CAS 底吹氮氣冶煉高氮鋼的研究與應用

溫 瀚， 王少軍， 黃財?shù)拢?趙長亮

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

氮通常為鋼中的有害元素，比如汽車鋼板氮含量需要嚴格控制，盡量消除時效和保證金屬深沖性能。但對一些特殊鋼種如含氮馬口鐵而言，氮卻是一個重要的合金元素[1]：能夠促進晶內(nèi)鐵素體形核，有效細化晶粒，提高金屬強韌性。目前冶煉含氮鋼種的主要工藝分兩類：合金增氮法和氣體增氮法[2]。合金增氮主要采用氮含量高的合金加入到鋼水中進行增氮，比如氮化錳，但收得率偏低并且生產(chǎn)成本較高，在工業(yè)生產(chǎn)中運用較少；氣體增氮法將氮氣吹入鋼液，彌散的氮氣泡顯著改善氣體氮合金化的動力學條件，氣泡可以增加氣-液接觸面積，縮短原子擴散距離，有效促進鋼液中氮含量接近平衡，其帶來的攪拌效應可使鋼液溫度和合金元素均勻化[3]。此外，氮氣作為制作氧氣的副產(chǎn)品，成本低廉，當前鋼鐵企業(yè)對生產(chǎn)成本要求日益嚴格，氣體增氮法逐漸被認知并擴大使用[4-5]。

氣體增氮常見的工藝為在RH 循環(huán)過程中采用氮氣作為環(huán)流氣，氮元素溶解到鋼水中增氮，國內(nèi)很多鋼廠（如首鋼、鞍鋼等鋼廠）采用RH 環(huán)流增氮的工藝進行高氮鋼的冶煉，此工藝相對成熟穩(wěn)定，增氮速率較為穩(wěn)定，但RH 處理過程成本偏高，占用了RH 冶煉超低碳鋼的產(chǎn)能，首鋼京唐公司為進一步降低生產(chǎn)成本、釋放RH 產(chǎn)能， 決定開發(fā)CAS 底吹氮氣冶煉含氮鋼工藝。

與RH 利用提升氣體供氮不同，CAS 采用底吹供氮。在工藝開發(fā)初期由于缺乏底吹供氮經(jīng)驗，經(jīng)常出現(xiàn)增氮控制不穩(wěn)定、氬氣壓力大導致鋼液裸露出現(xiàn)二次氧化等問題。為解決上述問題，京唐公司開展了底吹氮氣增氮工藝研究，通過理論分析和工業(yè)試驗研究了鋼水溫度、吹氮時間、氮氣壓力和氮氣流量對增氮的影響，并提出了合適的增氮技術(shù)工藝。

1 鋼水增氮理論

1.1 鋼水增氮熱力學分析

1.1.1 壓力的影響

標準狀態(tài)下，氮在鋼液中的溶解度很小，氮以原子和化合物的形式溶解在鋼中，鋼水吸氮是自發(fā)過程，冶煉過程中氮的的溶解反應為：

從式（1）可知，煉鋼溫度下（1 500～1 700 ℃），N2在鋼液中的溶解吉布斯自由能均ΔG＞0，反應不能自發(fā)進行，因此，鋼液中的［N］不是N2直接溶解進入，而是以原子、化合態(tài)形式存在于鋼液中的。

氮的溶解反應Sievert 定律[6]如下：

式中：w（N）為鋼中的理論飽和氮含量；fN為氮的活度系數(shù)；PN2為氮分壓，Pa；Pθ為標準壓力，Pa；KN為分壓105 Pa 時，1 600 ℃時N2=2［N］反應的平衡常數(shù)，由以上公式可以看出氮的溶解度隨壓力的提高而增大。

1.1.2 合金元素的影響

在合金鋼中，由于合金元素的影響，氮的活度系數(shù)fN≠1，通常可由下式求得：

式中：Σej，Nw為各元素與氮的相互作用系數(shù)；w（j）為各元素在鋼中的質(zhì)量百分含量。

由式2 可以看出，合金元素增加會提高鋼中的氮含量。

1.1.3 溫度的影響

氮的溶解度還受溫度的影響，在不同溫度下氮的相互作用系數(shù)可由Chipman 所給的計算公式求出[7]：

由式3 可以看出，提高鋼液溫度有利于增氮。

1.2 鋼液增氮動力學分析

假定吸氮按氣體向鋼水表面的吸附、離解和向鋼中溶解的過程進行，即：

1）氣泡中氮氣由氣泡內(nèi)部向氣泡一鋼液表面?zhèn)髻|(zhì)。

2）在氣泡—金屬界面上的吸附化學反應為一級反應，N2=2[N]。

3）［N］在鋼液側(cè)邊界層中傳質(zhì)。

冶煉過程中，由于氣泡很小，吹入的氮氣從氣泡內(nèi)部向鋼液表面的傳質(zhì)速度比界面反應速度要快得多，即認為步驟1）速度很快，不會成為增氮過程的限制性環(huán)節(jié)，增氮的動力學由［N］在鋼液側(cè)邊界層的傳質(zhì)和界面上的化學反應混合控制，可由下式表示[8]：

