分享：转炉冶炼低氮钢控氮研究及实践
炼钢过程氮是有害元素之一，它会使钢的塑性和冲击韧性降低，引起钢的冷脆；同时氮还会与钢中的钛、铝等元素形成氮化物夹杂，恶化钢的表面质量，降低成材率[1−3]。
1. 存在问题
对转炉冶炼企标N质量分数≤35×10−6钢种时的钢包氮跟踪调查和109炉数据统计可知，钢包氮质量分数均值为19×10−6，标准差为13×10−6，氮的控制不稳定且偏差较大，具体如图1所示（图中的正态分布曲线包含了负值，其并不意味钢包N含量为负值，而是由于钢包N含量极低，为了将正态曲线画完整所致；密度为横坐标范围内出现的次数）。对此问题，本钢炼钢厂成立攻关小组进行转炉冶炼控氮原因分析并制定工艺优化措施，以解决转炉控氮不稳定问题。
2. 低氮钢控制技术
2.1 氮的来源
根据转炉冶炼过程可知，钢中氮主要来源于铁水、废钢、辅原料、顶底复吹的气体介质、合金、与钢水发生接触的空气等。
2.2 增氮的热力学分析
氮在钢液中的溶解反应可表示为：
式中，[%N]为氮在钢中溶解度，
模型采用Fujio等人测定的KN值：lgKN= −518/T−1.063[4]。
根据热力学分析钢水中N的溶解度随温度（T）的升高、氮分压的增加而增大。战东平等[5]研究表明：钢中Al、Cr、Mn、Mo可提高氮在钢中的溶解度，C、Si、Ni降低氮在钢中的溶解度。赵长亮等[6]研究表明：转炉炼钢钢水氮含量的控制是包括氧气纯度、氩气纯度、过程化渣、铁水硫含量、转炉终点控制、后吹、渣量等多因素控制的。张钟铮等[7]研究表明：废钢种类、铁水比、底吹气体、转炉补吹、出钢口状态、脱氧方式影响转炉终点氮的控制。
2.3 转炉脱氮机理
复吹转炉的脱氮机理如下：一，在碳氧反应区产生了2600 °C左右的温度，高温使表面活性元素氧、硫对氮的影响消失，而氧化生成的CO气泡以及底吹入的Ar气泡相当于许多小的真空脱气室降低了界面的氮分压，转炉中形成的良好泡沫渣能够为氮的脱除提供充足的反应界面积，为转炉强脱氮创造了有利的条件。二，在吹炼中后期前转炉生成的气体使转炉内部保证了一定的正压力，降低了外界空气进入转炉的几率，且气体与钢渣接触面保持较高的氧势，阻碍了气液界面的吸氮作用，进而使得转炉冶炼中后期之前的过程是强脱氮过程。
综上论述，由于转炉在吹炼中后期之前具有强脱氮作用，作者认为在吹炼中后期之前的增氮因素都不能够成为控制钢包氮的主要因素，因此本文针对以下几方面对转炉吹炼中后期的增氮因素进行研究。
2.3.1 过程化渣情况
转炉冶炼过程中生成的性能良好的泡沫渣不仅具有较强的脱磷能力，而且对于氮的去除有一定的作用，主要是因为泡沫渣能够将钢水液面覆盖住，有效的避免了转炉内进入的空气与之相接触，进而防止钢液表面的增氮。针对过程化渣情况，本文跟踪统计了转炉冶炼过程化渣良好的炉次与其他炉次共22炉进行钢包氮比对，具体如图2，可以得出化渣良好炉次相对其他炉次钢包N控制效果好。
2.3.2 底吹模式控制
本钢采用底吹模式为吹炼5 min进行氮氩切换，4 min前底吹流量420 m3/h，4~16min底吹流量为300 m3/h，为了防止过吹导致的碳氧反应不平衡增加后搅功能，>16 min底吹流量为600 m3/h。本文研究63炉吹炼时间以16 min为界限的后搅模式对钢包N的影响，具体见图3，由图可以看出无后搅功能（即<16 min）的炉次钢包氮均值为14×10−6，标准差为11×10−6，均好于有后搅功能炉次（即>16 min）钢包氮均值为20×10−6，标准差为15×10−6。出现上述现象的原因是在吹炼后期，碳氧反应变弱转炉内呈负压状态，空气进入转炉的几率增大，增大后搅功能有利于气液界面接触，导致钢液脱氮速率小于增氮速率。
2.3.3 转炉终点控制
由于转炉内复杂的物理化学反应，转炉终点控制不稳定，终点氧在200~1000×10−6范围内波动，为了验证终点氧对脱氮的影响，本文跟踪分析了63炉终点氧≥600×10−6与<600×10−6两个范围的钢包氮控制情况，具体见图4，由此可以看出终点<600×10−6的炉次钢包氮均值为17×10−6，标准差为13×10−6，均好于终点氧≥600×10−6钢包氮均值为21×10−6，标准差为15×10−6。主要是由于在吹炼后期，碳质量分数低于0.1%时，生成的CO速率降低，炉内负压，即使有较高的氧势，但在碳氧反应区的高温区域，氧对增氮阻碍作用消失，导致后期增氮。为此针对低氮钢铁水温度低炉次，采用加硅铁或焦炭等升温剂来提高钢水温度，防止钢水终点氧过高。
