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转炉冶炼过程钢水增氮原因浅析

李志强，兰 天

( 宝钢湛江钢铁有限公司炼钢项目组，上海 201900)

摘 要 本文通过理论分析并结合生产实践，阐述了在转炉冶炼过程中钢水增氮的主要原因并提出了改善措施，对低氮钢种的生产具有一定的指导意义。

关键词 溶解度; 低氮; 再吹; 泡沫渣; 不完全脱氧

随着现代制造业的发展，钢材用户对汽车板及管线钢等具有高纯度、高强度、高温塑性、深冲性的钢种质量提出了更高的要求。氮在大多数情况下是作为钢中的杂质元素存在的，易饱和固溶于钢中，一般可以提高钢的强度，但是易增加钢的脆性及降低钢的塑性，同时对冷轧板的深冲性能影响很大。钢中氮过高时将导致时效硬化、硬度增大而延展性变差等，因此在转炉冶炼过程中要严格控制钢水中氮的含量。

1 转炉低氮钢冶炼工艺

低氮钢对钢中杂质元素氮的含量要求较高，包括从铁水预处理到连铸生产环节均需严格控制钢水中的氮含量，并对过程中容易导致氮含量升高的影响因素采取相应的防范措施。

转炉低氮钢冶炼工艺主要从两方面入手，即控制入炉原料和优化冶炼工艺，主要方法包括控制铁水比、底吹氮—氩切换、优化造渣制度及吹炼制度、出钢合金化顺序等，通过这些方法可以使钢中氮含量尽可能降低，一般大型顶底复吹转炉采取该冶炼工艺可使钢种氮含量稳定控制在 20 × 10－ 6以下。

表 1 所示为某时段内宝钢 300t 转炉钢包样( 低氮钢种 AP1055E5) 氮含量的生产统计数据。

2 氮在钢水中的溶解

氮元素在钢( 铁) 水中是以单原子状态溶解的，其溶解的反应式和平衡常数如下所示:

由式( 1) 及( 3) 可见，气体在钢水中的溶解过程是吸热的，并且随着温度的升高溶解度增加，通过计算可进一步得出在相应温度时钢水中氮的饱和溶解度。

一般大气中氮的分压为 0． 79kg/m2，当钢水温度为 1 600℃时，氮在钢水中的溶解度为［N］≈390× 10－ 6。可以发现，1 600℃时饱和溶解度条件下的钢水氮含量约为低氮钢氮含量的 20 倍，所以在高温状态下钢水吸氮是必然的。

3 转炉冶炼过程钢水增氮与控制

3． 1 入炉原料

转炉炼钢入炉原料包括铁水、废钢( 有时掺混少量渣钢、渣铁等，低氮钢种禁止加入生铁) 及辅料等，据文献［3］显示，经单脱硫铁水预处理后铁水含氮量约为 34 ×10－ 6，经三脱预处理后铁水含氮量可降至 10 ×10－ 6左右［4］。而废钢种类繁多，氮含量高的废钢则容易导致钢水增氮，因此应根据钢种需要选择合适的废钢品种。

铁水氮含量一般高于低氮废钢中的氮含量。生产过程中主要靠提高入炉铁水比来降低终点钢水氮含量，原因在于高铁水比时，炉内碳氧反应更加剧烈，过程中生成的 CO 量增加，CO 排出时可将大量氮带走。宝钢 300t 转炉规定冶炼低氮钢种铁水比大于或等于 86%，脱硅铁水( ［Si］≤0． 20% 时) 则要求大于或等于 95%。值得注意的是，提高铁水比后辅料加入量也会相应增加，因此辅料加入时应分多批次少量加入，以利于过程均匀化渣，减少辅料中的氮带入钢水。

