鋼水氮含量影響因素及控制措施

李田茂，倪勤盛，劉賀華，田福（本鋼集團(tuán)北營煉鋼廠，遼寧本溪117000）

鋼水氮含量影響因素及控制措施

李田茂，倪勤盛，劉賀華，田福
（本鋼集團(tuán)北營煉鋼廠，遼寧本溪117000）

分析了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)環(huán)節(jié)中由于復(fù)吹氣體選擇、轉(zhuǎn)爐出鋼口維護(hù)、合金選擇、吹氬清掃以及LF精煉過程中爐內(nèi)通電時(shí)間、脫氧劑、壓力調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)對鋼水增氮量的影響。采取減少轉(zhuǎn)爐后吹、縮短LF通電時(shí)間等措施后，鋼中氮含量控制在0.005 0%以下。

轉(zhuǎn)爐；精煉；鋼水；氮含量

近年來，隨著本鋼集團(tuán)北營煉鋼廠優(yōu)質(zhì)線材品種鋼生產(chǎn)量的不斷增大以及客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，如何在提高煉成率的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量、滿足客戶需求就顯得尤為重要。鋼中氮含量高不僅會(huì)增加鋼材的時(shí)效、藍(lán)脆，也使鋼水中鈦、硼、鈮、鋁元素的回收率降低并形成脆性氮化物夾雜，惡化了鋼的性能。針對此問題，本鋼北營煉鋼廠對生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，找出其中增氮量較大的環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)措施，從而使氮含量得到了有效控制。

1　轉(zhuǎn)爐冶煉過程氮含量影響因素

1.1復(fù)吹對鋼中氮含量的影響

在煉鋼吹煉過程中，由于氧氣的沖擊作用以及產(chǎn)生的CO氣體的不斷逸出，鋼水在增氮的同時(shí)也在進(jìn)行脫氮反應(yīng)。復(fù)吹模式的選擇對氮含量的影響隨著脫碳反應(yīng)的激烈程度而變化，若吹煉全程底部供氮?dú)鈺r(shí),即便供氮強(qiáng)度小,鋼水中氮含量也會(huì)增加至0.002 0%～0.004 5%。

實(shí)踐表明,吹煉前期、中期供給氮?dú)?鋼水中增氮的可能性很小,由于吹煉前中期脫碳反應(yīng)的激烈進(jìn)行使鋼液的吸氮速度小于脫氣速度［1］。所以,前、中期復(fù)吹氮?dú)庠斐射撍目赡苄院苄?。而吹煉末期鋼水氧含量大幅增?使鋼中氮的活度增大。另外，熔池中產(chǎn)生的CO氣泡的脫氮作用也會(huì)使鋼中含氮量進(jìn)一步降低。但是,隨著鋼中碳含量的降低,脫碳速度顯著下降,產(chǎn)生的CO氣體量減少,爐口差壓變小,從爐口卷入的空氣量增多,爐氣中氮的分壓增大,因而會(huì)出現(xiàn)增氮現(xiàn)象,特別是后吹爐次出現(xiàn)了較高的增氮量。對高碳鋼（轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)ω［C］≥0.40%）、普碳鋼 （轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)0.12%≤ω［C］≤0.20%）、低碳鋼（轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)ω［C］≤0.08%）轉(zhuǎn)爐吹煉結(jié)束后的氮含量進(jìn)行檢測（各抽檢10爐，計(jì)算出平均氮含量），結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C含量越低，吹煉時(shí)間越長，鋼中N含量越高。后吹爐次同樣增加了冶煉時(shí)間，增大了從爐口卷入空氣導(dǎo)致增N的機(jī)率。

1.2出鋼口對鋼中氮含量的影響

出鋼口形狀不規(guī)則以及出鋼口粘接冷鋼都會(huì)直接影響鋼流的形狀,出鋼的鋼流發(fā)散增加了鋼水與大氣接觸的比表面積,給鋼水吸氮?jiǎng)?chuàng)造了條件。而出鋼時(shí)間的長短也同樣影響鋼中氮含量,因?yàn)槌鲣摃r(shí)間越長,鋼水與大氣接觸的時(shí)間就越長,吸氮的可能性就越大。為檢驗(yàn)出鋼口形狀以及出鋼時(shí)間對鋼中N含量的影響，對出鋼散流且平均出鋼時(shí)間約為5 min和出鋼不散流且出鋼時(shí)間在3 min的同一鋼種（Q235B）鋼中N含量進(jìn)行檢測（不考慮其它工藝影響），結(jié)果見表1。

