轉(zhuǎn)爐煉鋼氮控機(jī)理研究

金柱元，邵 華

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276806）

氮對(duì)于大多數(shù)鋼種是一種有害元素，尤其氮化物的析出，會(huì)導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生時(shí)效和藍(lán)脆現(xiàn)象，造成鋼材的屈服極限、強(qiáng)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。尤其對(duì)于含鈦鋼種，氮還會(huì)與鋼種鈦、鋁等元素形成脆性?shī)A雜，聚集在晶界上，導(dǎo)致帶鋼邊裂并且影響成品疲勞性能。部分客戶對(duì)產(chǎn)品氮含量有極為苛刻的要求，各鋼廠對(duì)氮含量越來(lái)越重視，對(duì)氮的研究也越來(lái)越深入。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程控氮機(jī)理分析

1.1 氮在鋼中溶解熱力學(xué)分析

在一定溫度下，氮在鋼液中發(fā)生溶解，可表示為：

氮在鋼水中溶解屬于雙原子解離過(guò)程，其溶解度與氮?dú)夥謮旱钠椒礁烧?，服從華西特定律[2]：

式中：KN為氮在鋼中溶解的平衡常數(shù)；PN2為鋼液表面氮的分壓，Pa；

大氣中氮?dú)獾姆謮簽?.78 Pa，在1 600 ℃時(shí)氮在鋼水中最大溶解度350×10-6，遠(yuǎn)大于低氮鋼的氮含量，所以高溫下鋼水吸氮是自發(fā)的[3]。

1.2 轉(zhuǎn)爐脫氮機(jī)理分析

在轉(zhuǎn)爐強(qiáng)烈脫碳的過(guò)程中，產(chǎn)生大量的CO 氣泡，而這些氣泡對(duì)于溶解的氮來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)小的真空室，所以溶解于鋼中的氣體可隨CO 氣泡排除減少，所以轉(zhuǎn)爐是一個(gè)脫氮容器。

設(shè)CO 氣泡的體積為VCO，那么氣泡帶走的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為[4]：

根據(jù)平方根定律：

聯(lián)立兩式進(jìn)行積分和得出脫碳量與鋼水中氮的含量的變化規(guī)律：

式中：w[C]0為初始碳含量，%；w[C]為終點(diǎn)碳含量，%；w[N]0為初始氮含量，%；w[N]為終點(diǎn)氮含量，%；為氮?dú)獾馁|(zhì)量。

因此，脫氮與脫碳密切相關(guān)。爐內(nèi)產(chǎn)生的CO 量是影響轉(zhuǎn)爐脫氮的關(guān)鍵，因?yàn)镃O 量增加后不僅提供了脫氮的反應(yīng)界面，而且還降低了氮的分壓，更有利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行[5]。

2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量影響因素分析

2.1 鐵水氮含量對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響分析

鐵水中的氮含量w[N]一般≤100×10-6，通過(guò)上述脫氮方程研究不同氮含量的鐵水對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮的影響，如圖1 所示。

圖1 鐵水氮與終點(diǎn)氮的關(guān)系

設(shè)定鐵水碳含量為4.5%，終點(diǎn)碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.05%，終點(diǎn)溫度為1 600 ℃，研究在無(wú)外來(lái)氮源的情況下鐵水氮含量對(duì)鋼水終點(diǎn)氮的影響。

在無(wú)外來(lái)氮源、鐵水碳及終點(diǎn)碳含量相同的情況下，鐵水氮含量升高，鋼水終點(diǎn)氮含量增加，但鐵水氮含量對(duì)鋼水終點(diǎn)氮的影響很微弱，且終點(diǎn)氮含量很低，終點(diǎn)氮w[N]在2×10-6左右。而實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量大于計(jì)算值，主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)爐后期有外來(lái)氮源進(jìn)入鋼水，導(dǎo)致終點(diǎn)鋼水氮含量升高。

