對電弧爐煉鋼工藝（EAF），由于進(jìn)入鋼水中的氮量增加以及脫氮率低等因素，難以生產(chǎn)出低氮含量的鋼。在利用EAF-VAD-CC工藝生產(chǎn)重要鋼種的過程中，SAIL進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模的試驗(yàn)，成功地生產(chǎn)出低氮含量的鋼。在對傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)過程中氮含量的變化測量研究后，提出了改進(jìn)的工藝方案。對EAF，采用新鐵料，在泡沫渣和開放式出鋼操作下冶煉，限制了氮卷入到鋼水中。在隨后的VAD精煉過程中，利用脫硫吸附強(qiáng)的爐渣進(jìn)行脫硫處理，采用高的吹氬攪拌速率以及深度真空處理提高脫氮效果。澆注過程中全程氣體與陶瓷保護(hù)，防止空氣卷入到鋼水中。這些措施的使用實(shí)現(xiàn)了鋼中終點(diǎn)氮含量大約50%的下降。
鋼中氮含量高，嚴(yán)重影響了鋼的塑性與時(shí)效硬化性能，并降低鋼的熱塑性，這可能導(dǎo)致連鑄過程中鑄坯出現(xiàn)橫向裂紋。SAIL公司Durgapur合金鋼廠（ASP）利用EAF-VAD-CC工藝生產(chǎn)重要用途用低碳、低氮的鋁鎮(zhèn)靜鋼。ASP生產(chǎn)出的重要鋼種，其它殘余元素含量整體較低，但是氮和硫含量高，不符合標(biāo)準(zhǔn)。采用傳統(tǒng)的煉鋼生產(chǎn)工藝，最終產(chǎn)品中氮和硫的平均含量分別達(dá)到100ppm和180ppm。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[N]不超過60ppm，[S]不超過100ppm。為了符合標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
與氣體煉鋼精煉反應(yīng)器不同，EAF通過渣金反應(yīng)不能脫氮。影響煉鋼生產(chǎn)中脫氮效果的因素非常復(fù)雜，與表面活性元素的濃度以及氮在鋼水和界面的遷移速度有關(guān)。這些因素阻止了煉鋼以及脫氣操作過程中氮的遷移，因此，要生產(chǎn)出低氮含量的鋼，限制氮進(jìn)入鋼水以及提高氮脫除效果同樣重要。一般而言，電爐鋼比轉(zhuǎn)爐鋼的氮含量要高。EAF所用鐵料如廢鋼的來源途徑不一，可能導(dǎo)致鋼中氮的增加。閃弧過程中電離的等離子氣體環(huán)繞電弧，促進(jìn)周圍的氮分解成單原子態(tài)并快速地被鋼水吸收。與氧氣轉(zhuǎn)爐相比，EAF中脫去的碳量以及反應(yīng)生成的CO量低，導(dǎo)致鋼水中氮的脫除量少，最終產(chǎn)品中的氮含量波動(dòng)范圍大。
能夠降低EAF鋼水中氮含量的操作方法很多，包括選擇合適的兌鐵料和能在熔化過程中生成早期渣的熔劑，以及在熔煉和精煉過程中通過泡沫渣與充分的CO形成而對電弧進(jìn)行保護(hù)。在出鋼過程中，密集的鋼流以及鋼中高的溶解氧含量阻止了氮卷入到鋼水中。
控制氮脫除速率的措施有氮在鋼中擴(kuò)散率以及表面活性元素對氮在界面出遷移的阻抗度，因此，在真空脫氣處理脫氮前，必須保證攪拌速率高以及表面活性元素如硫和氧的濃度低。
鋼廠操作實(shí)踐
ASP的煉鋼車間的設(shè)備有3座50tEAF、1臺60tVOD、1臺60t
