风电钢生产过程氮含量控制实践.pdf

第 38 卷第 6 期 2016 年 12 月 甘 肃 冶 金 GANSU METALLURGY Vol.38 No.6 Dec.,2016 文章编号:1672-4461(2016)06-0018-03 风电钢生产过程氮含量控制实践 王国军 (酒泉钢铁集团有限责任公司,甘肃 嘉峪关 730000) 摘 要:由于风电板的使用的特殊要求,对钢中氮含量的要求较高,通过对转炉冶炼、精炼及连铸生产过程控制关 键点进行分析,找出整个过程中控制钢中氮的工艺措施,降低了钢中氮的含量,保证了产品质量稳定。 关键词:炼钢;钢中氮含量;钢水质量;终点氧;脱氧合金化 中图分类号:TF713 文献标识码:A Practice of Nitrogen Content Control in the Production of Wind-power Panel WANG Guo-jun (Jiuquan Iron nitrogen content in steel;molten steel quality;terminal oxygen;deoxidized alloying 1 引言 随着近年来风力发电技术的发展应用,风电设 备制造得到迅猛发展,而 Q345E 作为风电设备配套 件 塔筒制造的主要材料,需求量逐年增长,具 有广阔的市场空间。 风力发电塔的支柱是由钢板卷 制成的圆锥形筒体,筒体不但要承受机舱、风轮的重 量,还要受到各种风速条件下的动态风载荷作用,使 用环境恶劣,条件复杂,因此对风力发电塔的制造材 质要求非常严格,特别是其材质的焊缝质量直接影 响到系统运行的安全性,这对钢材生产过程提出了 很高的要求。 钢中氮含量增加时会造成焊缝组织明显粗化, 造成焊缝强度、塑性及冲击韧性的降低。 为了保证 Q345E 质量稳定,借鉴前期生产 345 系列其它钢种 出现过氮含量超标的分析结果,制定出具体的措施, 作为 Q345E 生产过程生产关键点进行控制,保证产 品质量达到要求。 2 影响风电钢氮含量的工艺环节 2.1 转炉冶炼 2.1.1 转炉终点碳控制对增氮的影响 转炉脱碳的过程同时也是一个脱氮和增氮的过 程。 在转炉冶炼前期,主要是硅的氧化反应,产生的 CO 量较少,带走氮的速度小于底吹氮造成溶解速 度,在这一过程钢中的氮含量呈明显增加趋势,氮含 量增加;在转炉冶炼中期脱碳反应较为剧烈,生成的 大量 CO 气泡,带走氮的速度大于底吹氮造成溶解 速度,在这一过程钢中的氮含量呈下降趋势,氮含量 下降;冶炼末期底吹气体转换成氩气,部分氮在氩气 气泡的作用下,继续被脱出,钢中的氮含量总体成降 低趋势,氮含量持续呈下降趋势,氮下降速度明显 减小1。 通过试验跟踪 50 炉次 Q345E 的生产数据表 明:补吹直接影响到钢水终点氮含量,补吹次数越 多,氮含量增加越明显(图 1)。 其中 31 炉次一倒出 钢,终点氮含量全部控制在 3010-6以下,12 炉次补 万方数据 图 1 转炉冶炼过程氮含量变化图 吹一次,氮含量平均值在 3710-6左右,另外由于终 点磷高进行二次补吹 8 炉次,氮含量平均值在 48 10-6左右,全部改 Q345B 进行生产。 主要由于补吹 时,熔池碳含量较低,CO 产生量很小,吹氧时氧气流 冲开渣面,火点区钢液面裸露,造成火点区钢液的吸 氮速度大于 CO 汽泡的脱氮速度,钢液在火点区从 气相中吸氮造成钢中氮含量升高2。 2.1.2 转炉出钢时间对于增氮的影响 出钢过程氮含量的变化规律,随着出钢口使用 次数、出钢口形状的变化等因素变化。 出钢口使用 中前期,随着出钢时间的缩短,吸氮量呈下降趋势; 出钢口使用后期一旦出现出钢口形状造成的散流, 钢液的吸氮明显成上升趋势3。 因此对于风电钢 的生产,尽量选在出钢口使用次数的中期为宜,控制 出钢过程吸氮量。 2.1.3 转炉脱氧深度对于增氮的影响 钢液的脱氧深度对吸氮影响较为明显。 不脱氧 的钢液吸氮趋势很小,钢种氮含量基本不增加,主要 由于氧、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。 风电板使用铝系脱氧剂进行脱氧,脱氧过程中 钢液氧质量分数下降,对钢水的保护作用消失,出钢 钢水剧烈翻腾并直接与空气接触,空气中高达 78% 的氮含量极易溶入钢液导致钢液增氮。 风电板属于 铝脱氧钢,出钢过程脱氧彻底,使得钢液出钢过程吸 氮严重;出钢时还要加入少量钒铁进行钒的微合金 化,出钢后加入的钒极易与钢液中的氮结合形成氮 化钒,从而降低钢包中钢水氮的分压,进一步促进钢 液从空气中吸氮4。 为了控制风电钢出钢过程增氮,对脱氧工艺进 行优化: 减少转炉脱氧铝铁的加入量,将吹氩站钢水 氧含量控制在 10010-6左右,进入 LF 使用复合脱氧 剂配合铝条将其去除。 微合金化的钒铁在出钢最后加入钢包,然后 在钢包表面加入袋装活性石灰。 2.2 LF 精炼 LF 炉的精炼过程也是一个吸氮的过程,吸氮主 要由于脱氧良好的钢水与大气接触、氮气被电弧电 离、精炼前期的氩气量控制等因素共同作用。 