IF钢氮含量控制技术研究

1、费鹏费鹏鞍钢股份有限公司鞍钢股份有限公司20102010年年1212月月2 2日日1 前言前言 随着国内汽车行业的兴起，汽车板钢在质量方面要求越来越高，特别是对钢板的冲压性能的要求十分严格，而氮含量的控制对冷轧薄板的性能产生直接影响，故控制钢中的氮含量是汽车板生产的关键工艺技术。现在鞍钢已可以大批量、稳定地生产成品氮小于2010-6的IF钢，满足了开拓汽车板市场的要求。2 鞍钢第二炼钢厂历史及近几年改造情况介绍鞍钢第二炼钢厂历史及近几年改造情况介绍 随着九五到十五期间的改造，第二炼钢厂北区有3座180吨转炉，具有500万吨钢的生产能力。 1990年7月30日，历时4年建设的1号板坯连铸机一次热

2、负荷试车成功，同年10月交付生产使用。1997年10月28日，2号板坯连铸机建成投产。1998年6月18日，鞍钢第一台炼钢炉外真空处理设备1号RH-TB开工建设，并于次年12月17日投入生产，2002年10月及2006年9月LF炉和2号RH-TB相继投产。 至2006年末，经过大规模的技术改造，鞍钢股份有限公司第二炼钢厂北区主体设备装备水平达到了国内先进水平。(a) 复吹转炉设备状况鞍钢二炼钢北区（原鞍钢三炼钢）1#转炉开始设备建设于1970年，至1984年完成“平改转”，后经扩容 改造，建成3座180吨转炉，并相继引入德国TBM复吹、气动挡渣等先进技术装备。表 1 复吹转炉主要设备参数转炉公

3、称容量，t转炉有效工作容积，M3转炉炉容比，M3/t工作氧压，Mpa氧气流量，Nm3/h底吹强度，Nm3/Mint1#、2#转炉180140.40.780.78300000.0350.0553#转炉180187.41.040.78320000.0350.055(b) RH-TB设备状况1# RHTB开始设备建设于1998年，并与1999年底热试车投入使用，2006年，2# RHTB投产。该设备基础设计和主要设备从德国MESSO公司引进，采用大罐旋转台快速换罐、真空室双室平移、多功能氧枪等技术。表 2 RH-TB主要设备参数抽气能力kg，20，0.67mbar插入管内径mm真空室内径mm循环气体

4、流量Nm3/h顶枪吹氧流量Nm3/h650560193050140180022003 低氮钢生产技术研究低氮钢生产技术研究低氮钢的生产工艺流程低氮钢的生产工艺流程 高炉高炉LFLF转炉冶炼转炉冶炼铁水脱硫铁水脱硫RHRHCCCC高炉高炉LFLF转炉冶炼转炉冶炼铁水脱硫铁水脱硫RHRHCCCC铁水脱硫铁水脱硫-复吹转炉冶炼复吹转炉冶炼-RH-TB精炼精炼-板坯连铸板坯连铸3.1 转炉冶炼技术转炉冶炼技术 (a)提高铁水比提高铁水比 入炉铁水比越高，吹炼终点氮含量越低。所以提高铁水比，减少大尺寸废钢的使入炉铁水比越高，吹炼终点氮含量越低。所以提高铁水比，减少大尺寸废钢的使用量用量,使熔池形成早，钢

5、液能尽早的被熔渣覆盖，能够有效减少熔炼过程钢液滴的使熔池形成早，钢液能尽早的被熔渣覆盖，能够有效减少熔炼过程钢液滴的吸氮。鞍钢二炼钢冶炼吸氮。鞍钢二炼钢冶炼IF钢铁水比控制目标为钢铁水比控制目标为90%以上。以上。(b) 保证化好渣，避免炉渣返干保证化好渣，避免炉渣返干 复吹转炉的脱氮机理基于两方面的原因。其一，在一次反应区元素的氧化复吹转炉的脱氮机理基于两方面的原因。其一，在一次反应区元素的氧化产生了极高的温度产生了极高的温度(2600左右左右)，这使得表面活性元素氧、硫对氮的影响消失，这使得表面活性元素氧、硫对氮的影响消失，碳氧化产生的碳氧化产生的CO气泡降低了界面的氮分压，同时乳化的渣相