LF和一臺板坯/方坯復(fù)合鑄機(jī)。通過EAF-VAD-CC工藝路線，生產(chǎn)出中低碳含量（<0.15%）的鋁鎮(zhèn)靜鋼，錳含量中等，用于重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在EAF，熔煉過程中加入兩籃廢鋼，熔煉后采用純度高的氧氣（99.9%），鋼水一般精煉約5個(gè)點(diǎn)的碳。廢鋼有外購的，也有廠內(nèi)自產(chǎn)的。主要采用電力熔煉，偶爾也進(jìn)行氧氣冶煉。
由于沒有任何擋渣設(shè)備，鋼包下渣量估計(jì)在12~15kg/t鋼。出鋼完畢后，立即用錳鐵合金和少量的鋁（0.5kg/t）對鋼包爐中的鋼水進(jìn)行預(yù)脫氧。在VAD入口站加入石灰和脫氧劑進(jìn)行完全脫氧與下渣稀釋。真空脫氣處理后，鋼水連鑄成板坯，其中鋼包與中間包之間僅采用陶瓷保護(hù)，而中間包與結(jié)晶器之間采用SEN。這樣的工藝生產(chǎn)出的最終產(chǎn)品中含200ppm的硫以及100ppm的氮。
對由傳統(tǒng)的EAF-VAD-CC工藝生產(chǎn)的13爐鋁鎮(zhèn)靜鋼測量分析了從完全熔化、EAF出鋼前、VAD開始階段、VAD脫氣前、VAD終點(diǎn)以及中間包中氮的含量，從而計(jì)算出在不同工藝階段氮的進(jìn)入或脫除量。實(shí)際測量結(jié)果顯示，完全熔化時(shí)平均氮含量在70ppm，而在中間包中達(dá)到97ppm。
改進(jìn)的工藝
在對傳統(tǒng)工藝爐次中的氮含量分析的基礎(chǔ)上，找出影響氮含量控制的工藝步驟和關(guān)鍵措施，從而得出針對EAF和VAD設(shè)備而提出的工藝改進(jìn)方案。在實(shí)驗(yàn)過程中對EAF進(jìn)行改進(jìn)的措施有：
◆加料：廢鋼（BOF廢鋼）40%~50%；打包廢鋼15%~20%；鑄鐵6%~15%；板5%~10%；輕質(zhì)破碎廢料。在沒有鑄鐵的情況下使用低氮焦炭補(bǔ)充加料中的C裝料。
◆熔劑操作：石灰20kg/t；鐵礦石15kg/t；在70%熔化時(shí)開始噴碳造泡沫渣；完全熔化后脫碳沸騰至少0.40%。
◆出鋼：爐中不進(jìn)行脫氧。
◆鋼包加入：粉末石灰石和焦炭（50:50）1kg/t。
在VAD中改進(jìn)的工藝突出特點(diǎn)是：開始階段全脫氧以及加入熔劑；在真空室壓力500毫巴下進(jìn)行溫度調(diào)整；改進(jìn)爐渣化學(xué)成分使其接近石灰飽和態(tài)；在壓力<2毫巴時(shí)對鋼水深度脫氣15分鐘，[S]達(dá)到~120ppm；在深度脫氣過程中采用高密度的吹氬攪拌。
采用改進(jìn)的工藝后，對上述爐次的氮含量進(jìn)行重新測量，發(fā)現(xiàn)在各個(gè)階段氮含量均有所下降，其中，完全熔化時(shí)的氮含量下降到58ppm，中間包中的氮下降到55ppm，且整個(gè)工藝流程過程中氮含量均沒有超過60ppm。對傳統(tǒng)工藝爐次中氮含量的分析，發(fā)現(xiàn)其中突出的特點(diǎn)有：全部熔化階段氮含量高65~75ppm；精煉過程中（全部熔化至出鋼前）氮含量上升5ppm；出鋼過程卷入鋼中氮10~12ppm；在VAD開始與脫氣前這一階段氮含量無變化；在VAD深脫氣過程中氮脫去量低
