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研究背景

在绿色低碳成为钢铁行业发展主旋律的今天，电弧炉短流程炼钢凭借吨钢碳排放较传统长流程降低约 80% 的显著优势，成为行业转型的核心路径。而随着大规模设备更新政策推进，高端制造对钢材提出了更高强度、更长寿命、更优纯净度的要求，低氮钢作为新能源电工硅钢、高端汽车板、LNG 船用钢等关键品种的核心基材，市场需求持续攀升。

氮元素是影响钢材性能的关键杂质 —— 过量氮会导致钢材低温脆性增加、深冲压成形性恶化，还会形成氮化物夹杂降低抗疲劳性能，直接限制电弧炉钢向高端领域突破。当前电弧炉短流程生产低氮钢面临三重核心挑战：

• 原料端：废钢氮含量波动大（0.003%~0.120%），且夹杂的油污、涂层会加剧冶炼过程增氮；

• 冶炼端：电弧高温（>3000℃）易电离空气，使氮气快速溶入钢液，传统工艺脱氮效率有限；

• 浇铸端：精炼到连铸环节的钢液裸露接触空气，易发生二次吸氮，成为控氮的障碍。

破解这些难题，成为电弧炉短流程炼钢实现高端化升级的必由之路。

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文章亮点

全流程协同控氮体系，构建 “阻-脱 -防”闭环

文章突破传统单一工序控氮思维，提出 “源头阻入→过程脱除→末端防护” 三段式技术框架。源头通过废钢数字化分类预处理、低氮炉料（铁水/直接还原铁）优化配加，降低初始氮负荷；过程依托泡沫渣优化、氢等离子体脱氮等技术强化脱氮；末端通过连铸全密封防护，将二次吸氮量控制在3×10^-6以下，形成全链条控氮屏障。

氢冶金融合创新，开辟主动脱氮新路径

首次系统阐述氢基控氮技术：开发全封闭式含氢等离子体电弧炉，通过中空电极喷吹Ar-H₂混合气，利用氢等离子体与钢液中氮反应生成 NH₃实现主动脱氮。更前瞻性提出 “氢基竖炉+电炉” 零碳短流程模式，宝钢湛江钢铁已通过该技术实现热试成功，衔接 500℃直接还原铁热料，大幅降低能耗的同时，实现低氮、低硫等精细化控制。

工业验证成效显著，指标达国际先进水平

多项企业实践数据证实技术可行性：首钢采用 “EAF→LF→RH→CC” 流程，新能源用电工硅钢氮含量稳定≤0.0030%；河钢全废钢直流电弧炉冶炼 GCr15 轴承钢，氮含量低至 0.0034%；某企业通过废钢管理与真空精炼优化，将超低碳汽车板DC04钢氮含量降至30×10^-6以下，满足高端应用要求。

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重点图文解析

核心工艺路径对比

表1 我国低氮钢电弧炉短流程冶炼工艺流程及控氮水平

提供了我国低氮钢电弧炉短流程冶炼的工艺流程、技术来源、对应钢种及控氮水平四方面核心信息。

增氮与脱氮核心原理

图1：电弧炉短流程炼钢增氮途径原理示意图

增氮三大途径：

① 原料引入：废钢、焦炭粉等带入初始氮。

② 空气渗氮：钢液与空气接触时，N?溶解为[N]原子（N?(g)→2[N]）。

③ 电弧电离：高温电弧将N?电离为活性粒子，快速溶入钢液。

脱氮两大机制：

图2 电弧炉短流程炼钢脱氮原理示意图

①气泡脱氮：CO/Ar 气泡作为 “微型真空泵”，携带 [N] 逸出（如电弧炉脱碳期 CO 气泡）；

②真空脱氮：VD/RH真空室（不超过100Pa）降低氮分压，驱动2 [N]→N?(g) 反应，配合Ar搅拌加速传质。

铁水比例对控氮的影响

图6 电弧炉终点钢液氮含量随生铁或铁水比例的变化

图 6 清晰展示了电弧炉终点钢液氮含量随生铁或铁水比例的变化规律：当铁水比例低于 22% 时，“增氮” 与 “脱氮” 效应相互抵消，钢液氮含量无明显下降；比例超过 22% 后，CO气泡与泡沫渣的脱氮、埋弧效果占主导，钢液降氮趋势显著；比例过高（超过 50%）会增加脱碳负荷、延长冶炼周期，可能导致氮含量不降反升，故推荐铁水比例控制在 30%~50%。