6、和气泡降低了界面的氮分压，同时乳化的渣相和CO气泡共同为脱气泡共同为脱氮反应提供了足够大的反应界面积，这使得钢液中的氮能够在界面上得以析出脱氮反应提供了足够大的反应界面积，这使得钢液中的氮能够在界面上得以析出脱除。其二，在一次反应区以外的区域，持续的供氧使钢渣界面保持较高的氧势，除。其二，在一次反应区以外的区域，持续的供氧使钢渣界面保持较高的氧势，富集在界面上的氧作为表面活性元素的阻碍作用并没有消失，同时乳化的炉渣和富集在界面上的氧作为表面活性元素的阻碍作用并没有消失，同时乳化的炉渣和大量大量CO气泡的微真空室作用都阻碍着钢液从气相中吸氮，这两方面的原因使得气泡的微真空室作用都阻碍着钢液从气相

7、中吸氮，这两方面的原因使得转炉冶炼过程是强脱氮过程。转炉冶炼过程是强脱氮过程。 因此控制良好的乳化渣与因此控制良好的乳化渣与CO气泡的真空作用可以使富集在反应区之外界面气泡的真空作用可以使富集在反应区之外界面上的氧作为表面活性元素阻碍氮气溶解，即阻碍着钢液从气相中吸氮。鞍钢二炼上的氧作为表面活性元素阻碍氮气溶解，即阻碍着钢液从气相中吸氮。鞍钢二炼钢生产钢生产IF钢时，采用轻烧白云石和活性白灰造渣，熔炼过程可加入铁矾土、铁皮钢时，采用轻烧白云石和活性白灰造渣，熔炼过程可加入铁矾土、铁皮球等化渣剂促进化渣，能够将熔炼过程炉渣控制在活跃的状态。球等化渣剂促进化渣，能够将熔炼过程炉渣控制在活跃的状态。

8、(c) 减少补吹次数和时间减少补吹次数和时间终点进行补吹时，氧气流冲开渣面，使得钢水直接与空气接触，形成空气气流绕终点进行补吹时，氧气流冲开渣面，使得钢水直接与空气接触，形成空气气流绕流于悬浮液滴的周围，同时此时钢液碳含量较低，流于悬浮液滴的周围，同时此时钢液碳含量较低，CO气泡减少，这两个原因造气泡减少，这两个原因造成钢液吸氮。因此鞍钢二炼钢冶炼成钢液吸氮。因此鞍钢二炼钢冶炼IF钢时严格控制补吹时间在钢时严格控制补吹时间在90秒以内，只允许秒以内，只允许一次补吹。一次补吹。 (d) 转炉冶炼采用铁矿石造渣转炉冶炼采用铁矿石造渣 生产实践表明，冶炼过程加入铁矿石造渣能够促进造渣料的融化，提高生

9、产实践表明，冶炼过程加入铁矿石造渣能够促进造渣料的融化，提高渣中渣中FeO含量，强化炉渣的乳化状态，对转炉脱氮有一定的好处。含量，强化炉渣的乳化状态，对转炉脱氮有一定的好处。 3.2 RH-TB真空精炼技术真空精炼技术 (a) RH-TB处理前期的控制处理前期的控制据文献据文献1报道，高的脱碳速率带来高的脱氮速率。因此在报道，高的脱碳速率带来高的脱氮速率。因此在RH处理前期主要是提高脱碳处理前期主要是提高脱碳速度，相应的就提高了脱氮速率。要提高脱碳速率就要控制速度，相应的就提高了脱氮速率。要提高脱碳速率就要控制RH初始碳和氧含量，鞍钢二炼初始碳和氧含量，鞍钢二炼钢生产钢生产IF钢控制钢控制RH

10、初始碳在初始碳在0.030.05%之间，氧含量在之间，氧含量在0.0550.075%之间，同时在脱碳之间，同时在脱碳前期通过工艺优化缩短了前期压力控制时间，由原来的前期通过工艺优化缩短了前期压力控制时间，由原来的6min缩短到缩短到3min，采取这两项措施，采取这两项措施后提高了脱碳反应速率，相应的也提高了脱氮反应速率。后提高了脱碳反应速率，相应的也提高了脱氮反应速率。(b) RH-TB处理中期的控制处理中期的控制中期主要是在强制脱碳结束后，此时脱碳明显减弱，产生的中期主要是在强制脱碳结束后，此时脱碳明显减弱，产生的CO气泡不能主导脱氮反应，气泡不能主导脱氮反应，必须快速提高真空度、提高提升氩