式中：[N]e為氮氣泡與鋼液界面處濃度；[N]O為鋼液中原始氮濃度；w[N]為鋼液中實際氮濃度；ρ（Fe）為鋼液密度，kg/m3；A為傳質(zhì)界面，m2；Rm為傳質(zhì)系數(shù)；W為鋼液質(zhì)量，kg；t為時間，s。

由式4 可以看出，擴大氮氣的傳質(zhì)界面、增加吹

氮的時間均能促進鋼液增氮。

2 底吹增氮生產(chǎn)試驗

2.1 設(shè)備改造

在CAS 原有的吹氬管路上增加了氮氣管路，利于進行氬氣和氮氣的切換，對鋼包進行底吹氬氣或氮氣。

2.2 試驗方案

試驗鋼種選擇為SPHC，此鋼種對N 含量要求的范圍比較寬，鋼種主要化學成分要求見表1。試驗爐次鋼水氮含量按照w（N）=（30～60）×10-6控制。

表1 試驗鋼種SPHC 主要化學成分要求 %

試驗工藝路線為：KR 脫硫→常規(guī)轉(zhuǎn)爐冶煉→CAS→板坯連鑄機。CAS 主要性能參數(shù)見表2。

表2 CAS 主要性能參數(shù)

2.3 試驗跟蹤與分析

2.3.1 CAS 吹氮時間與增氮量的關(guān)系

在底吹氮氣壓力為1.3 MPa，氮氣流量為600 L/min 的條件下，鋼液增氮如圖1 所示：

從圖1 看，隨著吹氮時間的增加鋼液增氮量總體呈線性增加，但是增氮速率隨吹氮時間的增加逐漸降低。

圖1 吹氮時間與增氮量的關(guān)系

2.3.2 鋼水溫度與增氮速率的關(guān)系

在底吹氮氣壓力為1.3 MPa，氮氣流量為600 L/min 的條件下，選取5 爐同鋼種鋼水，分別將CAS 吹氮前的溫度分別控制在1 620 ℃、1 610 ℃、1 600 ℃、1 590 ℃、1 580 ℃、1 570 ℃，吹氮時間控制在8 min，取吹氮前后的鋼樣進行N 成分分析，統(tǒng)計計算情況如圖2。從圖2 可以看出：增氮速率隨溫度降低呈下降趨勢。

圖2 鋼液溫度與增氮速率的關(guān)系

2.3.3 CAS 吹氮時間與增氮量的關(guān)系

在底吹氮氣壓力分別為1.3 MPa 的條件下，試驗5 爐，吹氮流量分為300 L/min、400 L/min、500 L/min、600 L/min、800 L/min 五擋進行吹氮試驗，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統(tǒng)計其增氮速率如下頁圖3。

從圖3 可以看出，隨著氮氣流量的提高，鋼水增氮速率呈上升趨勢，但是當?shù)獨饬髁砍^800 L/min時，易造成CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的潔凈度。從增氮速率來看，氮氣最佳流量為500～600 L/min。

圖3 CAS 底吹氮氣流量與增氮速率的關(guān)系

2.3.4 CAS 氮氣壓力與增氮速率的關(guān)系

在氮氣流量為600 L/min 的前提下，試驗4 爐，氮氣壓力分別調(diào)整為1.0 MPa、1.3 MPa、1.5 MPa、1.7 MPa 進行吹氮試驗，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統(tǒng)計其增氮速率如圖4。

圖4 CAS 底吹氮氣壓力與增氮速率的關(guān)系

從圖4 可以看出，隨著氮氣壓力的提高，鋼水增氮速率呈上升趨勢，主要原因是底吹壓力高更易吹通，氣體充分與鋼包內(nèi)鋼液接觸，但是當?shù)獨鈮毫Τ^1.7 MPa 易造成鋼液噴濺和CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的純凈度和質(zhì)量。從統(tǒng)計的增氮速率來看，氮氣最佳壓力為1.7 MPa。

3 生產(chǎn)效果

通過試驗總結(jié)出最佳的底吹氮氣壓力和流量，穩(wěn)定鋼水的到站溫度，使用CAS 工藝底吹氮氣冶煉高氮馬口鐵，氮含量控制合格率達到100%，氮含量控制區(qū)間[（45±5）×10-6]的準確率，由工藝試驗前的50%提高到95%，大大提高了底吹氮氣冶煉高氮鋼的處理能力，并且降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

1）底吹氮氣增氮量與吹氮時間整體呈線性關(guān)系，吹氮時間越長鋼液氮含量越高，但是隨著增氮時間的增加，吹氮速率逐漸減慢。

2）底吹氮氣與鋼液溫度有一定的關(guān)系，溫度越高，增氮速率越快。

3）底吹氮氣壓力和流量對增氮速率影響明顯，底吹氮氣壓力和流量的提高有利提高增氮速率，但是當?shù)獨鈮毫Υ笥?.7 MPa 流量高于800 L/min，易造成鋼液裸露導致鋼液二次氧化，影響鋼液的純凈度。

4）通過工藝試驗，總結(jié)出合適的底吹氮氣壓力和流量，底吹氮氣氮含量的控制水平大大提高，能夠滿足批量冶煉含氮鋼種的能力，大大降低了生產(chǎn)成本。