低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼直上工藝影響鋼液氮含量變化因素的分析

張浩

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

氮在鋼中是以氮化物的形式存在，氮含量高的鋼材長時間放置將發(fā)生時效硬化，使鋼變脆。其主要原因是，鋼材中的氮化物析出，引起金屬晶格扭曲而產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，從而惡化了鋼的塑性和沖擊韌性，使鋼變脆；氮使低碳鋼產(chǎn)生的脆性與磷元素的危害相似，但比磷嚴重；磷造成鋼的冷脆性，不產(chǎn)生時效性硬化，若鋼材中磷含量高時，氮的危害會進一步加劇。鋼中氮含量大于80×10-6，在加熱至250～450℃，其表面發(fā)藍，鋼的強度升高，沖擊韌性降低，稱為“藍脆”。一些高級的鋼種對氮含量有嚴格的要求，例如高級的熱軋鋼板要求氮含量低于0.004%；高強度管線鋼要求氮含量低于0.003%；IF冷軋鋼板要求氮含量低于0.0025%；低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在經(jīng)冷軋和罩式退火工藝后，氮含量過高會提高鋼板的強度，同時延伸性能明顯降低。因此，必須嚴格控制鋼中的氮含量。文章就低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼直上工藝生產(chǎn)過程中影響鋼液氮含量變化的因素進行分析，并提出降低轉(zhuǎn)爐冶煉過程中氮含量的改進措施。

2 鋼水增氮的理論基礎(chǔ)

氮在鋼中的溶解度與溫度、氮氣分壓和合金元素的關(guān)系為[1]：

在煉鋼溫度下，鋼液中的氮含量遠未達到平衡值，如有條件還會吸入更多的氮，所以大氣下煉鋼，鋼液增氮是自發(fā)的。

鋼液中氮的溶解度可由氮氣在鋼液中的溶解反應確定。氣相與鋼液中氮的平衡反應式[2]：

式中aN為鋼液中氮的活度；fN為鋼液中氮的活度系數(shù)；PN2為發(fā)應地點處氣相中氮氣的分壓，atm；K為反應的平衡常數(shù)。

3 轉(zhuǎn)爐冶煉過程影響鋼水氮含量的因素

3.1 轉(zhuǎn)爐底吹控制對終點鋼水氮含量的影響

復吹技術(shù)的采用是轉(zhuǎn)爐促進脫氮的重要手段。從轉(zhuǎn)爐底部吹入Ar、N2、CO2等惰性氣體，一方面降低了N2分壓、增大了自由表面積而促進了鋼中氮的排出；另一方面底吹大大改善了熔池的動力學條件，促進了含氮廢鋼盡早熔化，有利于鋼中氮的去除。氮氣價格低廉，但是冶煉低碳鋼全過程底吹氮，鋼液終點氮含量較高，不能夠滿足低氮鋼的要求；轉(zhuǎn)爐全程吹氬終點氮含量相對較低，但成本高。為此對八鋼120t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)條件下，不同氮氬切換點對出鋼鋼液氮含量的影響。

如圖1所示，120t轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼AP1461C1（低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，牌號SPHC）鋼種吹氧時間約在15分鐘。在不同的時間點進行底吹氮氬氣的切換，然后對終點鋼水氮含量進行分析，隨著氮氬切換點的推移，鋼水終點氮含量逐漸升高。吹氮6分鐘后切換，終點鋼水[N]含量升高至10×10-6以上。

圖1 冶煉AP1461C1不同氮氬切換點鋼水終點氮含量

3.2 鐵水碳含量對鋼液氮含量的影響

現(xiàn)場冶煉AP1461C1鋼種，正常情況下裝入的鐵水碳含量在4.0%～5.0%，雙聯(lián)脫硅后的入爐鐵水（半鋼）碳含量在2.5%～3.0%，而事故鋼水回爐與鐵水勾兌后碳含量在1.2%～1.5%。對這三種情況下脫氧后在吹氬站對鋼水取樣分析氮含量。圖2所示正常鐵水冶煉后鋼水氮含量在（25±5）×10-6，雙聯(lián)脫硅鐵水鋼水氮含量在 (25±5)×10-6與正常鐵水無異，而回爐鋼水冶煉后鋼水氮含量在（30±5）×10-6，比正常鐵水冶煉鋼水氮高出5×10-6以上。

