随着工业和科技的发展,对钢质量的要求越来越高,对钢纯净度的要求也越来越高。钢中的w(N) 对钢的机械性能影响较大。氮以固溶和形成氮化物的方式存在于钢中,提高钢的强度、硬度和耐磨 性,对需要获得这些性能的钢种是有益的。但随着钢中w(N)的增加,钢的塑性下降,延展性降 低,氮还可加重钢材的时效、降低钢材的冷加工性能、造成焊接热影响区脆化、使铸坯开裂及引起 晶间腐蚀。因此,某些钢种对w(N)有严格的要求,例如深冲薄板钢要求钢中w(N)低于30×10-6。对于唐钢150t顶底复吹转炉—150 t LF炉—薄板坯连铸连轧流程(称为唐钢超薄热带生产线UTSP)而言,只有转炉存在着脱氮效果 ,所以成品连铸坯的w(N)很大程度上取决于转炉终点钢液的w(N)及随后的出钢过程、精炼 过程和连铸过程钢液的增氮量。因此唐钢超薄热带生产线(UTSP)生产低氮钢的关键是尽可能 降低转炉冶炼终点钢液的w(N)及加强对出钢过程、精炼过程和连铸过程钢液的保护,避免钢液 大量增氮。本文对唐钢超薄热带生产线(UTSP)炼钢各工序进行w(N)变化研究,以摸清各 工序w(N)变化规律,找出增氮的关键工序,讨论切实可行的减少增氮的办法,为现场生产工艺改进和品种开发提供依据。1试验条件和方案1.1试验条件试验在唐钢150t顶底复吹转炉—150 t LF炉—FTSC薄板坯连铸机上进行,其流程为:150 t顶底复吹转炉→150 t LF炉→大包回转台→大包长水口→中间包→浸入式水口→H2结晶器→动态软压下→72 mm厚板坯→旋转除磷→辊底式加热炉→立辊轧机→高压水除鳞→7机架连轧→层流冷却→地下卷取机→热轧带卷。150 t顶底复吹转炉技术参数:出钢量为160~170 t,顶吹氧枪为5孔拉瓦尔喷头,氧气压力为0.9 MPa,供氧强度在2.8 m3/(min·t)左右,纯吹氧时间约为14~15 min;底吹供气装置采用镁碳质24孔针管式透气砖,均匀布置在炉底0.65D的圆上(D为炉底直径);底吹气体为N2和Ar,流量可在0~800 m3/h之间调整;采用分阶段定量装入法,废钢比为18%~22%;出钢底吹氩时间6~8 min。150 t LF炉技术参数:精炼时间30~40min,喂硅钙线量300~400 m/炉,加入石灰等造渣料进行脱硫,可以将w(S)脱至0.008%以下,保持钢中w(Als)为0.01%~0.02%。FTSC直弧型薄板坯连铸机技术参数:板坯宽度为850~1680 mm,结晶器出口铸坯厚度为92.5 mm,拉速为2.5~6.0 m/min,最大连浇炉数为15炉;设有动态软压下系统,可将板坯厚度从92.5 mm压下到87/72 mm;铸机出口处设有高压旋转除鳞机。1.2试验方案在150 t顶底复吹转炉上进行底吹工艺参数对钢液w(N)的影响试验。试验钢种为薄板钢SS400。采 用氮氩切换工艺和全程底吹氮工艺,设置不同的氮氩切换时间点及不同的氮气和氩气流量。每炉钢 在转炉吹氧结束后测终点温度,取出钢样测终点w(C);钢水自转炉进入大包后取大包样分析化 学成分。分析出钢样和大包样的w(N),所得数据除用于分析氮氩切换工艺和全程底吹氮工艺对 钢液w(N)的影响外,也用于分析出钢过程对钢液w(N)的影响。通过在转炉、LF炉、中间 包、连铸机等工艺点进行连续取样,分析整个工艺流程中w(N)、w(O)的变化情况。共试验 3炉,试验钢种为薄板钢SS400。试验对每个工序前后进行单独取样分析w(N)。按生产工艺,取样点选择为出钢前后取出钢样和大包样,LF炉送电10min(LF1)、LF炉喂丝前(LF2)和出LF炉(LF3)各取一个试样,中间包按顺序取 3个试样(分别为中包1、中包2、中包3),最后轧材取1个试样共9个位置。试样为球拍样。 从现场所取样品用线切割机加工成圆棒试样,送有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测 试中心分析w(O)、w(N),分析方法是惰气脉冲-红外-热导法。将测试结果整理分别得到 图1和图2,图中每个点的w(O)、w(N)均是3炉钢数据的平均值。2试验结果及讨论2.1转炉—UTSP流程w(O)、w(N)的变化趋势各工序钢中w(O)的变化趋势见图1。图1150 t转炉—150 t LF炉—薄板坯连铸连轧流程各工序钢液w(O)的变化从图1可以看出,自转炉出钢→LF炉精炼 →大包→中包→FTSC连铸→轧制成钢板,钢中的w(O)不断降低,钢板的平均w(O)已经 低于25×10-6,这与钢中含有0.01%~0.02%的酸溶铝有关。钢液出LF炉后,由 于碳氧反应已经基本停止,所以钢液中的溶解氧主要受w(Als)的影响,w(Als)越高,与之平衡的钢液中的溶解w(O)就应该越低。各工序钢中平均w(N)变化趋势见图2。