釩氮微合金化技術中氮收得率影響因素分析

李 萍，周 昊，劉俊寶，李廣艷，李少帥，劉寧寧

（1萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104；2山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

釩氮合金在鋼鐵行業(yè)中廣泛應用，其加入到鋼中能起到細晶強化以及沉淀強化的作用，可以改善鋼的強度、韌性、成型性等綜合性能［1］。大量研究結果表明，當鋼中的氮含量較低時，加入鋼中的釩元素絕大部分以固溶形式存在于鋼中，不能充分發(fā)揮釩的析出強化作用；當鋼中的氮含量適量時，形成合適的釩氮比，可促進含釩鋼中碳氮化釩的析出，產生強烈的析出強化效果，同時也可以細化鋼的鐵素體晶粒，改善含釩鋼的綜合力學性能，因此，釩氮微合金化鋼中氮含量的多少直接影響釩氮合金的強化效果［2-4］。

2 氮收得率影響因素

2.1 鋼液氧化性

鋼液氧化性直接影響釩氮合金收得率，鋼中氧含量主要受碳含量控制，碳含量越高，氧含量越低［5］。釩氮合金加入進鋼液，若鋼液中氧含量過高，合金元素與鋼液和爐渣中的氧反應生成相應的氧化物進入渣中，［N］元素由于局部溶解度飽和形成N2逸出，造成氮元素燒損。

圖1所示為鋼液氧含量（氧勢）對合金中氮元素收得率的影響，從圖中可以看出，當氧含量從0.015%降低至0.006%時，氮的收得率從48%增加至57%。當氧含量＜0.006%時，氮的收得率急劇增加。鋼液氧含量越高，氮的收得率越低，因為氧是表面活性元素，能覆蓋在鋼液表面，有效降低氮的傳質系數(shù)，阻礙鋼液對氮的吸收，同時也會影響釩氮合金中氮元素的溶解，導致氮收得率下降［6］。

圖1 氧含量對氮收得率影響

圖2所示為合金加入時長對收得率的影響，在高氧勢（［O］＞0.01%）條件下，合金加入時間越長，釩的收得率越低，主要是鋼液、合金與氧接觸生成氧化物進入渣中。

圖2 合金加入時長對收得率影響

結合釩氮合金加入的生產工藝，可通過調整釩氮合金加入時機提高氮的收得率。脫氧合金化過程中，可先將氧含量脫至較低水平，再加入釩氮合金，減少釩的氧化損失和氮的氣化損失，穩(wěn)定提高氮收得率。

2.2 脫氧合金化順序

由于氧含量對氮的收得率影響較大，釩氮合金不同階段添加對氮收得率影響如表1所示。添加脫氧劑之后再添加釩氮合金，與釩氮合金與脫氧劑同時添加的方式相比，氮的收得率較高。若在出鋼前將釩氮合金加入包底，氮的收得率最低。說明不同的脫氧合金化順序對氮收得率影響較大。釩氮合金在脫氧劑之后添加，可有效降低釩氮合金與鋼液中［O］反應而造成的合金損失，有效提高合金元素收得率。釩氮合金加入鋼包底部由于鋼液未進行脫氧處理，從而導致合金元素的反應及氣化，釩的氧化產物進入渣中，［N］結合為N2從鋼液中逸出，降低氮的收得率。

表1 釩氮合金添加順序對氮含量影響

2.3 加入時間與下渣量

釩氮合金較早加入，由于鋼中氧含量較高，會導致合金高溫熔化時N元素結合生成N2逃逸到空氣中，同時其中的合金元素與氧反應會產生相應的氧化物進入渣中，導致釩氮合金收得率低，尤其是氮的收得率。

出鋼過程中，加入的合金部分與［O］反應，部分進入渣中，而出鋼下渣量越大，進入渣中的合金量越大，造成整體合金收得率偏低。釩氮合金比重與爐渣接近，容易懸浮在爐渣中，燒損嚴重，進一步影響氮元素收得率。因此，加入過程應綜合考慮鋼中氧含量及爐渣覆蓋對釩氮合金收得率的影響。