11、气流量和钢水循环量等，以创造再深脱氮的良好条件，必须快速提高真空度、提高提升氩气流量和钢水循环量等，以创造再深脱氮的良好条件，这是维持继续深脱氮的关键。鞍钢二炼钢生产这是维持继续深脱氮的关键。鞍钢二炼钢生产IF钢时，钢时，RH-TB处理中期即处理中期即10min以后要保证以后要保证处于极限真空度即处于极限真空度即2mbar以下，同时将提升氩气流量由前期的以下，同时将提升氩气流量由前期的80m3/h提高到提高到140m3/h，保，保证了证了RH-TB继续深脱氮。继续深脱氮。(c) RH-TB处理后期的控制处理后期的控制RH处理后期主要是控制钢水中的氧含量。据文献处理后期主要是控制钢水中的氧含量。

12、据文献4报道，保持钢水中极低的氧及硫含报道，保持钢水中极低的氧及硫含量对量对RH处理后期深脱氮至关重要，因为氧、硫为钢液表面活性元素，扩散比氮快，阻碍氮处理后期深脱氮至关重要，因为氧、硫为钢液表面活性元素，扩散比氮快，阻碍氮向反应面扩散，影响钢液的深脱氮。鞍钢生产向反应面扩散，影响钢液的深脱氮。鞍钢生产IF钢时，钢时，RH脱碳结束采用铝粒脱氧，可将氧脱碳结束采用铝粒脱氧，可将氧含量降低到含量降低到1010-6以下，同时通过铁水的深脱硫及转炉冶炼工序控制回硫，可以将硫含以下，同时通过铁水的深脱硫及转炉冶炼工序控制回硫，可以将硫含量控制在量控制在6010-6以下，保证了以下，保证了RH处理后期的深

13、脱氮。处理后期的深脱氮。4 防止增氮技术研究防止增氮技术研究 4.1转炉工序增氮的控制技术转炉工序增氮的控制技术(a) 出钢口维护出钢口维护 随着出钢口次数的增加，钢水氮含量有增加的趋势。因此生产随着出钢口次数的增加，钢水氮含量有增加的趋势。因此生产IF钢时出钢口要保钢时出钢口要保证不散流、不细流，同时尽量缩短出钢时间，减少钢水和空气的接触面积和时间，证不散流、不细流，同时尽量缩短出钢时间，减少钢水和空气的接触面积和时间，才能显著的降低出钢过程的增氮量。鞍钢二炼钢生产才能显著的降低出钢过程的增氮量。鞍钢二炼钢生产IF钢时，对出钢口要求比较钢时，对出钢口要求比较严格，出钢时间要求控制在严格，出钢

14、时间要求控制在57min，针对后期的出钢口实施修补维护和监控使，针对后期的出钢口实施修补维护和监控使用制度，当出现出钢口散流或出钢时间大于用制度，当出现出钢口散流或出钢时间大于7min时，必须对出钢口进行处理，修时，必须对出钢口进行处理，修补或更换整体出钢口后，才能生产补或更换整体出钢口后，才能生产IF钢。钢。 (b)(b)吹氩操作优化吹氩操作优化出钢后在吹氩站吹氩时采用小氩气量，以不裸露钢水面为最佳，同时吹氩时间要保证出钢后在吹氩站吹氩时采用小氩气量，以不裸露钢水面为最佳，同时吹氩时间要保证3min3min，达到成分和温度的均匀，达到成分和温度的均匀，这样才能保持大包顶渣与钢水界面较高的氧势

