刁望才，張明，徐濤

( 內(nèi)蒙古包鋼稀土鋼板材廠，內(nèi)蒙古包頭014010)

摘要: 氮對(duì)于大多數(shù)鋼種是一種有害元素，其氮化物的析出，嚴(yán)重影響鋼的各種性能。文章基于轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中氮在鋼中溶解度變化的分析，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐裝入制度、底吹模式、造渣制度、終點(diǎn)控制制度以及出鋼脫氧合金化制度，可有效控制鋼水在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中w［N］。轉(zhuǎn)爐出鋼后的平均w［N］由29． 4 × 10^－6降至工藝優(yōu)化后的20． 2 ×10^－6 ，為冶煉低氮鋼奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐; w［N］; 溶解度

氮對(duì)于大多數(shù)鋼種是一種有害元素，其氮化物的析出，會(huì)導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生時(shí)效和藍(lán)脆現(xiàn)象，造成鋼材的屈服極限、強(qiáng)度極限和硬度提高，韌性、塑性、深沖、熱加工和焊接等性能下降，還易造成鑄坯產(chǎn)生開(kāi)裂和引起晶間腐蝕^［1］。由于氮會(huì)使鋼的性能變差，所以對(duì)于大部分特殊鋼種來(lái)說(shuō)，鋼中w ［N］有著嚴(yán)格的要求。在低氮鋼的冶煉過(guò)程中，轉(zhuǎn)爐冶煉是脫氮最重要也是最有效的環(huán)節(jié)，在包鋼240 t 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低氮鋼的過(guò)程中，對(duì)于鋼中的w［N］的控制較差，造成鋼中的w［N］超標(biāo)情況嚴(yán)重，為了解決這一難題，開(kāi)展了轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中氮含量控制的研究工作。

1 鋼液中w ［N］變化分析

氮在鋼中可能以自由狀態(tài)的氮原子［N］或以結(jié)合態(tài)的氮化物的形式存在。而在實(shí)際生產(chǎn)中，在煉鋼溫度下不會(huì)生成氮化物，氮在鋼液中是以自由氮原子的形式存在的。

鋼中自由氮的溶解度遵循西華特定律:

1 /2N2 =［N］ ( 1)

式中: w［N］——— 鋼液中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

fN——— 氮中的活度系數(shù);

KN——— 反應(yīng)式( 1) 的平衡常數(shù);

PN₂——— 與鋼液中的氮平衡的氣相氮分壓。

由式( 2) 可知，鋼中氮的溶解度隨著PN₂的增加而增加，鋼液的化學(xué)成分和溫度通過(guò)對(duì)fN、KN的影響來(lái)影響氮在鋼液中的溶解度。在成分相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，則有^［2］:

對(duì)于轉(zhuǎn)爐工序來(lái)講就是盡量減少鋼液與大氣的接觸，由式( 1) 和式( 3) 可知，氮在鋼液中的溶解是一個(gè)吸熱反應(yīng)，隨著溫度的升高，氮分壓增大，氮在鋼液中的溶解度也就越高^［3］。

圖1 為轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中鋼水中w［C］、w ［O］、w［N］的變化情況^［4］。轉(zhuǎn)爐脫氮效果與吹煉過(guò)程的脫碳反應(yīng)息息相關(guān)，脫碳反應(yīng)一般分為吹煉初期﹑中期和末期3 步進(jìn)行。在吹煉前期和中期，由于脫碳反應(yīng)劇烈，CO 生成量大，降低了爐內(nèi)氮?dú)夥謮?，增大了氣?液間的比表面積。此外，由于在鋼水－ 氧氣界面溫度達(dá)到了2 600 ℃左右，氧和硫等對(duì)鋼水中氮的影響消失，氮通過(guò)CO 氣泡被除去。在吹煉末期，脫碳反應(yīng)速度降低，爐內(nèi)CO 分壓急劇降低，爐口壓差較低，空氣侵入爐內(nèi)概率大大增加^［5］。此時(shí)氧氣射流的強(qiáng)烈沖擊與攪拌作用將使得空氣中的氮被鋼水吸收，造成鋼水增氮。

