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邯钢100吨复吹转炉氮含量控制水平研究

王峰星，王彦杰，卢志兴，徐学良

(邯郸钢铁集团公司三炼钢厂，河北邯郸；056015)

摘 要：通过在邯钢三炼钢100t复吹转炉上对不同底吹模式钢液氮含量的试验对比分析，研究确定转炉工序对氮的控制水平。当底吹供气强度不大于0．04Nm3／t·min时，转炉炉后钢包钢水含氮量可控制在25—40ppm，冶炼氮含量不要求小于70ppm的钢种时可采用全程底吹氮气模式。

关 键 词：复吹转炉；底吹氮气；钢液氮含量

1  前言

现代转炉普遍采用顶吹氧、底吹氮气或氩气等惰性气体的复吹工艺，底吹供气强度呈不断增大的趋势，这种工艺对降低终点钢水氧化性、去除气体和夹杂有显著的效果。而氮在大多数钢中被视为杂质元素，钢中的氮含量较高时可使钢材产生时效脆化、降低钢的冲击韧性，也可引起钢的冷脆。随着冶金技术的不断发展，用户对钢性能的要求越来越严格，降低钢中氮含量有利于提高钢材性能指标。邯钢三炼钢厂共有四座100t顶底复吹转炉，原底吹系统采用七块毛细管式透气砖，底吹供气强度为0．01～0．03Nm3／t·min，由于对熔池搅拌能力较弱，复吹透气元件寿命与炉龄不同步，不能适应邯钢品种结构优化对三钢转炉复吹系统功能的要求。因此，自2005年起三炼钢转炉陆续将底吹系统改为LCB环缝型透气原件，底吹系统供气能力提高到0．03~0．12Nm3／t·min，根据不同钢种的要求可采用全程底吹氮、氮氩切换、全程底吹氩等供气模式。氮气相对于氩气成本低廉，但随着底吹强度的增大，底吹氮气可能使钢液含氮量增加而影响钢水质量，本文针对不同底吹模式试验研究底吹对转炉钢液含氮量的影响，从而确定目前生产条件下，邯钢100吨复吹转炉对于氮含量的实际控制能力。

2  钢液吸氮机理

在顶底复吹转炉冶炼中，当使用氮气作为底吹气时，钢液中同时存在脱氮和吸氮两个反应过程。当氮的溶解速率大于氮的排出速率时表现为钢液氮含量增加，反之钢液氮含量降低。

理论研究表明，钢水中的含氮量主要受到氮的溶解度和钢水吸氮动力学条件的双重影响，氮在钢水中溶解度的大小和钢水的温度、化学成分以及环境中氮分压密切相关：在炼钢温度下，温度的波动对氮溶解度影响不大；w[C]<1％的钢水，氮的溶解度在270~440ppm之间，随着含碳量降低溶解度增大。此外，钢液中氮的溶解过程要经过在表面活性点上的吸附才能进行，而氧、硫的表面活性比氮要强的多，当有氧、硫出现时，它们能在钢液面上与氮争夺吸附点，使氮的吸附减弱，从而降低氮的溶解速率；文献[1]得出的钢液吸氮(脱氮)的动力学方程为：

r=a·kap2([(w[N])]2eq－[(w[N])]2)

可见，在钢中初始含氮量一定的情况下，钢液的吸氮速率受到a(气—液两相间的比表面积)和k2ap(表观速率常数)的影响，增大气液两相间的比表面积和降低钢中w[O]、w[S]，钢液的吸氮(脱氮)速率提高。

由于复吹转炉冶炼前、中期C-O反应剧烈，降低了氮分压，增大了气．液两相间的比表面积，有利于钢液脱氮。在转炉碳氧反应区，钢一气界面层温度可达到2600℃左右，此时氧、硫表面活性对钢液吸氮和脱氮的阻碍作用消失，钢液能通过碳氧反应生成物CO气泡携带脱氮，钢液脱碳速率越大，沸腾越强烈，则排出的氮气越多；而在转炉一次碳氧反应区以外的区域，持续的供氧使钢渣界面保持较高的氧势，富集在界面上的氧作为表面活性元素的阻碍作用并没有消失，同时乳化的炉渣和大量CO气泡的微真空室作用都阻碍着钢液从气相中吸氮，因此，在吹炼中前期底吹氮气应该不会使钢液明显增氮；而当吹炼后期C-O反应减弱，特别是在终点测温、取样和出钢时，如继续吹入氮气可能会使钢液吸氮速度大于脱氮速度，从而表现为钢水含氮量增加，其增氮程度大小应该与底吹供气强度密切相关。