2.4 合金添加方式的影響

合金類型和應用方式決定了合金的不同添加方式，從而影響合金收得率，具體如表2所示。合金的密度、粒度等決定合金添加方式：當合金粒度過大時，容易沉入鋼中且不易熔化，造成成分不均勻；粒度過小時，容易進入渣中，影響收得率。釩氮合金添加方式一定程度影響了氮的收得率且容易存在氮含量波動，因為釩氮合金在高溫條件下迅速熔化，蒸汽壓低而形成N2進入周圍氣氛中，導致進入鋼中的氮元素減少，降低氮的收得率。

合金添加在鋼液與鋼渣界面上，部分合金進入渣中，部分合金進入鋼液，減少鋼液對氮元素的有效吸收。而當合金添加在鋼液亮面時，可有效促進氮元素進入鋼液，提高氮的收得率。結合表2中3種加入方式對釩氮合金收得率的影響分析，建議可通過投料方式進行氮的預合金化，并在LF精煉后期通過喂入氮線（如氮化錳線等）的方式進行成分精確調整。

表2 合金加入方式及特點

2.5 釩氮合金種類

不同合金料或同一合金料中有效合金元素含量不同，造成合金元素收得率不穩(wěn)定。典型釩氮合金成分如表3所示。研究表明，VN16合金中氮含量高于VN12，更有利于鋼中增氮，主要是VN16合金比VN12合金氮含量高，在鋼液氮含量不飽和情況下，可有效提高氮的傳質，促進氮溶解平衡反應向右進行，提高氮的收得率，同時兩種合金中釩的含量相差不大，且釩的收得率在90%以上，對釩收得率影響可忽略不計。

表3 典型釩氮合金成分（質量分數(shù)）%

同樣生產工藝下，原料中碳（石墨、焦炭）含量不同，對釩氮合金產品中氮含量影響不同，如表4和表5所示。主要由于V能與C反應生成VC，而VC又容易與N生成V（C，N）化合物，在一定程度上提高了釩氮合金產品氮含量；因此，釩氮合金氮含量不同也是氮收得率不穩(wěn)定因素之一，應嚴格把控釩氮合金產品質量，選擇氮含量較高的釩氮合金產品。

表4 原料質量配比%

表5 釩氮合金成分（質量分數(shù)）%

當采用氮化釩鐵合金化時，釩收得率較氮化釩高，主要由于氮化釩鐵釩含量相對較低，燒損量少，比重大，更容易沉入鋼液中，同時氮化釩鐵中含有Si、Al脫氧元素，可降低合金周圍局部鋼液氧含量，提高收得率。

2.6 鋼液釩含量

鋼液釩含量對氮收得率也有一定影響，圖3為鋼液釩含量與氮收得率關系。釩含量越高，氮收得率也越高。V與O的親和力弱于Al、Ti、C、Si，在正常條件下，很容易進入鋼液中，不同溫度、鋼液條件、渣量及正常氧勢（［O］＜0.005%）下，主要是V與N反應生成VN進入鋼中，提高合金中氮收得率。

圖3 鋼液釩含量對氮收得率影響

2.7 鋼液終點溫度

鋼液終點溫度和氧勢越高，合金收得率越低。圖4為高、低氧勢下鋼液溫度對釩氮合金氮收得率的影響。當鋼中氧含量較低時，鋼液溫度變化對氮收得率影響不大；但鋼中氧含量較高時（［O］＞0.01%），鋼液溫度對氮收得率影響較大，溫度越高，氮收得率越低。

圖4 鋼液溫度對氮收得率的影響

3 結語

通過對冶煉過程中釩氮合金氮收得率進行分析，明確了影響氮收得率的因素，可通過控制合理的鋼液氧化性、脫氧合金化順序、合金加入時間與下渣量、合金添加方式、合金種類、鋼液釩含量以及鋼液終點溫度等來穩(wěn)定氮收得率，提高釩氮微合金化效果，起到改善鋼材綜合性能并節(jié)約成本的作用。