刁望才，張明，徐濤

( 內蒙古包鋼稀土鋼板材廠，內蒙古包頭014010)

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

關鍵詞: 轉爐; w［N］; 溶解度

氮對于大多數鋼種是一種有害元素，其氮化物的析出，會導致鋼材產生時效和藍脆現象，造成鋼材的屈服極限、強度極限和硬度提高，韌性、塑性、深沖、熱加工和焊接等性能下降，還易造成鑄坯產生開裂和引起晶間腐蝕^［1］。由于氮會使鋼的性能變差，所以對于大部分特殊鋼種來說，鋼中w ［N］有著嚴格的要求。在低氮鋼的冶煉過程中，轉爐冶煉是脫氮最重要也是最有效的環節，在包鋼240 t 轉爐生產低氮鋼的過程中，對于鋼中的w［N］的控制較差，造成鋼中的w［N］超標情況嚴重，為了解決這一難題，開展了轉爐煉鋼過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的氮原子［N］或以結合態的氮化物的形式存在。而在實際生產中，在煉鋼溫度下不會生成氮化物，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］——— 鋼液中氮的質量分數;

fN——— 氮中的活度系數;

KN——— 反應式( 1) 的平衡常數;

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，鋼液的化學成分和溫度通過對fN、KN的影響來影響氮在鋼液中的溶解度。在成分相對穩定時，則有^［2］:

對于轉爐工序來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吸熱反應，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 為轉爐吹煉過程中鋼水中w［C］、w ［O］、w［N］的變化情況^［4］。轉爐脫氮效果與吹煉過程的脫碳反應息息相關，脫碳反應一般分為吹煉初期﹑中期和末期3 步進行。在吹煉前期和中期，由于脫碳反應劇烈，CO 生成量大，降低了爐內氮氣分壓，增大了氣－ 液間的比表面積。此外，由于在鋼水－ 氧氣界面溫度達到了2 600 ℃左右，氧和硫等對鋼水中氮的影響消失，氮通過CO 氣泡被除去。在吹煉末期，脫碳反應速度降低，爐內CO 分壓急劇降低，爐口壓差較低，空氣侵入爐內概率大大增加^［5］。此時氧氣射流的強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 轉爐冶煉控制w ［N］工藝措施

2． 1 裝入制度優化

鐵水和廢鋼是轉爐煉鋼的主要原材料，兩者的配比直接影響著轉爐終點w［N］，雖然鐵水中w［N］高于廢鋼w［N］但由于轉爐內脫氮反應主要是基于碳氧反應產生的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。

因此在通過在生產中不斷的調整，冶煉低氮鋼裝入的鐵水比由最初的89% 調整為現在的93% 左右，增加吹煉過程脫氮的能力; 同時，保證冶煉DC04等低氮鋼鐵水的成分與溫度，鐵水［Si］過低或過高不予以冶對氮有嚴格要求的鋼種。

2． 2 底吹模式的優化

復吹技術一方面可以通過底吹氣體的方式在鋼液中形成一個個小氣泡，減少氮氣分壓，另一方面還可以增強熔池攪拌力，有助于鋼液中氣泡的上浮。在冶煉低氮鋼時，底吹的供氣模式由普通鋼種的氮氬切換模式調整為全程吹氬模式。在吹煉前期采用較大些的供氣強度，以加強熔池的攪拌，促進碳氧反應的進行; 在碳氧反應激烈的中期，生成的CO 氣泡足夠的多，可適當降低底吹供氣強度也可達到較好的脫氮效果; 在吹煉中后期，碳氧反應減弱，再適當增加底吹供氣強度，通過底吹氬氣及時補充熔池中的CO 氣泡，以減緩轉爐冶煉后期由于碳氧反應減

弱造成的增氮的現象。

2． 3 造渣制度優化

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，適當配比礦石或鐵皮球，使渣料迅速熔化成渣覆蓋在鋼液表面; 在后續的加料過程中不易太過集中，防止反應過于激烈破壞泡沫渣而造成吸氮，而在爐渣返干時，要及時加入礦石、鐵皮球來增加渣中氧化鐵，進而緩解返干現象，再次形成均一的渣相覆蓋鋼液，避免吸氮。在轉爐吹煉后期加入適當的鐵皮球，可使爐渣發泡，減小火點區裸露，避免增氮，從而有利于降低出鋼氮含量。