2.2 脫碳量對(duì)氮含量的影響分析

當(dāng)鐵水[C]含量固定，終點(diǎn)[C]含量的變化即是脫碳量的變化，CO 氣泡產(chǎn)生量的變化。以鐵水中w[C]=4.0%、w[N]=0.010 0%為初始值，分析脫碳過(guò)程中脫碳量與鋼水氮含量的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 鐵水中氮含量與脫碳量的關(guān)系

通過(guò)圖2 可以看出，鐵水中大多數(shù)[N]在碳氧反應(yīng)爆發(fā)期（集中在前中期）時(shí)隨著CO氣泡被迅速排出。隨著鋼水中氮含量的降低，脫氮速率也隨著下降，脫氮逐漸變的困難，即脫相同含量的氮所需CO 氣泡量增加。

2.3 氧氣純度對(duì)終點(diǎn)氮的影響分析

轉(zhuǎn)爐氧氣中含有少量的氮?dú)?，?guó)標(biāo)中w（O2）≥99.3%，日鋼內(nèi)控w（O2）≥99.6%，實(shí)際控制水平在99.85%～99.96%之間。氧氣中氮?dú)夂可?，?huì)導(dǎo)致爐內(nèi)氮?dú)夥謮篜N2升高，不利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)求解各個(gè)階段爐內(nèi)氣體含量，進(jìn)而求出氮?dú)夥謮?，利用華西特方程可分析氧氣中氮含量對(duì)鋼水氮含量的影響。

以轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w[C]為0.010%為前提，分析不同氧氣純度對(duì)終點(diǎn)平衡氮的影響，如圖3 所示?？梢缘贸?，氧氣純度對(duì)鋼水終點(diǎn)氮有較大的影響，氧氣純度每提高0.1%，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮w[N]可降低（3～5）×10-6左右。

圖3 氧氣純度對(duì)平衡氮的影響

2.4 終點(diǎn)碳含量對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響分析

鐵水中的氮大量在碳氧爆發(fā)期被快速去除，隨著冶煉的進(jìn)行，單位時(shí)間內(nèi)爐內(nèi)CO 氣泡生產(chǎn)減少，脫氮開始變得困難，而由氧槍帶入氮?dú)獾姆謮褐饾u升高（吹煉過(guò)程氧氣純度不變），所以冶煉終點(diǎn)脫氮速率小于增氮速率。

以氧氣純度99.9%為前提，分析終點(diǎn)碳對(duì)終點(diǎn)氮的影響，如圖4 所示。

圖4 終點(diǎn)碳含量對(duì)平衡氮的影響

隨著終點(diǎn)碳含量的降低，終點(diǎn)氮含量升高。尤其在高廢鋼比條件下，轉(zhuǎn)爐熱不平衡，為保出鋼溫度，轉(zhuǎn)爐過(guò)吹嚴(yán)重，導(dǎo)致終點(diǎn)碳低氮高現(xiàn)象。在點(diǎn)吹情況下，由于爐內(nèi)CO 分壓降低，爐口微正壓不能保證，點(diǎn)吹時(shí)容易帶入空氣進(jìn)行轉(zhuǎn)爐，爐內(nèi)氮?dú)夥謮寒惓?，終點(diǎn)氮控不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）鐵水氮在碳氧反應(yīng)區(qū)被快速去除，對(duì)終點(diǎn)鋼水氮含量無(wú)較大影響。

2）隨著鋼水[N]含量的降低，脫氮變的困難；鋼水氮w[N]由100×10-6降低至20×10-6需消耗0.35%的碳，由20×10-6降低至10×10-6，需消耗0.78%的碳。

3）在終點(diǎn)碳含量相同的條件下，氧氣純度對(duì)終點(diǎn)氮的影響較大；氧氣純度提高0.1%，終點(diǎn)氮含量w[N]降低3×10-6～5×10-6。

4）在氧氣純度相同的條件下，隨著終點(diǎn)碳含量的降低，終點(diǎn)氮升高；終點(diǎn)碳w[C]降低0.01%，終點(diǎn)氮w[N]升高1×10-6～4×10-6。