轉(zhuǎn)爐冶煉低氮鋼控氮研究及實踐

供稿|張艷龍，石鳳麗，彭飛，于文武

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對本鋼煉鋼廠低氮鋼控制不穩(wěn)定的生產(chǎn)實際，調(diào)查研究了轉(zhuǎn)爐增氮環(huán)節(jié)并制定相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，其中增氮環(huán)節(jié)主要集中在過程化渣差，底吹控制不良，終點控制過氧化，轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹及等樣，出鋼控制不良及脫氧方式等方面。通過控制化渣情況，降低中后期底吹流量，采用低溫爐次加硅鐵及焦炭來防止終點過氧化，減少轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹和等樣時間，控制出鋼口形狀、出鋼前底吹氬吹掃空氣及添加活性灰，采用碳+鋁兩步脫氧法等措施，能夠有效控制鋼包氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20×10?6。

煉鋼過程氮是有害元素之一，它會使鋼的塑性和沖擊韌性降低，引起鋼的冷脆；同時氮還會與鋼中的鈦、鋁等元素形成氮化物夾雜，惡化鋼的表面質(zhì)量，降低成材率[1?3]。

存在問題

對轉(zhuǎn)爐冶煉企標(biāo)N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤35×10?6鋼種時的鋼包氮跟蹤調(diào)查和109 爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，鋼包氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為19×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為13×10?6，氮的控制不穩(wěn)定且偏差較大，具體如圖1 所示（圖中的正態(tài)分布曲線包含了負(fù)值，其并不意味鋼包N 含量為負(fù)值，而是由于鋼包N 含量極低，為了將正態(tài)曲線畫完整所致；密度為橫坐標(biāo)范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)）。對此問題，本鋼煉鋼廠成立攻關(guān)小組進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉控氮原因分析并制定工藝優(yōu)化措施，以解決轉(zhuǎn)爐控氮不穩(wěn)定問題。

圖1 優(yōu)化前鋼包N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

低氮鋼控制技術(shù)

氮的來源

根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉過程可知，鋼中氮主要來源于鐵水、廢鋼、輔原料、頂?shù)讖?fù)吹的氣體介質(zhì)、合金、與鋼水發(fā)生接觸的空氣等。

增氮的熱力學(xué)分析

氮在鋼液中的溶解反應(yīng)可表示為：

式中，[%N]為氮在鋼中溶解度，pN2為氮分壓，p?為標(biāo)準(zhǔn)蒸氣壓，KN為氮的平衡常數(shù)，?N為[N]的活度系數(shù)。

模型采用Fujio 等人測定的KN值：lgKN= ?518/T?1.063[4]。

根據(jù)熱力學(xué)分析鋼水中N 的溶解度隨溫度（T）的升高、氮分壓的增加而增大。戰(zhàn)東平等[5]研究表明：鋼中Al、Cr、Mn、Mo 可提高氮在鋼中的溶解度，C、Si、Ni 降低氮在鋼中的溶解度。趙長亮等[6]研究表明：轉(zhuǎn)爐煉鋼鋼水氮含量的控制是包括氧氣純度、氬氣純度、過程化渣、鐵水硫含量、轉(zhuǎn)爐終點控制、后吹、渣量等多因素控制的。張鐘錚等[7]研究表明：廢鋼種類、鐵水比、底吹氣體、轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹、出鋼口狀態(tài)、脫氧方式影響轉(zhuǎn)爐終點氮的控制。

轉(zhuǎn)爐脫氮機(jī)理

復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的脫氮機(jī)理如下：一，在碳氧反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生了2600 °C 左右的溫度，高溫使表面活性元素氧、硫?qū)Φ挠绊懴?，而氧化生成的CO 氣泡以及底吹入的Ar 氣泡相當(dāng)于許多小的真空脫氣室降低了界面的氮分壓，轉(zhuǎn)爐中形成的良好泡沫渣能夠為氮的脫除提供充足的反應(yīng)界面積，為轉(zhuǎn)爐強(qiáng)脫氮創(chuàng)造了有利的條件。二，在吹煉中后期前轉(zhuǎn)爐生成的氣體使轉(zhuǎn)爐內(nèi)部保證了一定的正壓力，降低了外界空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的幾率，且氣體與鋼渣接觸面保持較高的氧勢，阻礙了氣液界面的吸氮作用，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)爐冶煉中后期之前的過程是強(qiáng)脫氮過程。

綜上論述，由于轉(zhuǎn)爐在吹煉中后期之前具有強(qiáng)脫氮作用，作者認(rèn)為在吹煉中后期之前的增氮因素都不能夠成為控制鋼包氮的主要因素，因此本文針對以下幾方面對轉(zhuǎn)爐吹煉中后期的增氮因素進(jìn)行研究。

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中生成的性能良好的泡沫渣不僅具有較強(qiáng)的脫磷能力，而且對于氮的去除有一定的作用，主要是因為泡沫渣能夠?qū)撍好娓采w住，有效的避免了轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)入的空氣與之相接觸，進(jìn)而防止鋼液表面的增氮。針對過程化渣情況，本文跟蹤統(tǒng)計了轉(zhuǎn)爐冶煉過程化渣良好的爐次與其他爐次共22 爐進(jìn)行鋼包氮比對，具體如圖2，可以得出化渣良好爐次相對其他爐次鋼包N 控制效果好。