氢等离子体电弧炉核心装备

图11 含氢等离子体电弧炉炼钢装置结构图

1—竖井；2—等离子熔炼炉；3—第一入口；4—第一出口；5—第二入口；6—偏心底出钢口；7—烟气出口；8—预热通道；9—电磁感应加热装置；10—炉盖；11—炉体；12—含氢等离子体枪；13—底阳极；14—推料装置；15—把手；16—铲体；17—铲体出入口；18—复合底枪；19—炉料预备仓；20—第一闸门；21—第二闸门；22—第一滑轨；23—第二滑轨；24—第一卡槽；25—第二卡槽；26—料篮.

笔者团队开发的装置为主动脱氮的核心装备，采用 “竖井预热 + 等离子熔炼” 一体化设计：中空石墨电极喷吹含氢混合气，形成高活性氢等离子体；炉底复合底枪辅助吹氧/CO?，精准调控熔池反应；全封闭结构隔绝空气，避免电弧电离增氮，工业试验中可将钢液氮含量降至 20×10^-6以下。

连铸全保护浇注关键技术

图17 钢包浇注下渣监控系统工作原理图

图17展示了连铸 “最后防线” 的核心装备：通过异形包底设计 + 振动式下渣检测系统，将下渣报警准确率提升至 90%以上，阻断氧化性炉渣污染；长水口碗部环形吹氩通道形成稳定气幕，吹氩量提升至50L/min 可使增氮量从 9.4×10^-6降至 0.8×10^-6；中间包一体化密封+惰性气氛控制，使吸氮量从 25×10^-6降至 3×10^-6。

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结论与展望

核心结论

1. 原料端优化是控氮基础：推荐采用 LIBS光谱检测技术实现废钢精准分选，铁水与直接还原铁配加比例控制在30%~50%为宜；

2. 冶炼环节需 “抑增+脱氮” 并举：泡沫渣四元碱度控制在 1.2~1.5可最优埋弧，CO₂复吹技术可使钢液氮含量降至0.004%~0.006%；

3. 全流程密封防护不可忽视：连铸环节的长水口氩封、中间包惰性气氛控制，是避免二次吸氮的关键。

未来展望

文章前瞻性提出氢冶金融合新路径：以 “优质废钢+氢基直接还原铁 +适量铁水” 为炉料基础，集成氢等离子体电弧炉初炼、氢基 LF 精炼、高效真空处理与全保护浇注，形成 “主动脱氮+低碳冶炼” 一体化新模式。该模式不仅可实现低氮钢氮含量稳定≤20×10^-6，还能进一步降低吨钢碳排放，为钢铁工业高端化、绿色化发展提供全新技术范式。

姜周华，东北大学二级教授、博士生导师，东北大学冶金学院绿色智能特殊钢冶金研究中心主任，特殊钢先进冶金工艺和装备教育部工程研究中心主任，辽宁省特殊钢电冶金专业技术创新中心主任，辽宁省沈抚改革创新示范区东大工业技术研究院院长。 第八届国务院学科评议组成员，第八届教育部科技委委员，《钢铁》期刊副主编，《Int.J.Miner.Metall.Mater.》《特殊钢》编委。

主要从事高品质特殊钢和特种合金的冶金工艺、装备和品种开发研究，主持了“十三五”重点研发计划项目、“十四五”重点研发计划课题、“863计划”、国家支撑计划、重点基金项目等国家级项目30余项，企业合作项目30余项。 获得国家科技进步一等奖1项(排名第1)、二等奖2项、省部级科技奖18项，制定国际标准2项、国家标准3项，是中国首位获“IEC1906”国际标准奖的专家。 入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次、“兴辽英才计划”杰出人才，获国务院政府特殊津贴，获全国先进工作者，第二届全国创新争先奖，第四届杰出工程师奖，辽宁省杰出科技工作者，沈阳市市长特别奖等荣誉，带领团队入选第二批全国高校黄大年式教师团队。发表论文800余篇，教材专著10部，授权发明专利200余项，指导研究生200余名。