3． 2 拉后吹炼

冶炼过程中，氮从气相向金属溶液中的溶解( 主要在反应区内) 和从金属溶液向气相排出存在一个速度差，而氮从金属溶液排出主要发生在和 CO气泡接触的金属表面层。拉后吹作业时钢水中碳含量较低，此时炉气中 CO 含量急速下降，氮气分压升高，即使在炉口微正压下操作也会有部分氮进入钢水中，因此主原料入炉时应准确计算转炉热平衡。

按照规定铁水比入炉时，若热量仍不足，可适当加入碳质发热剂或硅铁增加入炉原料的热量，同样在入炉原料热量较高时不可加入过多铁矿石，以免动态温度偏低，造成拉后吹炼。

3． 3 底吹氮—氩切换

底吹氮气搅拌时，炉内溶池吸氮和排氮过程同时进行，钢水温度的升高促使底吹氮气进一步溶解，而底吹搅拌同样使溶池内的氮随着生成的 CO 气泡加速上浮。以宝钢一炼钢 1#300t 转炉为例，底吹四个风口，在全程底吹氮气情况下，单风口供气流量在300m3/ h 时，经测定钢包氮含量约在 60 × 10－ 6，而全程底吹氩气时钢水氮含量则可稳定在 20 × 10－ 6以下，但是底吹氩气成本较高。因此选择合适时机进行底吹氮—氩切换，一方面可保证钢水质量，一方面可降低底吹成本。

据宝钢 300t 转炉生产实践，在供氧量达到 30%时进行氮—氩切换作业对钢水增氮无明显影响，此时碳氧尚未剧烈反应。而随着温度不断升高，氮气在钢水中的溶解度进一步上升，所以底吹切换的时间不宜过晚，一般生产低氮钢种可选择在供氧量小于或等于 30%时进行。

3． 4 过程化渣

转炉冶炼时过程化渣对钢水质量有很大影响，若冶炼过程中化渣不良则容易造成过程喷溅及后期钢水从炉气中吸氮。吹炼过程中一般要求铁矿石在中后期加入，中期加入铁矿石可加速 CO 的生成，有利于钢水脱氮，并可减轻由于渣子返干导致的氧枪粘冷钢现象; 后期加入铁矿石可进一步提高渣中T． Fe含量，生成高氧化性泡沫渣。此阶段碳氧反应由强逐渐变弱，造好的泡沫渣覆盖在钢水表面可有效隔断氮气从炉内气相向金属溶液中溶解。但铁矿石须在动态测定前全部加完，如铁矿石加入量较大时，可在开吹后少量加入第一批料( 少于 1t) ，以利于前期化渣，同时在冶炼过程中通过不断调整氧枪枪位及控制辅料的加入来延长泡沫渣覆盖时间。

3． 5 氧气纯度

氧气纯度不高时，炉气中氮的分压增加，在吹炼后期碳氧反应减弱以后易造成钢水增氮。实践证明，当使用的氧气纯度在 99． 5% 以上时，大型顶底复吹转炉冶炼的钢种氮含量可稳定控制在 20 ×10－ 6以下。

3． 6 再吹操作

停吹后提枪，此时空气从炉口进入炉内，炉内气体中氮的分压增加。当停吹后钢水温度测定偏低时需要进行再吹作业，这种低拉碳操作模式冶炼的钢水中碳含量较低( 一般碳含量在 0． 02% ～0． 05% 之间) ，再吹操作生成的 CO 量少，而氧气射流吹开渣面后钢水裸露在氮含量较高的炉气氛围内，且再吹过程钢水翻腾很弱，高温下钢水的气体溶解度进一步增大，溶于钢水中的氮更难排出，造成钢水氮含量升高，此时增氮量与再吹次数及再吹时间成一定比例。跟据宝钢 300t 转炉生产实践，冶炼低氮钢种再吹氧气量达到 400m3时，增氮量大于 5 ×10－ 6，如图1 所示。

为减少再吹给钢水带来的增氮，再吹操作时应避免升温不足造成二次再吹。在充分考虑底吹风口状态的情况下适当降低枪位，一方面可减小钢水露出的面积，减少吸氮，另一方面可以强化钢液内部翻腾，有利于脱氮。

