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)爐冶煉過程中氮在鋼中溶解度變化的分析，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐冶煉過程中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
氮對于大多數(shù)鋼種是一種有害元素，其氮化物的析出，會導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生時效和藍脆現(xiàn)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(chǎn)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(yán)格的要求。在低氮鋼的冶煉過程中，轉(zhuǎn)爐冶煉是脫氮最重要也是最有效的環(huán)節(jié)，在包鋼240t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)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(biāo)情況嚴(yán)重，為了解決這一難題，開展了轉(zhuǎn)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(tài)的氮原子［N］或以結(jié)合態(tài)的氮化物的形式存在。而在實際生產(chǎn)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(zhì)量分數(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)成分和溫度通過對fN、KN的影響來影響氮在鋼液中的溶解度。在成分相對穩(wěn)定時，則有[2]:
對于轉(zhuǎn)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(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2600℃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(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(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(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(diào)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(yīng)的進行； 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)降低底吹供氣強度也可達到較好的脫氮效果；在吹煉中后期，碳氧反應(yīng)減弱，再適當(dāng)增加底吹供氣強度，通過底吹氬氣及時補充熔池中的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，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)的加料過程中不易太過集中，防止反應(yīng)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(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，減小火點區(qū)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(yōu)化
終點w［C］高低對鋼液終點w［N］影響顯著，當(dāng)鋼水碳吹煉到偏低時碳氧反應(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，在保證溫度和鋼中w［O］的基礎(chǔ)上，不宜將轉(zhuǎn)爐終點w［C］控制太低，可以減弱增氮的發(fā)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(yán)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(xiàn)象; 點吹時間不得大于1min且次數(shù)不可大于1次，以最大限度減少點吹過程中的增氮的發(fā)生。
2． 5 出鋼脫氧合金化優(yōu)化
2． 5． 1 出鋼過程
轉(zhuǎn)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(guān)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(tài)不好出現(xiàn)散流現(xiàn)象，會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，盡量選擇出鋼口狀態(tài)較好的轉(zhuǎn)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(qū)除鋼包內(nèi)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(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踐證明。
在冶煉超低碳鋼時，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)爐出鋼須進行脫氧時，采用焦炭弱脫氧，一方面脫氧產(chǎn)物不會污染鋼液，另一方面脫氧所產(chǎn)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(yōu)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(yōu)化前后轉(zhuǎn)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(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)通過研究轉(zhuǎn)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(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
［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(xiàn)代冶金學(xué)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1987．
［3］ 黃希祜．鋼鐵冶金原理［M］．北京:冶金工業(yè)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(zhì)量與非金屬夾雜物控制學(xué)術(shù)會議論文集［C］．貴陽: 中國金屬學(xué)會，2001，196．