2． 4 終點制度優化

終點w［C］高低對鋼液終點w［N］影響顯著，當鋼水碳吹煉到偏低時碳氧反應減緩，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，碳氧反應可以進行的更徹底，推遲了鋼水吸氮的發生，而在底吹失效的情況下鋼水吸氮明顯。在冶煉低氮鋼種時，在保證溫度和鋼中w［O］的基礎上，不宜將轉爐終點w［C］控制太低，可以減弱增氮的發生。在點吹過程中熔池中的w［C］一般偏低，CO 分壓急劇下降，爐口壓差降低，所以點吹過程對于鋼水增氮影響較為嚴重，在實際中，由于成分或溫度不合而點吹時，底吹模式選擇較大的供氣強度，以抑制CO 氣泡不足的增氮現象; 點吹時間不得大于1 min且次數不可大于1 次，以最大限度減少點吹過程中的增氮的發生。

2． 5 出鋼脫氧合金化優化

2． 5． 1 出鋼過程

轉爐出鋼過程中是鋼水與空氣直接接觸的過程，出鋼時間的長短與鋼水中w ［N］有著直接的關系，隨著出鋼時間的增加，鋼水中w［N］也在不斷的增加，如果出鋼口狀態不好出現散流現象，會增加鋼液與空氣的接觸面積，導致鋼液增氮加劇，因此在冶煉低氮鋼時，盡量選擇出鋼口狀態較好的轉爐進行冶煉，保證出鋼過不散流，減少出鋼過程中的增氮情況。

冶煉低氮鋼種時，為減少鋼液與空氣的接觸，在出鋼前提前進行鋼包底吹氬，驅除鋼包內的空氣，避免與鋼水接觸造成增氮，同時在出鋼過程中，只在前期進行鋼包底吹氬氣，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 脫氧合金化過程

脫氧制度對鋼液增氮影響顯著，氧是鋼水表面活性物質，它在鋼水表面富集，占據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，占據的表面位置也就越多，吸氮作用就越微弱實踐證明。

在冶煉超低碳鋼時，在保證供精煉w［O］的基礎上，出鋼采用弱脫氧或不脫氧方式。若轉爐出鋼須進行脫氧時，采用焦炭弱脫氧，一方面脫氧產物不會污染鋼液，另一方面脫氧所產生的CO/CO₂氣泡還會攪拌鋼液，帶走部分鋼種的［N］達到進一步脫氮的目的。

3 工藝優化后效果

通過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為工藝優化前后轉爐出鋼后鋼水中氮含量的對比，出鋼后的平均氮含量由29． 4 × 10 ^－6 降至工藝優化后的20． 2 × 10^－6，為冶煉低氮鋼奠定了良好的基礎。

4 結論

( 1) 通過研究轉爐裝入制度、底吹模式、造渣制度、終點制度、出鋼脫氧合金化等，優化生產工藝從而降低鋼中w［N］。

( 2) 采用優化工藝后，轉爐出鋼后平均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。

參考文獻

［1］ 李勇． 煉鋼過程中鋼水氮含量控制［J］． 鋼鐵，2010，45( 10) : 52 － 56．

［2］ 朱苗勇． 現代冶金學［M］． 北京: 冶金工業出版社，1987．

［3］ 黃希祜． 鋼鐵冶金原理［M］． 北京: 冶金工業出版社，2002．

［4］ The Iron and Steel Institute of Japan． TekkobinranⅡ(Ironmaking＆ Steelmaking) ［M］． Tokyo，Maruzen，1979: 472．

［5］ 李萬象． 鋼中氮含量的控制［A］． 第十屆全國鋼質量與非金屬夾雜物控制學術會議論文集［C］． 貴陽: 中國金屬學會，2001，196．