田寶生 田藝玄
本文通過分析氮對冷軋料綜合負面影響及鋼液增氮的機理，明確限制性環(huán)節(jié)和關(guān)鍵性控制要素，提出采取吹煉終點高拉碳工藝，提高終點碳溫一次命中率，降低終點鋼中[O]，充分利用吹煉末期氮氬切換技術(shù)，降低鋼中氮含量，保障鋼中[N]≤35×10-6。
鋼中氮含量高時，隨著時間的延長氮會在α-Fe 中逐漸以微細彌散的 Fe4N 質(zhì)點析出，導(dǎo)致鋼的時效性、屈服點延伸和蘭脆，降低鋼的韌性和塑性，降低鋼的冷加工性能，惡化鋼的沖擊韌性、深沖性能等。與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工，過高時甚至?xí)?dǎo)致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡。因此，必須采取有效措施降低鋼中氮含量。
優(yōu)質(zhì)鋼一般要求[N]≤60×10-6，SPHC 鋼要求[N]≤35×10-6，IF 鋼冷軋板要求[N]≤25×10-6，對于含硼鋼，控制[N]＜20×10-6 可獲得較好的強度和低溫韌性。德龍鋼鐵有限公司品種結(jié)構(gòu)以冷軋料（熱軋卷板）為主（占比 85%以上，DC03、加硼 SPHC、Q195L 等），執(zhí)行轉(zhuǎn)爐鋼渣洗直上工藝，鋼水氮含量波動幅度大（16×10-6-55×10-6），工序能力不足（Cpk＜1.0），難以穩(wěn)定控制。
經(jīng)高頻率、大樣本容量抽檢，連鑄工序（保護澆注）平均增氮量＜4×10-6，不是增氮的主要原因，本文重點討論復(fù)吹轉(zhuǎn)爐鋼的增氮量控制。
1 鋼液增氮機理
1.1 鋼液吸氮的熱力學(xué)行為
氮在鋼中溶解時，伴隨著雙原子分子的解離過程，是吸熱反應(yīng)，如式（1）。
（1/2）N2=[N] （1）
根據(jù)質(zhì)量作用定律，得到其平衡常數(shù)，如式（2）。
由上式可知，鋼液中氮的溶解度與氮氣的分壓力、鋼液溫度和鋼中的成分及 enj 相關(guān)。
另外，C、Mn、Si、P、S、Ni、Al、Cu 元素的存在，可降低氮在鋼中的溶解度，[C]、[Al]元素影響最大，所以低碳鋼氮溶解度在純鐵中的溶解度為 0.044%（1600℃時），在鐵水中由于受到含碳量的影響，氮的溶解度約為 0.01%（ PN2=0.1Kpa、1600℃時）。
1.2 氮的動力學(xué)行為
轉(zhuǎn)爐脫碳的同時能有效地脫氮，一般認為，脫碳能夠脫氮的原因是由于脫碳時生成大量的 CO氣泡，相當于一個小真空室，其中氮的分壓極低，鋼液中的[N]很容易進入氣泡中，從而被攜帶走。
根據(jù)動力學(xué)機制：①鋼液中的氮通過鋼液邊界層擴散到 CO 氣泡表面；②在氣泡/鋼液界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③反應(yīng)生成的氮分子擴散到氣泡內(nèi)部，并隨之上浮排出。
冶煉后期，碳-氧反應(yīng)減弱，脫碳速度降低，脫氮量減少，非碳氧區(qū)鋼液與氮接觸，會導(dǎo)致鋼液增氮。因此，在吹煉中期末，轉(zhuǎn)爐復(fù)吹的氮氬開始切換時間與供氣強度的優(yōu)化設(shè)置尤為關(guān)鍵。
2 影響因素與控制措施
2.1 氧氣純度
要求氧氣純度≥99.5%，在氧氣主管道上，加裝在線氧氣純度檢驗儀隨機監(jiān)控，防止氧氣純度不達標或氮氧互竄。
2.2 入爐鐵水比
提高入爐鐵水比相當于提高了鐵水中的碳含量，加劇了碳氧反應(yīng)，增加了 CO 的生成量，對吹煉中前期脫氮有利。在吹煉終點碳含量相同的條件下，入爐鐵水比越高，氮含量越低。
2.3 吹煉終點爐內(nèi)外壓差
轉(zhuǎn)爐吹煉末期開始，CO 生成量降低，爐內(nèi)壓力可能小于爐外壓力。特別是在吹煉終點，由于氧槍提槍的操作會引起空氣卷入，導(dǎo)致鋼水增氮。在吹煉結(jié)束時，關(guān)閉供氧末端閥門，當氧槍中殘留氧氣完全吐出即壓力表值為零時，提槍至待吹位，使爐內(nèi)壓力大于爐外壓力，避免提槍過程中導(dǎo)致的增氮。
2.4 爐渣流動性
綜合濺渣護爐與鋼水純凈度的需要，控制（FeO）10%-14%之間。吹煉末期造泡沫渣，能夠阻斷鋼水與空氣的接觸防止增氮。當吹煉至ω（C）<0.3%時容易發(fā)生增氮，因此有必要在 ω（C）>0.3%時造泡沫渣。在吹煉至 ω（C）≈0.5%時，添加氧化鐵皮 2kg/t 或者礦粉 1-3kg/t 或 在吹煉至 80%時，添加 CaCO3 使泡沫渣高度控制在爐口和出鋼口之間，從而達到阻斷鋼水與大氣接觸的目的。
2.5 吹煉終點碳含量
