本發明涉及一種鋼水增氮方法，適用于lf高氮鋼冶煉，屬于鋼鐵冶金技術領域。
背景技術：
氮作為耐蝕性元素其使用價值己經得到了人們的重視。目前，氮在不銹鋼生產領域得到了較好的應用和推廣，其加入量己高達1％以上。由于氮在低合金鋼中具有較低的固溶度，而且氮含量增加會產生時效硬化作用，因此，氮在耐候鋼領域應用并不廣泛。然而，高氮-釩聯合合金化以vn析出物形式改變氮的賦存狀態，不但消除氮的時效硬化不利影響，同時亦能改善釩的高溫析出行為，這對拓展氮在耐候鋼中的應用具有十分重要的意義。
然而高氮鋼液的增氮一直難度較大，尤其是氮在低合金鋼液中的溶解度低，底吹氮氣成本低，但是增氮速率低和氮穩收得率差；氮合金增氮雖然收得率高且穩定，但成本高。因此提高增氮速率、穩定收得率并且降低成本非常重要。
博士論文文獻(采用中空電極噴吹氣體的新型lf爐內冶金行為的基礎研究.東北大學,2010.)，主要是針對低氮鋼，通過lf的中空電極噴吹ar-h2、ar-ch4、ar-co2、ar-液化氣和ar-天然氣，生成等離子體，產生復雜物理化學反應，以降低熔池內w[c]、w[n]和w[h]含量，使鋼中氮含量處于合理范圍。然而，該文獻的中空電極是為了降低鋼中的氮含量。
專利文獻“一種rh真空處理過程中的脫氫增氮控制方法”，包括以下步驟：在lf精煉將鋼水合金成分調整至目標值后，在通過底吹n2或者喂入氮化硅絲線的方式將氮含量提高至150ppm～250ppm之間；鋼包到rh工位進行真空脫氣，使用n2作為提升氣體，使真空室的真空度維持在<100pa的條件下；在真空度<100pa條件下保持10min～20min后，關閉部分真空泵組，使用n2進行填充真空室，將真空室的真空度穩定控制在10kpa～30kpa之間，并提高n2流量，使鋼液中的氮含量增加到400ppm～600ppm。
該專利在lf中采用底吹氮氣的方法，氮氣上浮到電極位置產生等離子體進而增氮，由于氮氣與電極的接觸時間短，并且氮氣在lf中的分布范圍大，造成等離子體產生量較少，增氮速率和幅度不大。
專利文獻“一種根據鋼種要求對鋼水進行穩定增氮的新方法”，針對不同鋼種類別進行增氮，a類：鋼種氮含量≤0.0060％；b類：鋼種氮含量0.0060～0.0120％；c：鋼種氮含量>0.012％，對不同氮含量要求的鋼種進行不同操作，達到均勻成分、增氮、經濟性、穩定性。
該專利在對氮含量較高的鋼種增氮時，采用底吹氬氣并添加固氮合金元素，增氮速率慢并且成本較高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種增氮速率快、成本低的鋼水增氮方法，適用于lf高氮鋼冶煉。
為解決上述技術問題本發明所采用的技術方案是：鋼水增氮方法，采用lf精煉，lf電極為貫穿的中空結構，使得氮氣能夠從電極頂端通過電極中心，由電極底部噴入鋼液面；lf電極的中空直徑優選為5mm～30mm；電極的中空結構頂部密封連接地設置有氮氣管道，氮氣管道可采用耐熱橡膠管；精煉時，通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣時，優化工藝參數為：lf采用三相電弧加熱，冶煉初期，每支電極氮氣流量為5l/min～10l/min；冶煉中期，每支電極氮氣流量為15l/min～20l/min；增氮結束，電極內氮氣流量為零。
為進一步提高增氮效率，在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氮氣。
底吹氮氣的優化工藝為：底吹氮氣流量為50l/min～80l/min；增氮結束后，底吹氮氣切換為底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min～80l/min。
此外，每分鐘增氮總量控制為10ppm～40ppm，根據每分鐘增氮總量，確定吹氮時間。
本發明的有益效果是：研究表明，在熱力學角度氮在低合金鋼中的溶解度可達400ppm，但是由于氮的化學特性穩定，難以溶解到鋼水中，一般低合金鋼的氮含量100ppm。動力學研究表明，鋼液中氮的溶解分為三步：(1)氣體吸附在液體表面；(2)氣-液界面化學反應，生成氮離子；(3)反應產物向液體內部擴散。由于lf內攪拌效果好，一般認為第二步為氮溶解的限制性環節。
本發明采用lf中空電極吹氮，通過電弧物理作用，直接使氮氣形成等離子體，避免了上述的限制性環節，提高增氮速率、降低生產成本。同時與底吹氮氣相比，從中空電極吹氮，可以加大氮氣與電弧的接觸面積，并且合理控制氮氣的流量，更加有效的利用電弧的能量，產生更多的等離子體，促進氮的溶解。
本發明能顯著降低高氮鋼的冶煉時間和生產成本。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例1：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為10mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為5l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為15l/min；14分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min。
最終lf出鋼氮含量為160ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低1.2元。
實施例2：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為5mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為5l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為15l/min；16分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min。
最終lf出鋼氮含量為170ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低1.0元。
實施例3：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為30mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為10l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為20l/min；17分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氬氣，底吹氬氣流量為80l/min。
最終lf出鋼氮含量為172ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低0.8元。
實施例4：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為10mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為5l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為15l/min；11分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氮氣，底吹氮氣流量穩定在60l/min；增氮結束后，底吹氮氣切換為底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min。
最終lf出鋼氮含量為160ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低1.5元。
實施例5：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為5mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為5l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為15l/min；13分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氮氣，底吹氮氣流量穩定在60l/min；增氮結束后，底吹氮氣切換為底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min。
最終lf出鋼氮含量為155ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低1.5元。
實施例6：
本實施例為采用某鋼廠120lf爐，生產耐候鋼q450nqr1，要求終點氮含量為150ppm～180ppm。
實施時，lf電極中空直徑為10mm；lf采用三相電弧加熱，lf冶煉初期，每支電極吹入氮氣流量為5l/min；冶煉中期，每支電極吹入氮氣流量為20l/min；10分鐘后，增氮結束，電極內氮氣流量為零。
在通過電極頂部的氮氣管道往lf通入氮氣進行增氮的同時，在lf中采用底吹氮氣，底吹氮氣流量穩定在60l/min；增氮結束后，底吹氮氣切換為底吹氬氣，底吹氬氣流量為50l/min。
最終lf出鋼氮含量為165ppm。
該方法與lf加含氮合金相比，冶煉時間相當，但是噸鋼成本降低1.5元。