15、，防止从空气中吸氮。这样才能保持大包顶渣与钢水界面较高的氧势，防止从空气中吸氮。(c)(c)大包顶渣的控制大包顶渣的控制控制好大包顶渣，可以隔绝空气，防止吸氮。大包顶渣控制的关键是控制合适的顶渣量和碱度，同时要保证顶渣融化控制好大包顶渣，可以隔绝空气，防止吸氮。大包顶渣控制的关键是控制合适的顶渣量和碱度，同时要保证顶渣融化充分，粘度适宜，顶渣厚度最好控制在充分，粘度适宜，顶渣厚度最好控制在505080mm80mm之间。之间。鞍钢二炼钢鞍钢二炼钢180180吨转炉生产吨转炉生产IFIF钢出钢至钢出钢至1/31/3时，首先加入干燥的小粒白灰时，首先加入干燥的小粒白灰500kg500kg以上，然后加

16、入以上，然后加入MnFeMnFe脱氧。在氩站吹氩脱氧。在氩站吹氩结束后加入结束后加入200kg200kg以上的铝质顶渣改质材料对顶渣进行改质，可以保证顶渣量、顶渣的碱度及顶渣的厚度，避免钢水以上的铝质顶渣改质材料对顶渣进行改质，可以保证顶渣量、顶渣的碱度及顶渣的厚度，避免钢水与空气接触造成吸氮。与空气接触造成吸氮。(d)(d)脱氧方式优化脱氧方式优化出钢过程脱氧度过强，降低了表面活性元素氧在界面阻碍氮气溶解的作用，造成钢液吸氮。因此鞍钢二炼钢在冶炼出钢过程脱氧度过强，降低了表面活性元素氧在界面阻碍氮气溶解的作用，造成钢液吸氮。因此鞍钢二炼钢在冶炼IFIF钢时采用两步脱氧法，第一步是在出钢过程采

17、用钢时采用两步脱氧法，第一步是在出钢过程采用MnFeMnFe脱氧，不采用铝合金脱氧，主要目的是提高大包顶渣的氧含量，脱氧，不采用铝合金脱氧，主要目的是提高大包顶渣的氧含量，避免式（避免式（1 1）反应进行，防护铝固氮，同时防止从空气中吸氮，第二步脱氧主要是在氩站喂铝线调整氧含量。）反应进行，防护铝固氮，同时防止从空气中吸氮，第二步脱氧主要是在氩站喂铝线调整氧含量。加铝量，加铝量，kg/tkg/t钢钢钢水进钢水进RH-TBwRH-TBw（N N），1010-6-60 013.113.10.250.2514.614.60.500.5016.816.80.750.7519.419.41 122.42

18、2.4表表 出钢过程加铝量与钢水进出钢过程加铝量与钢水进RH-TB wRH-TB w（N N）的关系）的关系4.2 RH-TB4.2 RH-TB增氮的控制技术增氮的控制技术(a)(a)真空室的密封真空室的密封针对真空室的密封主要是做好三个方面的工作，一是提高热顶盖与真空室上部连接处密封胶圈的耐针对真空室的密封主要是做好三个方面的工作，一是提高热顶盖与真空室上部连接处密封胶圈的耐火度，同时真空室快换作业要精细化操作，保证此处的密封效果；二是做好底部槽与中部槽连接处火度，同时真空室快换作业要精细化操作，保证此处的密封效果；二是做好底部槽与中部槽连接处的密封，特别是要保证此处法兰的冷却效果，防止法兰

19、变形；三是针对底部槽及插入管使用后期要的密封，特别是要保证此处法兰的冷却效果，防止法兰变形；三是针对底部槽及插入管使用后期要做好监控，防止环流管及插入管泄漏。做好监控，防止环流管及插入管泄漏。(b)(b)合金增氮量的控制合金增氮量的控制实际生产发现，实际生产发现，RH-TBRH-TB处理后钢水氮含量没有显著的降低，个别罐次有增加的现象。主要原因是由处理后钢水氮含量没有显著的降低，个别罐次有增加的现象。主要原因是由于于RH-TBRH-TB处理过程要进行部分元素的合金化，合金带入一部分氮含量，加之部分罐次真空密封不好处理过程要进行部分元素的合金化，合金带入一部分氮含量，加之部分罐次真空密封不好造成