圖2 冶煉AP1461C1鐵水、半鋼、回爐鋼水后鋼水氮含量直方圖

3.3 轉(zhuǎn)爐冶煉補吹對鋼液氮含量的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉后期的補吹可使鋼液氮含量明顯提高。轉(zhuǎn)爐冶煉接近終點時，由于碳含量、磷含量超標或溫度偏低等原因需要補吹，此時熔池碳含量已很低，繼續(xù)吹氧，由于C-O反應減弱，大部分氧用來氧化鋼液中的鐵。CO產(chǎn)生量少，脫氮量很小，容易卷入空氣，氧氣流沖開渣面，火點區(qū)鋼液面裸露，造成火點區(qū)鋼液的吸氮大于CO氣泡的脫氮，鋼液中的氮含量升高，故應避免補吹操作。如圖3所示，補吹爐次氮含量變化，主要與補吹時的碳含量有關(guān)，碳含量越低，鋼液中的氮含量越高，補吹次數(shù)越多，出鋼氮含量越大。一般情況下，轉(zhuǎn)爐一次再吹可增加氮（5～10）×10-6，再吹兩次增氮可達 20×10-6，而且再吹后鋼中氮離散度很大。因此，對于低氮鋼冶煉要防止轉(zhuǎn)爐再吹。

圖3 不同終點[C]含量補吹增氮情況

3.4 出鋼脫氧程度對鋼液氮含量的影響

出鋼后鋼液中的自由氧含量對出鋼過程鋼液增氮量的影響如圖4所示。由圖4可見，隨鋼液中自由氧含量的降低，鋼水氮含量增加。這是由于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼出鋼完全采用鋁鐵脫氧，空氣中的氮會與鋁結(jié)合生產(chǎn)氮化鋁，因此鋼水中鋼液中氮達飽和之前，鋁能促進鋼液吸氮，同時鋁脫氧鋼液中的自由氧低，也為吸氮創(chuàng)造了良好的條件。

圖4 鋼水不同自由氧對應鋼水氮含量

圖5 喂絲過程鋼水裸與不裸露氮含量對比直方圖

3.5 喂鈣線噴濺對鋼水氮的影響

在吹氬站對AP1461C1進行喂鈣線處理過程中，鋼水與鈣線會發(fā)生劇烈反應產(chǎn)生噴濺，會造成鋼水大面積裸露。此時鋼水的平均溫度在1625～1630℃，會造成大量增氮。如圖5所示，鋼水在鈣處理過程中裸露氮含量在（37～40）×10-6，而鋼水喂絲過程不裸露氮含量在（26～30）×10-6，鋼水喂絲裸露增氮量（6～9）×10-6。通過絲線優(yōu)化將鈣處理使用的純鈣線更換為硅鈣夾層鈣線可有效抑制鋼水噴濺裸露的情況，達到抑制增氮的作用。

4 結(jié)論

通過對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼直上工藝增氮關(guān)鍵點的分析可知，通過控制入爐鐵水碳含量、底吹氮氬轉(zhuǎn)換點、鋼水脫氧程度以及鈣處理絲線噴濺可有效降低鋼水氮含量。

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉前6分鐘可全程吹氮，之后轉(zhuǎn)換為氬氣終點氮含量可控制在10×10-6。

（2）冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼入爐鐵水碳含量不得小于2.5%，回爐鋼水必須控制勾兌量，以確保入爐鐵水碳含量在2.5%以上。

（3）冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼應盡量降低補吹次數(shù)，每補吹一次增氮5×10-6，補吹兩次終點氮含量可達到20×10-6。

（4）出鋼采用半脫氧可有效抑制增氮，鋼水氮含量與自由氧含量成反比。

（5）鈣處理過程控制喂絲噴濺很重要，采用硅鈣夾層改線比純鈣線鋼水噴濺及裸露面積小，可減少增氮 8×10-6。