氮氩切换工艺相比，全程底吹氩气工艺对钢水氮含量的影响仅限于LF炉结束之前，且2种工艺在不同阶段钢水氮含量的差值均小于0. 000 5%，即精炼过程对钢水氮含量的影响大于氮氩切换工艺对钢水氮含量的影响，而经过RH真空处理后，2种工艺下钢水氮含量均小于0. 003 5%，中间包内钢水氮含量也相差很小，说明底吹气体由氩气换为氮气对钢水氮含量的影响不大，即不会对钢水质量造成不良影响，因此对全程底吹氮气工艺进行了尝试。

 从全流程的氮含量变化来看，增氮主要发生在转炉终点到LF炉进站和LF炉进站到LF炉结束，即出钢过程和精炼过程，钢水氮含量增加均小于0. 001 5%，即LF炉结束钢水氮含量均可以控制在0. 0045%以内，因此对于采用转炉冶炼-LF炉精炼一连铸工艺生产的钢种在氮含量控制上尚有较大空间，而经过RH真空处理后钢水氮含量将降低，因此对采用转炉冶炼-LF炉精炼一RH精炼一连铸工艺生产的钢种在氮含量控制上更加容易。该厂几乎所有品种均采用这2种工艺生产，因此大多数钢种均可通过这一措施降低冶炼成本。

2.2不同底吹流量对转炉

 终点钢水氮含量的影响

 为细化各工艺参数对钢水氮含量的影响，进行了不同底吹流量对转炉终点钢水氮含量的影响试验。试验炉次转炉终点钢水碳含量为0. 04%-0.08%，温度为1 640 -1 680℃。吹炼过程采用全程底吹氮气，在吹炼过程中底吹流量不变，共使用4支底吹枪，不同底吹模式下流量分别为200，240，280 m³/h，每种底吹模式取样30炉。3种底吹模式下钢水平均氮含量依次为0. 00234%．0. 00258%，0.00293%。可见，随着底吹流量的增加，转炉终点钢水氮含量也增加。转炉终点钢水氮含量在底吹流量为240，280 m³/h时比底吹流量为200 m³/h时分别增加0.000 24%．0. 000 59%，增加比例分别为10.3%，25. 2%，说明当底吹流量达到240 m³/h以上后，底吹流量对转炉终点钢水氮含量影响较大，因此全程底吹氮气时转炉底吹流量不宜超过240m³/h。

2.3转炉终点温度对钢水氮含量的影响

由于不同的工艺要求不同的转炉终点温度，因此进行了不同转炉终点温度下全程底吹氮气对钢水氮含量的影响试验。试验前期底吹流量为300 m³/h，试验中后期底吹流量为200 m，/h，转炉终点钢水碳含量为0. 04%-0.08%，转炉终点温度为1 580—1 720℃，共试验23炉，结果如图1所示。

 由图1可见，转炉终点温度为1 580 -1 720℃时，钢水氮含量为0. 001 5% -0. 003 0%，分布无规律，且无明显变化趋势。

2.4转炉终点钢水碳含量对氮含量的影响

为考察钢种不同所引起的碳含量对钢水氮含量影响，分别在转炉终点碳含量分布在0. 02%-0.10%的炉次进行了试验，试验前期底吹流量为300 m³/h，试验中后期底吹流量为200 m³/h。转炉终点温度控制在1 640 -1 680℃，共试验29炉，结果如图2所示。

 由图2可见，随着转炉终点钢水碳含量的降低，钢水氮含量呈逐渐增加的趋势，但当终点碳含量降至0. 08%以下时，钢水氮含量增加的趋势不明显。在转炉终点钢水碳含量高于0. 08%时，钢水氮含量基本在0. 002 00-10以下；当转炉终点钢水碳含量低于0. 08%时，钢水氮含量大部分高于0. 002 0%，且最高接近0.0030%。

2.5转炉脱氧工艺对转炉出钢增氮的影响

为研究出钢过程钢水增氮情况，针对不同转炉脱氧工艺进行了出钢增氮试验，转炉脱氧工艺分为强脱氧（铝铁脱氧）和弱脱氧（硅锰脱氧）2种，分别在转炉出钢前和LF炉精炼开始取钢样，结果见表3。