表1　出鋼口形狀及出鋼時(shí)間對N含量的影響

由表1看出，出鋼不散流且時(shí)間較短爐次比出鋼散流且時(shí)間較長爐次平均ω［N］低0.0007%。

1.3脫氧合金化對鋼中氮含量的影響

由于合金含氮量的不同以及對合金收得率的較高要求，選擇不同的合金及加入時(shí)機(jī)會(huì)得到不同的收得率，從而也影響鋼水氮含量的增加。煉鋼常見合金氮含量見表2。

檢測高碳鋼生產(chǎn)過程中復(fù)合碳鐵及焦炭增碳劑的增氮情況發(fā)現(xiàn)，使用復(fù)合碳鐵后鋼水氮含量比使用焦炭增碳劑的普遍高0.000 6%～0.001 1%。

表2　煉鋼主要原料中氮含量　%

1.4吹氬操作對鋼中氮含量的影響

氬氣泡在鋼水中上浮及其引起的強(qiáng)烈攪拌反應(yīng),提供了氣相成核和夾雜顆粒碰撞的機(jī)會(huì),有利于氣體和夾雜物的排除,這就是氬氣的攪拌作用。另外,氬氣在鋼水中逸出后覆蓋在鋼液面上,能使鋼水避免二次氧化和吸收氣體,但是壓力過大時(shí)會(huì)使液面裸露而發(fā)生二次氧化和吸氣，增N,效果反而不好。

檢測出鋼前對鋼包的氬氣吹掃以及出鋼全程氬氣攪拌發(fā)現(xiàn)，氬氣吹掃后的鋼水氮含量比不吹掃爐次平均氮含量低0.000 3%。

2　LF精煉對鋼中氮含量的影響

2.1LF精煉爐鋼水增氮的機(jī)理

精煉LF爐在通電時(shí)由于電弧區(qū)局部溫度達(dá)到2 100℃以上，氧和硫的表面活性作用對阻礙吸氮的影響作用消失，氮的溶解度增加，只要鋼水出現(xiàn)裸露就會(huì)吸氮，氮?dú)庠阡撘褐械娜芙夥磻?yīng)如下：

式中，K為氮溶解反應(yīng)常數(shù)；fN為鋼液中N的活度系數(shù)；PN2為鋼液中N的平衡分壓，kPa；a、b為常數(shù)。

由式（3）可以看出，隨著溫度的提高，氮溶解反應(yīng)常數(shù)K增大，鋼液中氮的溶解度也隨之增加，在電弧區(qū)鋼液增氮較為嚴(yán)重。

2.2通電時(shí)間

隨著通電時(shí)間的增加，特別是高溫狀態(tài)下的通電，會(huì)加速空氣中氮?dú)獾碾娊?，對高碳鋼、低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼、含鈦鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測。高碳鋼通電時(shí)間平均為20 min；低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼由于需要進(jìn)行改渣操作，通電時(shí)間平均為23 min；含鈦鋼由于合金含量較大，因此升溫幅度較大，通電時(shí)間平均為28 min。上述三種類型鋼種在不同通電時(shí)間下的增氮量見圖2。由圖2可以看出，通電時(shí)間越長，鋼水中的氮含量越高。

2.3不同脫氧劑

爐渣中氮的溶解度隨ω（FeO）的降低而升高，并隨著堿度的增大而升高。在采用碳粉與硅鐵粉復(fù)合脫氧、電石脫氧還原爐渣時(shí)，則會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)生成Ca（CN）2。