2 轉(zhuǎn)爐冶煉控制w ［N］工藝措施

2． 1 裝入制度優(yōu)化

鐵水和廢鋼是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要原材料，兩者的配比直接影響著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w［N］，雖然鐵水中w［N］高于廢鋼w［N］但由于轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫氮反應(yīng)主要是基于碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO 和底吹氬氣形成大量氣泡完成的，而鐵水的碳含量顯著高于廢鋼，故提高鐵水比可有效增加熔池中的碳含量，利于CO 氣泡的大量生成，從而有助于熔池中［N］的排除。

因此在通過(guò)在生產(chǎn)中不斷的調(diào)整，冶煉低氮鋼裝入的鐵水比由最初的89% 調(diào)整為現(xiàn)在的93% 左右，增加吹煉過(guò)程脫氮的能力; 同時(shí)，保證冶煉DC04等低氮鋼鐵水的成分與溫度，鐵水［Si］過(guò)低或過(guò)高不予以冶對(duì)氮有嚴(yán)格要求的鋼種。

2． 2 底吹模式的優(yōu)化

復(fù)吹技術(shù)一方面可以通過(guò)底吹氣體的方式在鋼液中形成一個(gè)個(gè)小氣泡，減少氮?dú)夥謮?，另一方面還可以增強(qiáng)熔池?cái)嚢枇?，有助于鋼液中氣泡的上浮。在冶煉低氮鋼時(shí)，底吹的供氣模式由普通鋼種的氮?dú)迩袚Q模式調(diào)整為全程吹氬模式。在吹煉前期采用較大些的供氣強(qiáng)度，以加強(qiáng)熔池的攪拌，促進(jìn)碳氧反應(yīng)的進(jìn)行; 在碳氧反應(yīng)激烈的中期，生成的CO 氣泡足夠的多，可適當(dāng)降低底吹供氣強(qiáng)度也可達(dá)到較好的脫氮效果; 在吹煉中后期，碳氧反應(yīng)減弱，再適當(dāng)增加底吹供氣強(qiáng)度，通過(guò)底吹氬氣及時(shí)補(bǔ)充熔池中的CO 氣泡，以減緩轉(zhuǎn)爐冶煉后期由于碳氧反應(yīng)減

弱造成的增氮的現(xiàn)象。

2． 3 造渣制度優(yōu)化

合理的加入輔原料可以保證鋼液表面良好的泡沫渣覆蓋。在冶煉低氮鋼加入頭批料時(shí)，適當(dāng)配比礦石或鐵皮球，使渣料迅速熔化成渣覆蓋在鋼液表面; 在后續(xù)的加料過(guò)程中不易太過(guò)集中，防止反應(yīng)過(guò)于激烈破壞泡沫渣而造成吸氮，而在爐渣返干時(shí)，要及時(shí)加入礦石、鐵皮球來(lái)增加渣中氧化鐵，進(jìn)而緩解返干現(xiàn)象，再次形成均一的渣相覆蓋鋼液，避免吸氮。在轉(zhuǎn)爐吹煉后期加入適當(dāng)?shù)蔫F皮球，可使?fàn)t渣發(fā)泡，減小火點(diǎn)區(qū)裸露，避免增氮，從而有利于降低出鋼氮含量。

