復吹轉爐冶煉冷軋料系列鋼中氮含量的控制

田寶生    李興才    武獻民    霍立橋

（德龍鋼鐵有限公司，河北邢臺）

摘  要：通過分析氮對冷軋料綜合負面影響及鋼液增氮機理，明確限制性環節和關鍵性控制要素，進而提出并采取針對性、系統性有效措施，保障鋼中[N]≤35×10^-6。

關鍵詞：120tLD-CC流程；冷軋料；氮含量控制

Abstract: By analyzing the comprehensive negative effect of nitrogen on cold rolling stock and the mechanism of nitrogen increase in molten steel, the restrictive links and key control factors are defined, and then targeted, systematic and effective measures are put forward to ensure that [N] in steel is less than 35 *10-6.

Key words: 120 tLD-CC process; cold rolling; nitrogen content control

鋼中氮含量高時，隨著時間的延長氮會在α-Fe中逐漸以微細彌散的Fe4N質點析出，導致鋼的時效性、屈服點延伸和蘭脆, 降低鋼的韌性和塑性，降低鋼的冷加工性能，惡化鋼的沖擊韌性、深沖性能等；與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜物,不利于鋼的冷熱變形加工，過高時甚至會導致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡。因此 ,必須采取有效措施降低鋼中氮含量。優質鋼一般要求[N]≤60×10-6，SPHC鋼要求[N]≤35×10-6，IF鋼冷軋板要求[N]≤25×10-6，對于含硼鋼，控制[N]＜20×10-6可獲得較好的強度和低溫韌性。德龍鋼鐵有限公司（以下簡稱德龍）品種結構以冷軋料（熱軋卷板）為主（占比85%以上，DC03、加硼SPHC、Q195L等），執行轉爐鋼渣洗直上工藝，鋼水氮含量波動幅度大（16×10-6～55×10-6），工序能力不足（Cpk＜1.0），難以穩定控制。經高頻率、大樣本容量抽檢，連鑄工序（保護澆注）平均增氮量＜4×10－6 ，不是增氮的主要原因，重點討論復吹轉爐鋼的增氮量控制。

1 鋼液增氮機理

1.1鋼液吸氮的熱力學行為

氮在鋼中的溶解時伴隨著雙原子分子的解離過程，是吸熱反應，服從西華特定律。

根據動力學機制:(1)鋼液中的氮通過鋼液邊界層擴散到CO氣泡表面;(2)在氣泡/鋼液界面上發生化學反應;(3)反應生成的氮分子擴散到氣泡內部，并隨之上浮排出。

冶煉后期，碳氧反應減弱，脫碳速度降低，脫氮量減少，非碳氧區，鋼液與氮接觸，會導致鋼液增氮。因此，在吹煉中期末，轉爐復吹的氮氬開始切換時間與供氣強度的優化設置尤為關鍵。

2 影響因素與控制措施

2.1氧氣純度

要求氧氣純度≥99.5%，在氧氣主管道上加裝在線氧氣純度檢驗儀隨機監控，防止氧氣純度不達標或氮氧互竄。

2.2入爐鐵水比

提高入爐鐵水比相當于提高了鐵水中的碳含量,加劇碳氧反應和增加CO的生成量 ,對吹煉中前期脫氮有利。在吹煉終點碳含量相同的條件下,入爐鐵水比越高氮含量越低。

2.3吹煉終點爐內外壓差

轉爐吹煉末期開始 ,CO 生成量降低 ,爐內壓力可能小于爐外壓力。特別是在吹煉終點 ,由于氧槍提槍的操作會引起空氣卷入, 導致鋼水增氮。在吹煉結束時關閉供氧末端閥門 ,當氧槍中殘留氧氣完全吐出即壓力表值為零時提槍至待吹位，使爐內壓力大于爐外壓力, 避免提槍過程中導致的增氮。

2.4爐渣流動性

綜合濺渣護爐與鋼水純凈度需要，控制（FeO）10%～14%之間。另外吹煉末期造泡沫渣能夠阻斷鋼水與空氣的接觸,防止增氮。當吹煉至w(C)<0.3%時容易發生增氮, 因此有必要在 w(C)>0.3%時造泡沫渣。在吹煉至 w(C)≈0.5%時添加氧化鐵皮2kg/t或者礦粉1～3 kg/t或在吹煉至80 %時添加 CaCO3使泡沫渣高度控制在爐口和出鋼口之間,從而達到阻斷鋼水與大氣接觸的作用。