電石渣由于CO的隔離作用，氮含量的波動(dòng)較小。而大量使用鋁粒脫氧的爐次，由于鋁熱反應(yīng)使?fàn)t渣溫度迅速升高，從而加速了氮?dú)獾碾娊猓瑺t渣中氮含量會(huì)更高。隨著爐渣中氮含量的增高，鋼水中的氮含量相應(yīng)地也會(huì)增多。含鈦鋼種生產(chǎn)時(shí)，若鋼水脫氧不良，在加入鈦鐵后也會(huì)因?yàn)殁伒膹?qiáng)脫氧作用降低鈦收得率，并大幅度增加鋼水氮含量。

式中，ω［N］e為與氮分壓平衡的鋼液中氮的質(zhì)量百分濃度；V為鋼液體積；F為鋼液表面積；Kc為傳質(zhì)系數(shù)；fN為鋼液中N的活度系數(shù)；aO為鋼液中氧的活度,a為鋼液中硫的活度,

從式（7）可以看出，鋼液中的氧、硫含量會(huì)影響吸氮反應(yīng)速度常數(shù)Kc值，氧、硫越低，Kc值越大。說明鋼液脫氧程度直接影響吸氮反應(yīng)，在精煉爐脫氧越完全，鋼液的吸氮越嚴(yán)重［2］。

2.4LF爐爐內(nèi)氣氛

LF精煉過程并不是一個(gè)真空環(huán)境，雖然底吹氬氣會(huì)造成微正壓狀態(tài)，但是如果除塵風(fēng)量大于底吹氬氣的流量時(shí)，爐外的空氣會(huì)被抽入鋼包與包蓋之間，從而導(dǎo)致空氣與裸露的鋼水接觸，發(fā)生增氮現(xiàn)象。LF精煉爐采用微正壓操作比正常負(fù)壓操作會(huì)降低增氮量約0.000 5%～0.000 8%［3］。

3　控氮措施

3.1轉(zhuǎn)爐冶煉以及出鋼控氮

在復(fù)吹過程中采用前中期供氮?dú)?后期供氬氣,在吹煉至脫碳高峰期約10～12 min時(shí)，進(jìn)行氬氣切換氮?dú)獠僮鳎?］；對出鋼口的形狀以及外部掛鋼進(jìn)行重點(diǎn)控制,以鋼流不發(fā)散為原則,出鋼時(shí)間控制在5～7 min；選擇合金物料時(shí)不選用氮含量偏高的物料，目前已停止采購復(fù)合碳鐵以及硅鈣粉。在合金化過程中，特別是鋁合金化時(shí)采用出鋼留氧爐后脫氧的方式，避免形成過多的AlN；提高一次拉碳率，分析補(bǔ)吹原因制定措施，減少因點(diǎn)吹帶入的增氮量；采用出鋼前對鋼包吹氬2～3 min，出鋼全程通過底吹氬攪拌實(shí)現(xiàn)氬氣覆蓋鋼液面；提高出鋼碳含量，在氬氣的作用下進(jìn)一步進(jìn)行碳氧反應(yīng)；冶煉低碳鋼時(shí)，在出鋼時(shí)向包內(nèi)加入少量增碳劑，使其在氧作用下同樣形成一氧化碳小氣泡，促進(jìn)脫氮以及鋼液面氣體覆蓋；為防止大吹氬攪拌鋼水增氮，煉鋼制定合理的出鋼溫度，避免高溫鋼水,減緩氮的擴(kuò)散和溶解。

3.2LF爐控氮

在保證精煉效果的前提下縮短通電時(shí)間，并且在通電前期采用低電壓、低電流進(jìn)行穩(wěn)弧，減少空氣電解，在流動(dòng)性爐渣形成后采用快速升溫方式，從而進(jìn)一步降低增氮量；針對不同的鋼種，在采用脫氧劑時(shí)選擇交互方式，造好泡沫渣，避免脫氧過度，在鋁脫氧鋼中后期加入少量電石渣，使其稀釋隔絕氮?dú)?，減緩吸氮［5］；在LF通電過程中，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)門開度的方式實(shí)現(xiàn)微正壓操作，使?fàn)t口以及電極孔周圍輕微向外冒煙，避免負(fù)壓操作將周圍空氣抽向爐內(nèi)，與鋼水接觸。此外選擇合適的底吹氬流量，使鋼水在攪拌的前提下避免鋼液面裸露。