終點氮含量隨轉(zhuǎn)爐終點碳含量的升高呈明顯下降趨勢。這是因為轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，鋼液脫氮主要是依靠 C-O 反應(yīng)生成的 CO 氣泡將氮攜帶出鋼液。吹煉開始，氧氣射流沖擊鋼液面，形成的火點（凹坑）是主要的反應(yīng)區(qū)，熔池中硅先氧化，碳氧反應(yīng)還未開始，脫氮速率很小。
隨著吹煉的進行，火點區(qū)溫度升高，鋼液中碳氧反應(yīng)增強，熔池產(chǎn)生大量 CO 氣泡，將鋼液中的氮脫除。在火點區(qū)溫度下，鋼液中氧、硫?qū)γ摰挠绊懲耆梢院雎裕瘘c區(qū)雖然存在吸氮現(xiàn)象，但由于碳反應(yīng)生成的 CO 量多，其壓力大于外界空氣壓力，使空氣難以與鋼液接觸，脫氮量大于吸氮量，脫氮速度迅速增大，到某一時刻達到最大值。
隨著碳氧反應(yīng)強度的降低，生成的 CO 量減少，外部空氣壓力大于 CO 壓力，這時空氣就有可能與火點區(qū)的鋼液接觸，造成鋼液的吸氮，脫氮速度逐漸降低，在某時刻脫氮速度變?yōu)樨摂?shù)，意味著此時鋼液內(nèi)脫氮變?yōu)樵龅Ｋ栽跐M足工藝成分要求的前提下，采取吹煉終點高拉碳工藝有助于控制增氮量。
2.6 轉(zhuǎn)爐一倒 C-T 雙命中率
后吹時，氧氣射流將轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔渣吹開，點火區(qū)鋼液面裸露，造成點火區(qū)鋼液的吸氮速度大于CO 氣泡的脫氮速度，鋼液在點火區(qū)從氣相中吸氮，從而造成鋼水增氮。補吹時間越長、次數(shù)越多，增氮量越大，通常增氮 5×10-6-20×10-6。
2.7 脫氧順序
出鋼時氮由氣-液界面向液相傳質(zhì)是鋼液增氮的限制性環(huán)節(jié)。鋼液表面活性元素（如氧、硫等）占據(jù)氣-液界面上可吸附氮的空位，阻礙氮分子形成，并阻止空氣中的氮氣向鋼液中溶解擴散，減少鋼水二次氧化和吸氮的幾率。
通過建立爐后小平臺鋼水氧活度與出鋼過程增氮量的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)下降趨勢找出氧活度的臨界值（一般≥50×10-6），采取先合金化后脫氧的工藝操作，穩(wěn)定控制鋼水增氮量。
2.8 出鋼控流
出鋼過程的吸氮主要包括以下幾方面：出鋼時出鋼口形狀不好，造成出鋼散流，使得鋼液與空氣的接觸面積增加，增大了鋼液吸氮的反應(yīng)面積，造成一般增氮 3×10-6-8×10-6。出鋼時需做到規(guī)圓、不散流，控制出鋼時間 3-6min；出鋼過程伴隨著鋼液的脫氧，鋼液中氧含量的降低，會造成反應(yīng)界面上的表面活性元素的濃度降低，增加了鋼液吸氮的速率，同時，由于出鋼過程鋼液與空氣直接接觸，加大了反應(yīng)界面，也會造成鋼液的吸氮。
2.9 出鋼時鋼包底吹氬流量
吹氬攪拌起到強化鋼水流動、均勻成分和溫度、去除夾雜物的作用，但過大的吹氬量會造成鋼液大面積的裸露，無形中使鋼水液面與大氣接觸面積增加，造成鋼液自發(fā)吸氮（如圖 1），尤其是爐后強脫氧鋼水，吸氮更為敏感，一般增氮量在 2×10-6-6×10-6。
2.10 其他操作
1）轉(zhuǎn)爐內(nèi)有鋼水且轉(zhuǎn)爐在零位時，用氮氣吹掃煙道或進行泡沫渣吹掃壓渣會造成鋼水增氮。
2）在吹煉末期大幅度竄槍或底吹供氣強度太大，會造成鋼水大翻，使鋼水增氮。
3 冶金效果分析
通過工藝調(diào)整，在冶煉冷軋料的生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐出鋼時的[N]平均為 0.0018%，鋼包的[N]平均為 0.0022%，最大不超過 0.0025%，轉(zhuǎn)爐出鋼過程平均增氮 0.0007%，鋼中[N]得以有效控制。工藝調(diào)整后工序能力評價如圖 2 所示，冷軋料質(zhì)量水平得到可靠保證（熱軋卷板成品氮含量 Cpk 為1.29）。
4 結(jié)論
1）保證氧氣純度≥99.5%；
2）在條件允許的前提下，適當提高入爐鐵水比，提高整體碳含量，在吹煉前期，盡可能多地利用劇烈碳氧反應(yīng)和 CO 氣泡帶出鋼中氮；
3）保持吹煉終點爐內(nèi)正壓，轉(zhuǎn)爐吹煉在接近終點時，脫碳反應(yīng)已明顯減弱，鋼液容易吸氮，此時，應(yīng)降低氧槍槍位，加強熔池攪拌（≮40s），容易得到較低的鋼水氮含量。保證底吹效果，充分利用吹煉末期氮氬切換技術(shù)，降低鋼中氮含量；
4）控制終渣（FeO）在 10%-14%，避免返干；
5）盡可能采取吹煉終點高拉碳工藝，提高終點碳溫一次命中率，杜絕后吹、補吹，降低終點鋼中［O］，避免增氮；
6）在脫氧合金化過程中，脫氧劑采用先弱后強的方式加入；
7）根據(jù)出鋼口大小，適當調(diào)整裝入量，合理控制出鋼時間。圓流出鋼，同時控制鋼包底吹氬流量和時間，杜絕暴吹、大面積裸吹等現(xiàn)象。