圖2 鋼包N 與過程化渣情況變化趨勢

本鋼采用底吹模式為吹煉5 min 進(jìn)行氮氬切換，4 min 前底吹流量420 m3/h，4~16min 底吹流量為300 m3/h，為了防止過吹導(dǎo)致的碳氧反應(yīng)不平衡增加后攪功能，>16 min 底吹流量為600 m3/h。本文研究63 爐吹煉時間以16 min 為界限的后攪模式對鋼包N 的影響，具體見圖3，由圖可以看出無后攪功能（即<16 min）的爐次鋼包氮均值為14×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為11×10?6，均好于有后攪功能爐次（即>16 min）鋼包氮均值為20×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為15×10?6。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是在吹煉后期，碳氧反應(yīng)變?nèi)蹀D(zhuǎn)爐內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的幾率增大，增大后攪功能有利于氣液界面接觸，導(dǎo)致鋼液脫氮速率小于增氮速率。

圖3 鋼包N 隨吹煉時間變化趨勢

由于轉(zhuǎn)爐內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)爐終點控制不穩(wěn)定，終點氧在200~1000×10?6范圍內(nèi)波動，為了驗證終點氧對脫氮的影響，本文跟蹤分析了63 爐終點氧≥600×10?6與<600×10?6兩個范圍的鋼包氮控制情況，具體見圖4，由此可以看出終點<600×10?6的爐次鋼包氮均值為17×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為13×10?6，均好于終點氧≥600×10?6鋼包氮均值為21×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為15×10?6。主要是由于在吹煉后期，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%時，生成的CO 速率降低，爐內(nèi)負(fù)壓，即使有較高的氧勢，但在碳氧反應(yīng)區(qū)的高溫區(qū)域，氧對增氮阻礙作用消失，導(dǎo)致后期增氮。為此針對低氮鋼鐵水溫度低爐次，采用加硅鐵或焦炭等升溫劑來提高鋼水溫度，防止鋼水終點氧過高。

圖4 鋼包N 隨終點氧變化趨勢

針對補(bǔ)吹和等樣爐次，本文調(diào)查了N 超企標(biāo)爐次28 爐中，其中補(bǔ)吹爐次占比10.7%，等樣爐次占比14.3%，這是因為補(bǔ)吹爐次二次下槍時氣流將渣面吹開鋼液完全暴露在空氣中，增大了吸氮速率。而等樣爐次由于時間較長，且底吹流量較大，造成增氮。

由氮的來源可知，大部分的氮氣主要是由于氣液接觸，因此降低氣液接觸時間及面積能夠有效降低增氮，出鋼過程是鋼液和空氣直接接觸時間較長且接觸面積最大的過程，因此控制好出鋼口狀態(tài)，保證其平整、規(guī)圓，是有效減少氣液接觸面積的最佳手段，同時出鋼時間的控制能夠有效縮短氣液接觸時間進(jìn)而降低增氮幾率。同時在出鋼過程中，出鋼前做好底吹氬對鋼包空氣的吹掃及添加活性石灰，也能降低氣液接觸幾率減少增氮。

針對是否采用脫氧，本文調(diào)查分析了34 爐氮超企標(biāo)爐次中鋁脫氧與未脫氧爐次的鋼包氮數(shù)據(jù)具體見圖5，可見未脫氧爐次鋼包氮均值為19×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為9×10?6，均好于采用鋁脫氧爐次鋼包氮均值為44×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為11×10?6。主要是由于一方面鋁將表面活性元素O 脫除至較低水平，O 占據(jù)的表面位置分?jǐn)?shù)減少，為N 提供了空位，將氧對增氮的阻礙作用大大降低，同時鋁能夠與氮生成AlN，起到固氮作用。為了降低鋁脫氧對增氮的影響，本文采取在鋼包中前期加碳后期加鋁粒形式進(jìn)行脫氧與正常鋁脫氧進(jìn)行比對具體見圖6。由圖可見碳+鋁脫氧爐次鋼包氮均值為19×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為13×10?6，均好于采用鋁脫氧爐次鋼包氮均值為23×10?6，標(biāo)準(zhǔn)差為19×10?6。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是一方面碳脫氧產(chǎn)生二氧化碳起到排除空氣的作用，能夠降低增氮的幾率。另一方面，前期碳脫氧屬于弱脫氧，在前期一定的時間里利用了氧對增氮的阻礙作用，同時也減弱了鋁的固氮作用。

圖5 鋼包N 與是否脫氧的關(guān)系

圖6 鋼包N 與脫氧方式的關(guān)系

改進(jìn)后鋼包氮含量控制

通過采取以上措施進(jìn)行改進(jìn)，2020 年鋼包氮控制水平與改進(jìn)前控制水平對比，如圖7 所示，可見，采取措施后轉(zhuǎn)爐鋼包氮能夠有效控制在≤20×10?6。

圖7 鋼包氮改進(jìn)前后對比

結(jié)束語

1）轉(zhuǎn)爐增氮主要由于過程化渣差，底吹控制不良，終點控制過氧化，轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹及等樣，出鋼控制不良及脫氧方式不佳等方面。

2）減少氮與鋼液的接觸面積和接觸時間是控氮的關(guān)鍵。

3）通過控制化渣情況，降低中后期底吹流量，采用低溫爐次加硅鐵及焦炭來防止終點過氧化，減少轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹和等樣時間，控制出鋼口形狀、出鋼前底吹氬吹掃空氣及添加活性灰，采用碳+鋁兩步脫氧法等措施，能夠有效控制鋼包氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20×10?6。