3  研究试验方案

根据上述理论分析并结合邯钢三炼钢的实际生产条件制定了以下研究试验方案：

3．1  试验目的

通过试验测定各种底吹模式不同供气强度终点及钢包钢水含氮量，研究转炉工序对钢水氮的实际控制能力。

3．2  试验条件：

(1)转炉总装入量为118~120t；

(2)顶吹供氧采用四孔拉瓦尔喷枪，恒压变枪操作；

(3)氧气纯度99．8％，供氧流量22000Nm3/h，工作压力0．75MPa；

(4)试样N含量分析采用氮氧分析仪用红外分析法。

3．3  实施方案

根据三炼钢实际生产试验条件，分三组方案进行试验，由于邯钢原料条件比较稳定，各组方案认为原料含氮量相同。

第一组：测定常规供气强度下不同供气模式的终点钢水含氮量；

第二组：测定全程吹氮供气模式下不同供气强度的终点钢水含氮量；

第三组：测定常规供气强度下全程吹氮供气模式不同钢种出钢增氮量；

4  试验结果及分析

4．1  第一组试验结果

4．2  第二组试验结果

4．3  第三组试验结果

随钢种不同终点钢水及钢包钢水含氮量也不同，其中普碳钢终点含氮量最低，低合金钢及低合金钢终点含氮量相对较高，其主要原因是：普碳钢终点碳平均为0．08％左右，温度平均为1680℃，终点脱碳反应速度相对较高，钢水氧化性也相对较弱；而低合金钢和低碳钢终点碳含量平均值分别为0．06％和0．04％，终点温度平均值分别为1690℃和1660℃，冶炼终点脱碳反应缓慢，氧化性比较强。转炉出钢过程由于钢液从大气中的吸氮和加入铁合金及增碳剂等原料导致的钢包钢水增氮，出钢过程平均增氮量为18．3ppm，其中低合金钢加入合金量最大，所以钢包样增氮也最多。如采取合理的脱氧合金化工艺，避免脱氧过，钢包底吹氩气搅拌时避免爆吹以减少钢液与大气的接触，加强出钢口的维护等措施可以减少出钢过程钢液增氮。

5  结论

在邯钢现有原料条件下，根据研究试验分析情况可得出以下结论：

(1)转炉底吹供气强度控制在在0．04Nm3／t．min时，转炉终点钢水氮含量可控制在6~15ppm，全程吹氩模式终点氮含量最低，全程吹氮模式终点氮含量最高；

(2)在全程底吹氮气时，底吹强度由0．02Nm3／t·min提高到0．05Nm3／t·min时，终点钢液氮含量可控制在8~22ppm；当供气强度大于0．04Nm3／t·min时，增加量上升明显；当供气强度为0．04Nm3／t·min时，终点钢水含氮量可控制在11~15ppm；

(3)转炉出钢过程为增氮环节，增氮量大小受钢种及出钢工艺影响，平均增氮量为18．3ppm。

(4)转炉炉后钢包钢水含氮量可控制在25~40ppm左右。

根据同期进行的精炼及连铸环节的钢水增氮试验研究结果，正常情况下从转炉炉后钢包到中包浇钢过程钢水增氮可控制在30ppm以下，由于氮气与氩气相比具有的资源优势和成本优势，当供气强度应不大于0．04Nm3／t·min时，冶炼氮含量要求不小于70ppm的钢种完全可采用全程底吹氮供气模式。

参 考 文 献：

[1]   黄希祜：钢铁冶金原理，冶金工业出版社

[2]   刘平，何建中，史凤武：钢中异常氮的来源与控制，包钢科技，2006年11月

[3]   李峻，曾加庆：80t转炉复吹冶炼过程脱氮机理研究，炼钢，2006年6月

[4]   李明儒段贵生孙玉强石成刚：复吹转炉底吹氮对钢液终点氮含量影响研究，河南冶金，2006年9月