2.3.4 转炉补吹及等样
针对补吹和等样炉次，本文调查了N超企标炉次28炉中，其中补吹炉次占比10.7%，等样炉次占比14.3%，这是因为补吹炉次二次下枪时气流将渣面吹开钢液完全暴露在空气中，增大了吸氮速率。而等样炉次由于时间较长，且底吹流量较大，造成增氮。
2.3.5 出钢控制
由氮的来源可知，大部分的氮气主要是由于气液接触，因此降低气液接触时间及面积能够有效降低增氮，出钢过程是钢液和空气直接接触时间较长且接触面积最大的过程，因此控制好出钢口状态，保证其平整、规圆，是有效减少气液接触面积的最佳手段，同时出钢时间的控制能够有效缩短气液接触时间进而降低增氮几率。同时在出钢过程中，出钢前做好底吹氩对钢包空气的吹扫及添加活性石灰，也能降低气液接触几率减少增氮。
2.3.6 脱氧
针对是否采用脱氧，本文调查分析了34炉氮超企标炉次中铝脱氧与未脱氧炉次的钢包氮数据具体见图5，可见未脱氧炉次钢包氮均值为19×10−6，标准差为9×10−6，均好于采用铝脱氧炉次钢包氮均值为44×10−6，标准差为11×10−6。主要是由于一方面铝将表面活性元素O脱除至较低水平，O占据的表面位置分数减少，为N提供了空位，将氧对增氮的阻碍作用大大降低，同时铝能够与氮生成AlN，起到固氮作用。为了降低铝脱氧对增氮的影响，本文采取在钢包中前期加碳后期加铝粒形式进行脱氧与正常铝脱氧进行比对具体见图6。由图可见碳+铝脱氧炉次钢包氮均值为19×10−6，标准差为13×10−6，均好于采用铝脱氧炉次钢包氮均值为23×10−6，标准差为19×10−6。产生此现象的原因是一方面碳脱氧产生二氧化碳起到排除空气的作用，能够降低增氮的几率。另一方面，前期碳脱氧属于弱脱氧，在前期一定的时间里利用了氧对增氮的阻碍作用，同时也减弱了铝的固氮作用。
2.4 改进后钢包氮含量控制
通过采取以上措施进行改进，2020年钢包氮控制水平与改进前控制水平对比，如图7所示，可见，采取措施后转炉钢包氮能够有效控制在≤20×10−6。
3. 结束语
1）转炉增氮主要由于过程化渣差，底吹控制不良，终点控制过氧化，转炉补吹及等样，出钢控制不良及脱氧方式不佳等方面。
2）减少氮与钢液的接触面积和接触时间是控氮的关键。
3）通过控制化渣情况，降低中后期底吹流量，采用低温炉次加硅铁及焦炭来防止终点过氧化，减少转炉补吹和等样时间，控制出钢口形状、出钢前底吹氩吹扫空气及添加活性灰，采用碳+铝两步脱氧法等措施，能够有效控制钢包氮质量分数≤20×10−6。
参考文献
[1]Goldstenin D A, Fruehan R J. Mathematical modal for nitrogen control in OSM //Steelmaking Conference Proceedings, Toronto, 1998
[2]Yoshiei K. Fluid flow in ladle and its efect on decarburization rate in RH degasser. ISIJ Int,1993,33(10):1088doi: 10.2355/isijinternational.33.1088
[3]李宝宽, 赫冀成. 炼钢中的计算流体力学. 北京: 冶金工业出版社, 1998: 263
[4]Fujio, Yshiro, Tasuku. Solubility of nitrogen in liquid iron and iron alloys containing the group via elements. J Iron Steel Inst Jpn,1982,68(5):946
[5]战东平,邱国兴,牛奔,等. 氮在钢液中溶解的热力学及动力学研究. 炼钢,2015,31(5):11
[6]赵长亮,孙彦辉,田志红,等. “全三脱”铁水转炉少渣冶炼低氮钢生产实践. 炼钢,2015,31(2):1
[7]张钟铮,王晓峰,费鹏,等. IF钢中氮含量控制技术研究. 炼钢,2014,30(1):29
文章来源——金属世界
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