3． 7 脱氧合金化

钢水中的自由氧属于活性元素，当氧在钢水表面富集时，占据了一部分可吸附氮的表面位置，阻碍了氮在这些位置的吸附。氧在钢液中的浓度越高，占据表面位置的比重就越多，吸氮过程就越慢，而当钢水中氧含量下降时钢液从大气吸氮的速度会迅速增加。

宝钢一炼钢 2010 年生产统计数据显示，转炉停吹时游离氧均值约为 773 × 10－ 6，如图 2 所示。由于出钢过程中温度下降，氧在钢水中的溶解度降低导致氧气逸出，加上与钢水中的碳以及合金带入的碳进行弱反应形成部分 CO 及 CO2逸出，可有效净化钢水，去除夹杂物以及溶于钢水的其它杂质气体，因此出钢过程合金化规定不完全脱氧，以保证钢水在脱去杂质气体的同时不会吸附过多氮气。一般低氮钢种在精炼作业前要求自由氧含量控制在( 200～ 400) × 10－ 6之间。出钢过程合金加入顺序按照其脱氧能力由弱到强，依次为锰铁—硅铁—铝铁，并把握好加入时机，一般出钢 1/3 时加入锰铁，出钢 2/3时加入铝铁。

3． 8 出钢

转炉冶炼后期，钢水呈氧化状态，钢中含有( 300 ～900) × 10－ 6的氧，可有效阻止钢水吸氮，因此转炉出钢过程对终点钢水氮含量的影响很小。当出钢异常时，如出钢口内有异物堵塞或出钢口外铁板熔损时容易造成出钢时钢流分散严重，钢流与空气接触的表面积增大，这时极易吸入空气中的氮，导致钢水含氮量增加。钢水吸氮量的多少与出钢口散流程度有直接关系，有文献［5］显示，出钢散流时可增氮( 5 ～ 7) × 10－ 6，严重散流时增氮量大于 10 ×10－ 6，因此遇到散流时应果断抬炉并及时清理、维护好出钢口，确认出钢口无异常时才继续出钢。

4 结论

( 1) 提高转炉入炉铁水比( 一般要求铁水比≥86%) 及辅料按照少量多批次加入的方法，可改善由入炉原料因素带来的钢水增氮状况。

( 2) 控制好底吹氮—氩切换时机。冶炼低氮钢种时，选择在供氧量不大于 30% 时进行切换对钢水增氮无明显影响，在保证钢水质量的同时也降低了底吹成本。

( 3) 制定合理的造渣制度及吹炼制度，在冶炼中后期加入铁矿石有利于脱氮。保证氧气纯度在 99．5% 以上，炉内始终保持微正压状态( 约 2mm H2O ) ，尽量提高终点参数命中率，如需拉后吹炼或再吹时应适当降低枪位，可有效减少钢水从炉气中吸氮。

( 4) 出钢过程不完全脱氧，合金按照亲氧能力由弱到强顺序加入，并把握好加入的时机，保证在精炼处理前钢水预留( 200 ～ 400) × 10－ 6自由氧量，同时加强对出钢口的日常维护，可有效降低出钢及传搁、等待时段内钢水从大气中吸氮。

参 考 文 献

［1］ 王德仓，杨培新，腾国良，黄守忠，等． 转炉炼钢节能技术［C］． 中国金属学会． 1987: 44 －45．

［2］ 朱苗勇． 现代冶金学．［M］． 北京: 冶金工业出版社，1987: 182．

［3］ 王 涛，夏幸明． 预处理过程铁水氮含量的变化［J］． 特殊钢，2004，25( 5) : 49 －52．

［4］ 杨世山． 铁水预处理与纯净钢冶炼［C］． 全国铁水预处理技术研讨会文集．2003，11: 50．

［5］ 马宝宝． 转炉炼钢过程氮含量的控制［J］． 科技信息． 2010，( 21) : 64．