4　實(shí)施效果

在不經(jīng)過真空處理的情況下通過以下幾點(diǎn)減少增氮量如下：

（1）轉(zhuǎn)爐脫碳期高峰結(jié)束后將復(fù)吹氣體切換為氬氣，能夠減少增氮量0.000 9%～0.001 6%；

（2）轉(zhuǎn)爐提高終點(diǎn)［C］、［P］、溫度整體命中率，避免點(diǎn)吹，能減少增氮量0.000 4%～0.001 0%；

（3）維護(hù)出鋼口清潔，避免散流出鋼，出鋼時(shí)間短，能夠降低鋼中氮含量約0.000 7%；

（4）出鋼前氬氣吹掃鋼包，選擇合適的吹氬流量，能夠減少增氮量0.000 1%～0.000 2%；

（5）轉(zhuǎn)爐工序人為制造碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳?xì)馀葸M(jìn)行鋼水隔離，能夠減少增氮量0.000 2%～0.000 4%；

（6）LF爐在保證冶金效果的前提下縮短通電時(shí)間，能夠減少增氮量0.000 2%/min；

（7）LF爐選擇合適的通電電壓、電流以及脫氧劑，保證埋弧效果，減少空氣電解，能夠減少增氮量0.000 3%～0.002 0%；

（8）對LF爐調(diào)整風(fēng)門開度，保持LF爐微正壓操作，能夠減少增氮量0.000 5%～0.000 8%。

各工序氮含量見圖3所示。

采取以上措施后，將轉(zhuǎn)爐出鋼后的增氮量穩(wěn)定控制在0.000 8%以下；LF爐低硅含鋁鋼增氮量控制在0.001 1%以下，含鈦鋼種增氮量控制在0.001 6%以下。由圖3可以看出，最終成品氮含量控制在0.005 0%以下。

5　結(jié)論

（1）復(fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉末期易導(dǎo)致吸氮，終點(diǎn)C含量越低，吸氮越多；出鋼口不規(guī)則、出鋼時(shí)間越長，鋼中吸氮越多；選擇低氮含量的合金進(jìn)行合金化；爐后吹氬氬氣大小以及鋼包氬氣吹掃等均影響鋼中N含量的控制。在LF爐精煉環(huán)境下，鋼水裸露時(shí)極易吸氮。

（2）采取減少后吹、及時(shí)維護(hù)出鋼口、鋼包氬氣吹掃、杜絕大氬氣吹氬以及縮短鋼水通電時(shí)間、選用合理的精煉脫氧劑造泡沫渣、LF爐內(nèi)采用微正壓避免負(fù)壓等措施后，各類鋼種鋼中N含量均控制在0.005 0%以下。

［1］馮捷.轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

［2］成國光，蕭忠敏，姜周華.新編鋼水精煉暨鐵水預(yù)處理1500問［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［3］耿繼雙,李萬象.LF精煉及后道工序鋼中氮、氧含量控制技術(shù)研究［J］.鞍鋼技術(shù),2004（3）:28～30.

［4］張紅文.煉鋼基礎(chǔ)知識［M］.北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

［5］高澤平.爐外精煉［M］.北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

（編輯 許營）

Influencing Factors for Content of Nitrogen in Molten Steel and Controlling Measures

Li Tianmao，Ni Qinsheng，Liu Hehua，Tian Fu
（Beiying Steelmaking Plant of Benxi Iron&Steel Group Company,Benxi 117000,Liaoning,China）

Influencing factors for the content of nitrogen in molten steel such as the option of combined blowing gas,maintenance for the tapping hole of converter,selection of alloy,cleaning by argon blowing during the whole steelmaking process by converter as well as the power-on time in furnace,deoxidation agent,pressure adjustment during refining by LF are analyzed.After taking such measures as reducing times of reblowing in converter and shortening the power-on time in LF,the content of nitrogen in molten steel is controlled below 0.005 0%.

converter;refining;molten steel;nitrogen content

TF703

A

1006-4613（2015）03-0043-04

李田茂，工程師，1997年畢業(yè)于遼寧科技學(xué)院煉鋼及鐵合金專業(yè)。

E-mail：LNBXLTM@163.com

2014-09-23