转炉全程底吹氮气工艺研究

    现有底吹工艺下钢水氮含量的变化。小口径无缝钢管厂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两种底吹工艺。转炉公称容量为100吨，底吹流量前期为300m3/h，中后期为200m3/h。

   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，且两种工艺在不同阶段钢水氮含量的差值均小于0.0005%，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，两种工艺下钢水氮含量均小于0.0035%，中间包内钢水氮含量也相差很小，冷拔小口径无缝管说明底吹气体由氩气换为氮气对钢水氮含量的影响不大，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0.0015%，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—连铸工艺生产的20号小口径无缝管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—RH精炼—连铸工艺生产的钢种在氮含量控制上更加容易。

    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1640—1680℃。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、280m3/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、280m3/h时比底吹流量为200m3/h时分别增加0.00024%、0.00059%，增加比例分别为10.3%、25.2%，说明当底吹流量达到240m3/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。

    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300m3/h，试验中后期底吹流量为200m3/h，转炉终点钢水碳含量为0.04%—0.08%，转炉终点温度为1580—1720℃，共试验23炉。

    由图1可见，转炉终点温度为1580—1720℃时，钢水氮含量为0.0015%—0.0030%，分布无规律，且无明显变化趋势。

    转炉终点钢水碳含量对氮含量的影响。为考察小口径精密管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300m3/h，试验中后期底吹流量为200m3/h。转炉终点温度控制在1640—1680℃，共试验29炉。

    通过分析转炉终点钢水碳含量对氮的影响可见，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0.0020%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0.0020%，且最高接近0.0030%。

    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）两种，分别在转炉出钢前和LF炉精炼开始取钢样。

  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%，最高增氮量为0.00291%；弱脱氧工艺钢水平均增氮量为0.00082%，最高增氮量为0.00199%。

    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。

    转炉全程底吹氮气工艺应用情况及对比

    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—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，通过分析各工序钢水氮含量控制水平可见，采用转炉冶炼—LF炉精炼—RH精炼—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0.00394%，且LF炉结束时钢水氮含量也仅为0.00418%，连铸过程钢水增氮量一般为0.00030%以下，最大时可以达到0.00150%，说明即使在没有RH真空处理的情况下钢水氮含量也可以控制在0.00600%以下。

    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。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%。

    转炉全程底吹氮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系统工艺，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。

    转炉全程底吹氮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。

    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需要氩气50.3m3左右，则每炉钢的成本可降低143.86元左右，折合吨钢为1.46元。由于钢种不同所耗气体量不同，所以吨钢气体成本可降低1.0—1.5元。

    综上所述，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。对各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终点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，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。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0.00022%，对连铸坯表面质量和钢板性能未产生不良影响。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