2． 4 終點(diǎn)制度優(yōu)化

終點(diǎn)w［C］高低對(duì)鋼液終點(diǎn)w［N］影響顯著，當(dāng)鋼水碳吹煉到偏低時(shí)碳氧反應(yīng)減緩，CO 分壓急劇下降，爐口壓差降低，空氣容易卷入而造成鋼水吸氮。在底吹有效的情況下，由于底吹氬氣攪拌，碳氧反應(yīng)可以進(jìn)行的更徹底，推遲了鋼水吸氮的發(fā)生，而在底吹失效的情況下鋼水吸氮明顯。在冶煉低氮鋼種時(shí)，在保證溫度和鋼中w［O］的基礎(chǔ)上，不宜將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w［C］控制太低，可以減弱增氮的發(fā)生。在點(diǎn)吹過(guò)程中熔池中的w［C］一般偏低，CO 分壓急劇下降，爐口壓差降低，所以點(diǎn)吹過(guò)程對(duì)于鋼水增氮影響較為嚴(yán)重，在實(shí)際中，由于成分或溫度不合而點(diǎn)吹時(shí)，底吹模式選擇較大的供氣強(qiáng)度，以抑制CO 氣泡不足的增氮現(xiàn)象; 點(diǎn)吹時(shí)間不得大于1 min且次數(shù)不可大于1 次，以最大限度減少點(diǎn)吹過(guò)程中的增氮的發(fā)生。

2． 5 出鋼脫氧合金化優(yōu)化

2． 5． 1 出鋼過(guò)程

轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中是鋼水與空氣直接接觸的過(guò)程，出鋼時(shí)間的長(zhǎng)短與鋼水中w ［N］有著直接的關(guān)系，隨著出鋼時(shí)間的增加，鋼水中w［N］也在不斷的增加，如果出鋼口狀態(tài)不好出現(xiàn)散流現(xiàn)象，會(huì)增加鋼液與空氣的接觸面積，導(dǎo)致鋼液增氮加劇，因此在冶煉低氮鋼時(shí)，盡量選擇出鋼口狀態(tài)較好的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉，保證出鋼過(guò)不散流，減少出鋼過(guò)程中的增氮情況。

冶煉低氮鋼種時(shí)，為減少鋼液與空氣的接觸，在出鋼前提前進(jìn)行鋼包底吹氬，驅(qū)除鋼包內(nèi)的空氣，避免與鋼水接觸造成增氮，同時(shí)在出鋼過(guò)程中，只在前期進(jìn)行鋼包底吹氬氣，以防后期吹氬使得鋼水大面積和空氣接觸造成增氮。

2． 5． 2 脫氧合金化過(guò)程

脫氧制度對(duì)鋼液增氮影響顯著，氧是鋼水表面活性物質(zhì)，它在鋼水表面富集，占據(jù)了一部分可吸附氮的表面位置，從而阻礙了氮在這些位置的吸附，氧在鋼液中的濃度越高，占據(jù)的表面位置也就越多，吸氮作用就越微弱實(shí)踐證明。

在冶煉超低碳鋼時(shí)，在保證供精煉w［O］的基礎(chǔ)上，出鋼采用弱脫氧或不脫氧方式。若轉(zhuǎn)爐出鋼須進(jìn)行脫氧時(shí)，采用焦炭弱脫氧，一方面脫氧產(chǎn)物不會(huì)污染鋼液，另一方面脫氧所產(chǎn)生的CO/CO₂氣泡還會(huì)攪拌鋼液，帶走部分鋼種的［N］達(dá)到進(jìn)一步脫氮的目的。

3 工藝優(yōu)化后效果

通過(guò)各種工藝制度的改善，爐后鋼水的w ［N］得到有效控制，成品鋼中w［N］得到了保證。圖2為工藝優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼水中氮含量的對(duì)比，出鋼后的平均氮含量由29． 4 × 10 ^－6 降至工藝優(yōu)化后的20． 2 × 10^－6，為冶煉低氮鋼奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

( 1) 通過(guò)研究轉(zhuǎn)爐裝入制度、底吹模式、造渣制度、終點(diǎn)制度、出鋼脫氧合金化等，優(yōu)化生產(chǎn)工藝從而降低鋼中w［N］。

( 2) 采用優(yōu)化工藝后，轉(zhuǎn)爐出鋼后平均w ［N］由29． 4 × 10^－6降至20． 2 × 10^－6，為冶煉低氮鋼奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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