图2150 t转炉—150 t LF炉—薄板坯连铸连轧流程各工序钢液w(N)的变化从图2可见,由于后步工序不再有脱氮功能 ,故转炉出钢后钢中w(N)不断升高,主要存在2个增氮环节:(1)转炉出钢至LF炉精炼开 始过程,由出钢前的平均10×10-6左右增加至LF前期平均30×10-6,增加量20× 10-6;(2)出LF炉大包至连铸中间包过程,由出LF炉时的平均30×10-6增加到平 均50×10-6,增加量20×10-6。LF炉精炼过程和钢水自中间包到结晶器过程的实际 增氮量显示不出来。2.2转炉出钢过程对钢液增氮的影响图2显示,自出钢开始到LF炉精炼开 始过程钢液存在严重的吸氮现象,到LF炉后平均增氮近20×10-6。出钢过程的增氮主要由 两部分组成:大气中吸氮;加入铁合金及增碳剂导致增氮。此时影响钢液增氮的因素很复杂,可简 要讨论如下。2.2.1脱氧制度对钢液增氮的影响脱氧制度对钢液增氮有很大的影响。理论研究 <1>和生产实践<2>表明:钢液溶解w(O)对吸氮过程影响极大,钢液不脱氧时,吸氮速度 很小,钢液w(N)几乎不会增加,原因是氧、硫是表面活性物质,它们在表面富集,占据了一部 分可吸附氮的表面位置,从而阻碍了氮在这些位置上的吸附。氧、硫在钢液中的浓度越高,占据表 面位置的分数就越多,吸氮过程就越慢。本文试验中,冶炼SS400薄板钢,转炉出钢时加入铝 铁和铝锰铁进行预脱氧,使钢中w(O)迅速下降。从图1可以看出,钢液中的w(O)由冶炼终 点时的400×10-6~500×10-6迅速降低到进入LF炉时的100×10-6以下; 经过LF炉精炼,钢水进入中包后w(O)又进一步降低到50×10-6以下。使钢液从大气吸 氮的速度迅速增加。表1显示了部分炉次钢液自转炉进入钢包过程中w(N)的变化,终点钢液w (N)平均在10×10-6左右,但出钢结束后钢液w(N)变化很大,数据比较分散,增氮量 为3×10-6~19×10-6,平均为8×10-6。出钢结束,钢包转运到LF炉,随着加 入的增碳剂和铁合金不断熔入钢液中,钢液中的w(N)仍在不断上升,此过程w(N)增加近10×10-6。表1出钢样和大包样的w(N)×10-6炉号出钢样中w(N)大包样中w(N)增氮量出钢样中w(C)/%819212 21 9 0.038193 12 20 8 0.058194 10 16 6 0.068195 10 15 5 0.158197 10 16 6 0.068198 13 28 15 0.068221 8 12 4 0.128225 8 11 3 0.098226 8 16 8 0.128227 8 14 6 0.148230 10 13 3 0.088231 11 30 19 0.05转炉出钢时的溶解w(O)一般在300×10-6~900×10-6之间。由于出钢时 的脱氧制度对吸氮的影响比较大,因此转炉出钢可以采用不加铝、硅等强脱氧剂,只加Fe-Mn 和部分Fe-Si进行预脱氧和合金化的脱氧工艺,钢液w(O)保持在较高水平,此过程吸氮量 很小。2.2.2终点w(C)的影响部分试验炉次终点w(C)(即出钢样中w(C))数据列 于表1。从表1可以看出,尽管各试验炉次终点w(C)数据很分散,从0.03%~0.15% ,但终点钢液w(N)平均在10×10-6左右,说明复吹转炉出钢w(C)对终点钢液w(N )的影响很小。文献<3>指出:复吹转炉由于底吹气体搅拌,由转炉底部向熔池吹入惰性气体, 可以降低熔池内的PCO数值并且可以通过底吹气体的流量来加以控制;采用顶底复合吹炼法,顶 吹氧气停止后,由于底吹气体的搅拌及降低PCO数值两种作用,可以使脱碳反应继续进行。复吹 转炉可脱碳至0.02%,停止吹氧后仍有C-O反应。可见,即使顶吹氧气停止后,由于仍然存 在脱碳反应,此时转炉仍有脱氮功能。加上转炉冶炼后期,钢水呈氧化状态,钢中含有300×1 0-6~900×10-6的氧,强烈阻止钢水吸氮,因此复吹转炉出钢w(C)对终点钢液w( N)的影响很小。2.2.3加入的铁合金及增碳剂对钢液增氮的影响出钢时加入的铁合金及增碳 剂是氮的一个主要来源。不同增碳剂的w(N)相差很大,特别是焦炭、沥青焦含有较高的氮,可 能造成钢水增氮。文献<4>给出一个例子:某钢厂转炉生产中曾使用沥青焦作为增碳剂,沥青焦 w(N)达1%,在增碳的同时不可避免地大量增氮,出钢增碳过程的w(N)增加可达20×1 0-6~40×10-6。表2示出部分试验炉次出钢过程的增氮量与加入铁合金和脱氧剂数量的 关系。其中SS400钢的3炉采用氮氩切换工艺,故出钢样w(N)为10×10-6左右;H RB335钢的3炉使用大流量氮气全程底吹,故出钢样w(N)较高。从表2可以看出,在出钢 过程中,HRB335钢的3炉加入的铁合金数量远多于SS400钢的3炉,故出钢过程增氮严重。上述分析是很初步的。关于加入的铁合金及增碳剂对钢液增氮的影响还需要积累大量的数据进行研究。表2出
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