本发明涉及一种钢水增氮方法，适用于lf高氮钢冶炼，属于钢铁冶金技术领域。
背景技术：
氮作为耐蚀性元素其使用价值己经得到了人们的重视。目前，氮在不锈钢生产领域得到了较好的应用和推广，其加入量己高达1％以上。由于氮在低合金钢中具有较低的固溶度，而且氮含量增加会产生时效硬化作用，因此，氮在耐候钢领域应用并不广泛。然而，高氮-钒联合合金化以vn析出物形式改变氮的赋存状态，不但消除氮的时效硬化不利影响，同时亦能改善钒的高温析出行为，这对拓展氮在耐候钢中的应用具有十分重要的意义。
然而高氮钢液的增氮一直难度较大，尤其是氮在低合金钢液中的溶解度低，底吹氮气成本低，但是增氮速率低和氮稳收得率差；氮合金增氮虽然收得率高且稳定，但成本高。因此提高增氮速率、稳定收得率并且降低成本非常重要。
博士论文文献(采用中空电极喷吹气体的新型lf炉内冶金行为的基础研究.东北大学,2010.)，主要是针对低氮钢，通过lf的中空电极喷吹ar-h2、ar-ch4、ar-co2、ar-液化气和ar-天然气，生成等离子体，产生复杂物理化学反应，以降低熔池内w[c]、w[n]和w[h]含量，使钢中氮含量处于合理范围。然而，该文献的中空电极是为了降低钢中的氮含量。
专利文献“一种rh真空处理过程中的脱氢增氮控制方法”，包括以下步骤：在lf精炼将钢水合金成分调整至目标值后，在通过底吹n2或者喂入氮化硅丝线的方式将氮含量提高至150ppm～250ppm之间；钢包到rh工位进行真空脱气，使用n2作为提升气体，使真空室的真空度维持在<100pa的条件下；在真空度<100pa条件下保持10min～20min后，关闭部分真空泵组，使用n2进行填充真空室，将真空室的真空度稳定控制在10kpa～30kpa之间，并提高n2流量，使钢液中的氮含量增加到400ppm～600ppm。
该专利在lf中采用底吹氮气的方法，氮气上浮到电极位置产生等离子体进而增氮，由于氮气与电极的接触时间短，并且氮气在lf中的分布范围大，造成等离子体产生量较少，增氮速率和幅度不大。
专利文献“一种根据钢种要求对钢水进行稳定增氮的新方法”，针对不同钢种类别进行增氮，a类：钢种氮含量≤0.0060％；b类：钢种氮含量0.0060～0.0120％；c：钢种氮含量>0.012％，对不同氮含量要求的钢种进行不同操作，达到均匀成分、增氮、经济性、稳定性。
该专利在对氮含量较高的钢种增氮时，采用底吹氩气并添加固氮合金元素，增氮速率慢并且成本较高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种增氮速率快、成本低的钢水增氮方法，适用于lf高氮钢冶炼。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：钢水增氮方法，采用lf精炼，lf电极为贯穿的中空结构，使得氮气能够从电极顶端通过电极中心，由电极底部喷入钢液面；lf电极的中空直径优选为5mm～30mm；电极的中空结构顶部密封连接地设置有氮气管道，氮气管道可采用耐热橡胶管；精炼时，通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气时，优化工艺参数为：lf采用三相电弧加热，冶炼初期，每支电极氮气流量为5l/min～10l/min；冶炼中期，每支电极氮气流量为15l/min～20l/min；增氮结束，电极内氮气流量为零。
为进一步提高增氮效率，在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氮气。
底吹氮气的优化工艺为：底吹氮气流量为50l/min～80l/min；增氮结束后，底吹氮气切换为底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min～80l/min。
此外，每分钟增氮总量控制为10ppm～40ppm，根据每分钟增氮总量，确定吹氮时间。
本发明的有益效果是：研究表明，在热力学角度氮在低合金钢中的溶解度可达400ppm，但是由于氮的化学特性稳定，难以溶解到钢水中，一般低合金钢的氮含量100ppm。动力学研究表明，钢液中氮的溶解分为三步：(1)气体吸附在液体表面；(2)气-液界面化学反应，生成氮离子；(3)反应产物向液体内部扩散。由于lf内搅拌效果好，一般认为第二步为氮溶解的限制性环节。
本发明采用lf中空电极吹氮，通过电弧物理作用，直接使氮气形成等离子体，避免了上述的限制性环节，提高增氮速率、降低生产成本。同时与底吹氮气相比，从中空电极吹氮，可以加大氮气与电弧的接触面积，并且合理控制氮气的流量，更加有效的利用电弧的能量，产生更多的等离子体，促进氮的溶解。
本发明能显著降低高氮钢的冶炼时间和生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为10mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为5l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为15l/min；14分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min。
最终lf出钢氮含量为160ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低1.2元。
实施例2：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为5mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为5l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为15l/min；16分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min。
最终lf出钢氮含量为170ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低1.0元。
实施例3：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为30mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为10l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为20l/min；17分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氩气，底吹氩气流量为80l/min。
最终lf出钢氮含量为172ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低0.8元。
实施例4：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为10mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为5l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为15l/min；11分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氮气，底吹氮气流量稳定在60l/min；增氮结束后，底吹氮气切换为底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min。
最终lf出钢氮含量为160ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低1.5元。
实施例5：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为5mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为5l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为15l/min；13分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氮气，底吹氮气流量稳定在60l/min；增氮结束后，底吹氮气切换为底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min。
最终lf出钢氮含量为155ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低1.5元。
实施例6：
本实施例为采用某钢厂120lf炉，生产耐候钢q450nqr1，要求终点氮含量为150ppm～180ppm。
实施时，lf电极中空直径为10mm；lf采用三相电弧加热，lf冶炼初期，每支电极吹入氮气流量为5l/min；冶炼中期，每支电极吹入氮气流量为20l/min；10分钟后，增氮结束，电极内氮气流量为零。
在通过电极顶部的氮气管道往lf通入氮气进行增氮的同时，在lf中采用底吹氮气，底吹氮气流量稳定在60l/min；增氮结束后，底吹氮气切换为底吹氩气，底吹氩气流量为50l/min。
最终lf出钢氮含量为165ppm。
该方法与lf加含氮合金相比，冶炼时间相当，但是吨钢成本降低1.5元。