20、吸氮，使得造成吸氮，使得RH-TBRH-TB脱氮与合金及系统增氮基本抵消。脱氮与合金及系统增氮基本抵消。因此必须严格控制合金的含氮量，采用低氮合金可以降低因此必须严格控制合金的含氮量，采用低氮合金可以降低RH-TBRH-TB处理过程的增氮量，改善处理过程的增氮量，改善RH-TBRH-TB的深的深脱氮效果。脱氮效果。(c)(c)大包顶渣的二次改质大包顶渣的二次改质在在RH-TBRH-TB处理结束后搬出前，首先要加入铝质顶渣改质材料对顶渣二次改质，然后在大包表面投入处理结束后搬出前，首先要加入铝质顶渣改质材料对顶渣二次改质，然后在大包表面投入足够量的覆盖剂，防止从空气中吸氮。足够量的覆盖剂，防止从

21、空气中吸氮。4.34.3板坯连铸工序增氮的控制技术板坯连铸工序增氮的控制技术(a)(a)控制大包长水口的吹氩量控制大包长水口的吹氩量在大包下水口与长水口之间吹氩密封，以防止空气通过其间隙进入钢液。但钢液的高速流动使得其周在大包下水口与长水口之间吹氩密封，以防止空气通过其间隙进入钢液。但钢液的高速流动使得其周围的空间产生负压，因此，该处吹氩密封的关键是通过吹氩来弥补钢液带走的气体，并使该处产生微围的空间产生负压，因此，该处吹氩密封的关键是通过吹氩来弥补钢液带走的气体，并使该处产生微正压以阻止空气进入。大包长水口吹氩量过小或过大都是不利的，控制适当的吹氩量对减少增氮非常正压以阻止空气进入。大包长水

22、口吹氩量过小或过大都是不利的，控制适当的吹氩量对减少增氮非常重要，可通过浇注过程重要，可通过浇注过程AlsAls损失确定合适的吹氩量损失确定合适的吹氩量, ,根据此规律摸索出了合适的吹氩量和吹氩压力，使根据此规律摸索出了合适的吹氩量和吹氩压力，使吹氩量得到有效控制。目前鞍钢二炼钢生产吹氩量得到有效控制。目前鞍钢二炼钢生产IFIF钢长水口吹氩量控制目标为钢长水口吹氩量控制目标为25L/min25L/min。(b)(b)在长水口和大包下水口间增加密封垫在长水口和大包下水口间增加密封垫长水口在多炉连浇的使用过程中，它与大包下水口的间隙是各炉变化的，如上所述，该间隙对吹氩量和增氮影响较大，长水口在多炉

23、连浇的使用过程中，它与大包下水口的间隙是各炉变化的，如上所述，该间隙对吹氩量和增氮影响较大，在长水口和大包下水口间增加密封垫减少了该间隙的不稳定性，能使长水口吹氩达到稳定控制，减少各炉次增氮的波动。在长水口和大包下水口间增加密封垫减少了该间隙的不稳定性，能使长水口吹氩达到稳定控制，减少各炉次增氮的波动。为了更好的防止空气进入，采用铝质密封垫，在高温状态下铝会与空气中氧结合，形成致密的为了更好的防止空气进入，采用铝质密封垫，在高温状态下铝会与空气中氧结合，形成致密的AlAl2 2O O3 3保护层，有效的阻止保护层，有效的阻止了空气进入钢水。了空气进入钢水。通过控制长水口吹氩量和增加新型密封垫，

24、大包至中间包钢水增氮的质量分数可有效地控制在通过控制长水口吹氩量和增加新型密封垫，大包至中间包钢水增氮的质量分数可有效地控制在1.51.51010-6-6以下。以下。(c)(c)加强中间包密封加强中间包密封 中间包密封是采用陶瓷纤维毡将中间包盖与中间包上沿之间、中间包各盖之间以及中间包溢流槽、中间包盖上的浇中间包密封是采用陶瓷纤维毡将中间包盖与中间包上沿之间、中间包各盖之间以及中间包溢流槽、中间包盖上的浇注孔和取样孔密封，并在外部采用中间包喷补料对结合处进行密封，以减少中间包内部的空气流动以及外部的空气进入。注孔和取样孔密封，并在外部采用中间包喷补料对结合处进行密封，以减少中间包内部的空气流动