4~8ppm；在澆注/連鑄過程中鋼包和中間包中卷入的氮高達(dá)15ppm。
熔煉與精煉
傳統(tǒng)煉鋼生產(chǎn)過程中，全部熔化階段鋼水中的氮含量高，原因是使用了氮含量高的廢鋼，在熔煉過程中爐渣形成延遲或者加料中無早期爐渣形成材料，如鐵礦石或直接還原鐵，以及在熔煉過程中無CO生產(chǎn)。
爐渣料如鐵礦石加入量從0~15kg/t變化，而采用鑄鐵導(dǎo)致加料中的碳裝入量增加，在6~18%之間變化。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溶解的[C]越多，則鋼水中溶解的[N]就隨著下降。BOF廢鋼加入量對完全熔化階段氮含量也有影響，總的趨勢是BOF廢鋼加入比例越大，氮含量越低。但由于BOF廢鋼成本高，所以在生產(chǎn)爐次中入料比例限制在最大45%~50%，而且加入的鑄鐵中帶入磷，從而也將鑄鐵的加入比例限制在最大15%。通過這些措施的混合使用，試驗(yàn)爐次中溶解的氮含量能降低到50~58ppm。
發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)精煉的爐次中，氮含量上升了5ppm，而不是下降了。原因是熔煉采用開放式電閃弧、無脫碳沸騰以及無爐渣發(fā)泡等。在試驗(yàn)中，為了控制熔煉和精煉過程中氮的卷入，用泡沫渣保護(hù)電弧，并采用0.20%~0.40%的脫碳沸騰。
出鋼過程氮的卷入
采用開放式出鋼操作，也就是對爐中的鋼水不進(jìn)行脫氧處理，通過對流槽的有效維護(hù)，保證了簡單緊湊。而這會使5~7ppm氮卷入到試驗(yàn)爐次鋼水中，但對傳統(tǒng)工藝爐次，發(fā)現(xiàn)卷入量卻在10~12ppm。在無法有效測量溶解氧的情況下，脫氧程度由渣中FeO含量反映。試驗(yàn)爐次中FeO含量為18%~20%，而傳統(tǒng)工藝爐次則為8%~10%。
VAD脫氮
加入到VAD中的石灰量增加，以獲得接近石灰飽和點(diǎn)的爐渣成分，同時(shí)也加入少量的CaF2（0.5kg/t）以提高渣的流動(dòng)性。在VAD脫氣開始階段就完成脫氧劑和熔劑的加入，希望鋼水能夠完全脫氧，獲得所需的高硫化物吸附能力的渣成分。改變爐渣成分，在脫氣前鋼水中硫含量降低到120ppm。發(fā)現(xiàn)VAD脫氣更能有效地脫氮。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低表面活性元素的濃度可以提高脫氮率。
澆注過程氮的卷入
在試驗(yàn)過程中，除了在鋼包和中間包之間采用陶瓷保護(hù)外，也使用氣體保護(hù)澆注，可有效地控制鋼包和中間包之間的氮的卷入。在試驗(yàn)過程中，這些措施有效地把卷入到鋼中的氮量降低到5~7ppm，而傳統(tǒng)工藝爐次中卷入氮卻在15ppm。
結(jié)論
電爐生產(chǎn)過程中，通過加入早期渣形成材料、提高加料中的碳裝料水平以及氧氣輔助熔煉等措施，限制了完全熔化階段氮的二次卷入量，保證鋼中氮含量低；泡沫渣保護(hù)下熔煉可使精煉終了時(shí)鋼中的氮至少下降5ppm；鋼水中高的溶解氧以及改善的鋼水流緊湊度，限制了EAF出鋼過程中氮的增加；鋼水中S含量的降低可提高二次精煉設(shè)備氮的脫去效果；提高鋼水流的保護(hù)降低了鑄機(jī)中氮的吸收量。
(鋼訊)