 由表3可见，强脱氧工艺转炉出钢增氮明显高于弱脱氧工艺。强脱氧工艺钢水平均增氮量为0. 00233%；弱脱氧工艺钢水平均增氮量为0. 00082%。

 在弱脱氧工艺下，脱氧剂加入量大的炉次钢水增氮量也相对较多，即出钢过程脱氧越彻底的炉次钢水增氮量越大，脱氧程度较弱的炉次钢水增氮量较小，但所有炉次LF炉进站钢水氮含量均控制在0. 0050%以内，按正常LF炉精炼过程钢水增氮水平，LF炉结束钢水氮含量均可以控制在0. 0070%以内，即满足绝大多数钢种要求。

3转炉全程底吹氮气

  工艺应用情况及对比

3.1  转炉全程底吹氮气工艺各工序钢水氮含量控制水平

以上研究结果表明，转炉全程底吹氮气工艺具有可行性，因此首先对采用转炉冶炼-LF炉精炼-RH精炼一连铸的转炉全程底吹氮气工艺生产的钢种进行了批量试验，共试验22炉，其各工序钢水氮含量控制水平见表4。

 由表4可见，采用转炉冶炼-LF炉精炼一RH精炼一连铸工艺时各工序钢水氮含量控制较好，连铸中间包内钢水氮含量仅为0. 003 94%．LF炉结束时钢水氮含量仅为0.004 18%，连铸过程钢水增氮量一般为0.00030%以下，最大时可达0.00150%，说明即使在无RH处理情况下钢水氮含量也可控制在0. 00600%以下。

3.2转炉全程底吹氮气工艺对主要品种氮含量的影响

通过以上试验证明转炉全程底吹氮气具有可行性后，对转炉全程底吹氮气工艺进行了推广。转炉全程底吹氮气工艺对主要品种氮含量的影响见表5。

 由表5可见，采用转炉全程底吹氮气工艺前后各主要品种中氮含量差异最大的为低合金钢和容器用钢，分别达0. 00049%，0.00032%，而管线钢和Z向钢相差非常小。从整体来看，采用转炉全程底吹氮气工艺后，各品种钢水氮含量平均增加了0.00022%。

3.3转炉全流程底吹氩气工艺对连铸坯表面质量的影响

 采用转炉全程底吹氮气工艺后对于未经过RH真空处理的钢种势必会造成一定程度的氮含量升高，因此在连铸工艺上加强了设备维护，保证设备精度，加强精准控制，采用窄过热度范围控制、恒拉速控制和保护浇注等诸多工艺，使连铸坯表面质量基本未受钢水氮含量变化的影响，连铸坯切角率一直稳定在1%左右，在采用转炉全流程底吹氮气工艺前后未发生明显变化。

3.4转炉全流程底吹氩气工艺对钢板力学性能的影响

 对采用转炉全程底吹氮气工艺生产的钢板中氮含量分布、屈服强度、抗拉强度和应变时效冲击性能等力学性能没有产生明显影响。

4经济效益

 氮气作为制氧车间制氧过程的附属产品，可大量提供，是成本最低和使用最方便的底吹气源，而氩气则产量较少，生产成本较高。某中厚板厂内生产的氮气价格为0. 14元/m³，而氩气的价格为3.0元/m³，用氮气替代氩气则可降低成本2. 86元/m³。氮氩切换底吹模式下转炉通常约需氩气50.3m³，则每炉钢的成本约可降143. 86元，折合吨钢为1.46元。因钢种不同所耗气体量不同，故吨钢气体成本可降1.0 -1.5元。

5结  论

 1)通过对某中厚板厂现有品种的生产工艺和产品要求进行分析，确定了该厂大部分品种具备转炉全程底吹氮气工艺可行性，经过系统研究，实现了转炉全程底吹氮气正常应用。

 2)对影响钢水氮含量因素进行试验后发现，转炉终点钢水的温度和碳含量对氮含量影响不大，但底吹氮气的流量对钢水增氮有一定影响，出钢过程的脱氧程度对钢水增氮随脱氧程度加强而增大，但增氮程度均在可接受范围内，大多数中厚板品种均可采用转炉全程底吹氮气工艺。

 3)转炉全程底吹氮气工艺与原工艺相比，中间包内钢水氮含量仅增加0. 000 22%，对连铸坯表面质量和钢板性能未产生不良影响。

   4)采用转炉全程底吹氮气工艺可使吨钢气体成本降低1.0 -1.5元。