钢包 进入精炼后全程底吹氩气搅拌,精炼前需要加入石 灰和萤石,同时根据炉前脱氧情况使用复合脱氧剂 配合 Al 线进行脱氧,为精炼过程造白渣创造条件; 在精炼末期进行成分微调和喂线等工艺操作。 在 LF 炉精炼前期,钢液中氮含量较低(约 3010-6),加 入大量渣料后,渣料没有化开前有较大间隙,形成了 钢液吸氮的通道,化渣时氩气量控制较大,脱氧良好 的钢液与空气接触,加快了吸氮的速度;另外在电极 加热时,电弧最高温度可以达到 3 000 。 电弧作 用到钢液上时,这部分钢液较其它部位的钢液温度 高,超过2 300 ,而当钢液温度超过2 130 时,发 生如下反应: N2=2N(g) N(g)+Q=N 在钢渣界面存在大量被电离的N,随着氧、硫 质量分数在钢中急剧下降,吸氮趋势明显加强。 被 电离的N在钢液裸露区被吸入,钢液中氮含量呈 上升趋势。 随着温度升高渣料逐渐融化,熔化的渣 子覆盖在钢液表面,隔绝了氮气与钢液的接触,避免 了N的吸入5-6。 通过跟踪 50 炉次 Q345E 精炼进站到喂线后的 氮含量变化情况(图 2),通过分析发现有 28 炉次氮 含量有所升高,有 4 炉钢炉基本没有变化,另外有 18 炉钢变化十分明显。 图 2 精炼氮含量变化量图 通过分析精炼环节氮含量变化情况,精炼前后 接近 23%的炉次钢液增氮严重,主要由于工艺控制 环节执行存在问题。 通过对整个生产过程数据进行 调查,异常升高炉次主要由于进站硫高,在脱硫过程 用铝进行了深脱氧操作,造成钢液吸氮趋势增加;过 程为了保证生产周期使用大氩气量操作,造成钢液 裸露后出现明显吸氮;后续钙处理过程 Ca-Si 需要 91第 6 期 王国军:风电钢生产过程氮含量控制实践 万方数据 的喂线量大,为了保证生产周期,上调喂线速度导致 钢液面翻动大,钢液裸露严重,以上过程操作存在的 不足造成钢水增氮量异常。 2.3 连铸浇铸 连铸过程也是一个增氮的过程,为了控制吸氮, 采用保护浇注技术。 钢包到中间包过程采用大包长 水口加氩气密封进行过程保护,中间包加入足量铺 展性良好的覆盖剂。 中包到结晶器的采用浸入式水 口加风电板专用保护渣进行保护浇注,防止吸氮,该 环节基本上不增氮。 因此决定连铸生产增氮的多 少,主要决定于钢包保护浇注系统7。 根据对 50 炉次 Q345E 的生产过程跟踪,连铸 过程氮含量异常升高的炉次主要集中在连铸第一包 和更换大包保护浇注套管的炉次。 连铸开浇第一包 钢水进入中间包,开始阶段由于液面较低钢水出套 管后直接冲击在包底,钢水直接裸露在空气中造成 钢水会吸氮;连铸长水口后期会出现密封不良的情 况,将会造成空气吸入。 3 风电钢全流程氮含量变化 对 50 炉 Q345E 生产过程“转炉LF 炉连 铸成品”钢样中氮含量的变化进行跟踪,采样点 为转炉终点样、到吹氩站样、出吹氩站样、LF 炉进站 样、LF 出站样、连铸中包样、连铸坯角样,氮含量波 动范围如图 3 所示。 图 3 风电钢全流程氮含量控制范围 如图 3 所示:钢液在进精炼炉之前的各采样点 波动范围较小,而 LF 炉出站样波动范围明显增加, 造成后续两个控制环节氮含量波动范围增加,说明 氮含量增加较大的环节主要集中在精炼环节,因此 后续生产风电板控制氮含量的主要措施,应该集中 在如何规范精炼环节的生产操作上面,保证氮含量 受控。 4 控制措施优化及验证 为了保证后续风电板产品焊接性能良好,通过 阶段生产跟踪数据进行生产控制措施优化,具体措 施如下: 转炉出钢脱氧不宜采用深脱,将吹氩站氧质 量分数控制在 10010-6左右。 转炉出钢后期加入 200 kg 左右的袋装石灰, 减少精炼环节前期渣料加入量。 精炼使用的钢包必须保证底吹氩系统良好。 进精炼硫高的炉次,延长生产周期 36 min, 严禁前期大气量操作。 保证喂线机与钢包液面的最佳角度,保证喂 线深度。 通过以上措施的实施,风电板在成品的氮含量 全部控制在 6010-6以下,且波动范围明显减小,保 证了风电板的焊接性能。 参考文献: 1 许志鸿,杨宝.Q235 钢中氮含量的控制J.河北冶 金,2009(04):26-28. 2 曹盛. 超低氮钢转炉终点氮含量控制J.河北冶 金,2015(10):14-17. 3 谯明亮.转炉冶炼过程钢液中氮含量变化研究与分析 J.江苏冶金,2008(3):10-12. 4 陈 均,陈 永.高压气瓶钢氮含量控制技术研究C. 2013 钒钛高强钢开发与应用技术交流会论文集,2013-09-27. 5魏国立.氮含量对皮下气泡形成的影响及控制措施 J.酒钢科技,2012(3). 6 程张生,王艳丽.氧气瓶钢冶炼过程氮含量控制J.河 南冶金,2013 (6):44-47. 7 高福彬,唐文明,程迪.IF 钢增氮原因分析及控制措 施J. 河北冶金,2016(1):61-64. 收稿日期:2016-08-29 作者简介:王国军(1981-),男,工程师,2004 年毕业于安徽工业大学 冶金工程专业。 现从事炼钢连铸方面的研究。 02 甘 肃 冶 金 第 38 卷 万方数据