25、以及外部的空气进入。(d)(d)加强开浇操作控制加强开浇操作控制中间包开浇前，要向中间包底部吹入氩气，使得中间包处于氩气保护状态，然后才能进行大包开浇作业，在开浇过程加中间包开浇前，要向中间包底部吹入氩气，使得中间包处于氩气保护状态，然后才能进行大包开浇作业，在开浇过程加完中间包覆盖剂后，方可停止吹入氩气。完中间包覆盖剂后，方可停止吹入氩气。(e)(e)中间包大渣量操作中间包大渣量操作在大包开浇后，中间包液面没有旋流时，即可投入高碱度覆盖剂，碱度大于在大包开浇后，中间包液面没有旋流时，即可投入高碱度覆盖剂，碱度大于3.03.0，覆盖剂要覆盖整个中间包液面。鞍钢二，覆盖剂要覆盖整个中间包液面。鞍

26、钢二炼钢采用炼钢采用5050吨中间包生产吨中间包生产IFIF钢时，开浇过程加入量由原来的钢时，开浇过程加入量由原来的500kg500kg增加到增加到800kg800kg，并且随浇注的进行要继续补加覆盖剂，并且随浇注的进行要继续补加覆盖剂，每罐钢水在换罐过程中至少要补加每罐钢水在换罐过程中至少要补加200kg200kg以上，这样才能够保证中间包液面一定的渣层厚度，减少钢水裸漏的几率。同时以上，这样才能够保证中间包液面一定的渣层厚度，减少钢水裸漏的几率。同时严把覆盖剂质量关，若覆盖剂质量不好在使用过程中结壳，钢水冲击区因钢水翻滚而造成的裸漏也造成中间包增氮。严把覆盖剂质量关，若覆盖剂质量不好在使用

27、过程中结壳，钢水冲击区因钢水翻滚而造成的裸漏也造成中间包增氮。(f)(f)大包连浇操作优化大包连浇操作优化在大包连浇过程中要保证长水口插入中间包液面下方可开浇。在浇铸过程中，中间包钢液面要保持在工作液面高度，使在大包连浇过程中要保证长水口插入中间包液面下方可开浇。在浇铸过程中，中间包钢液面要保持在工作液面高度，使长水口始终淹没在钢液中。长水口始终淹没在钢液中。通过加强中间包密封、加强开浇操作控制、中间包大渣量操作以及大包连浇操作优化，使得中间包浇注过程增氮量控制通过加强中间包密封、加强开浇操作控制、中间包大渣量操作以及大包连浇操作优化，使得中间包浇注过程增氮量控制在在1.51.51010-6-

28、6以下。以下。(g)(g)加强中间包滑板密封加强中间包滑板密封 鞍钢二炼钢在中间包上水口，滑板间、上滑板均采用氩气密封，可以控制增氮量在鞍钢二炼钢在中间包上水口，滑板间、上滑板均采用氩气密封，可以控制增氮量在1.51.51010-6-6以下，基本满足生产要以下，基本满足生产要求。求。(h)(h)保护渣性能优化保护渣性能优化 开发了开发了IFIF钢的专用保护渣，其粘度和融速等物理指标满足开发钢的专用保护渣，其粘度和融速等物理指标满足开发IFIF钢的需求，生产过程中可控制液渣层在钢的需求，生产过程中可控制液渣层在10mm10mm15mm15mm之间，可有效的控制结晶器增氮量在之间，可有效的控制结晶

29、器增氮量在1.51.51010-6-6以下。以下。5 5 各工序氮成分的控制水平各工序氮成分的控制水平工序内控标准，10-6生产环节平均增氮量，10-6工序增氮，10-6平均氮含量，10-6转炉冶炼15转炉冶炼终点-2.811.6转炉出钢过程2.814.4RH-TB精炼17RH-TB处理深脱氮-4.1-1.213.2RH-TB处理过程增氮2.9板坯连铸20大包至中间包增氮1.44.918.1中间包增氮1.2中间包至结晶器增氮1.3结晶器增氮1.0表 各工序氮含量控制标准及控制情况通过开发及应用低氮钢的生产技术和防止增氮技术，通过开发及应用低氮钢的生产技术和防止增氮技术，IF钢成品氮成分可稳定控制在钢成品氮成分可稳定控制在2010-6以下。以下。(1)开发出低氮钢的生产工艺，包括转炉冶炼工序