2.5 吹煉終點碳含量

終點氮含量隨轉爐終點碳含量的升高呈明顯下降趨勢。這是因為轉爐冶煉過程中，鋼液脫氮主要是依靠C-O反應生成的CO氣泡將氮攜帶出鋼液。吹煉開始，氧氣射流沖擊鋼液面形成的火點（凹坑）是主要的反應區，熔池中硅先氧化，碳氧反應還未開始，脫氮速率很小。隨著吹煉的進行，火點區溫度升高，鋼液中碳氧反應增強，熔池產生大量CO氣泡將鋼液中的氮脫除。在火點區溫度下，鋼液中氧、硫對脫氮的影響完全可以忽略，火點區雖然存在吸氮現象，但由于碳反應生成的CO量多，其壓力大于外界空氣壓力，使空氣難以與鋼液接觸，脫氮量大于吸氮量，脫氮速度迅速增大，到某一時刻達到最大值。隨著碳氧反應強度的降低，生成的CO量減少，外部空氣壓力大于CO壓力，這時空氣就有可能與火點區的鋼液接觸，造成鋼液的吸氮，脫氮速度逐漸降低，在某時刻脫氮速度變為負數，意味著此時鋼液內脫氮變為增氮。所以在滿足工藝成分要求的前提下采取吹煉終點高拉碳工藝有助于控制增氮量。

2.6 轉爐一倒C-T雙命中率

后吹時氧氣射流將轉爐內熔渣吹開，點火區鋼液面裸露，造成點火區鋼液的吸氮速度大于CO氣泡的脫氮速度，鋼液在點火區從氣相中吸氮從而造成鋼水增氮。補吹時間越長、次數越多，增氮量越大，通常增氮 5×10-6 ～20×10-6 。

2.7 脫氧順序

出鋼時氮由氣-液界面向液相傳質是鋼液增氮的限制行環節。鋼液表面活性元素（如氧、硫等）占據氣-液界面上可吸附氮的空位，阻礙氮分子形成，可阻止空氣中的氮氣向鋼液中溶解擴散，減少鋼水二次氧化和吸氮的幾率。通過建立爐后小平臺鋼水氧活度與出鋼過程增氮量對應關系，根據下降趨勢找出氧活度的臨界值（一般≥50×10-6），采取先合金化后脫氧的工藝操作，穩定控制鋼水增氮量。

2.8出鋼控流

出鋼過程的吸氮主要包括以下幾方面：出鋼時候出鋼口形狀不好，造成出鋼散流，使得鋼液與空氣的接觸面積增加，增大了鋼液吸氮的反應面積，造成吸氮一般增氮 3×10 -6～8×10-6 。出鋼時需做到規圓、不散流，控制出鋼時間3min～6min；出鋼過程伴隨著鋼液的脫氧，鋼液中氧含量的降低，會造成反應界面上的表面活性元素的濃度降低，增加了鋼液吸氮的速率，同時由于出鋼過程鋼液與空氣直接接觸，加大了反應界面，也會造成鋼液的吸氮。

2.9出鋼時鋼包底吹氬流量

吹氬攪拌起到強化鋼水流動、均勻成分和溫度、去除夾雜物的作用，但過大的吹氬量會造成鋼液大面積的裸露，無形中使鋼水液面與大氣接觸面積增加，造成鋼液自發吸氮，尤其是爐后強脫氧鋼水，吸氮更為敏感，一般增氮 2×10-6～6×10-6 。

2.10其他操作

（1）轉爐內有鋼水且轉爐在零位時用氮氣吹掃煙道或進行泡沫渣吹掃壓渣會造成鋼水增氮。

（2）在吹煉末期大幅度竄槍或底吹供氣強度太大，會造成鋼水大翻，使鋼水增氮。

3 冶金效果分析

通過工藝調整，在冶煉冷軋料的生產中，轉爐出鋼的[N]平均為 0.0018%，鋼包的[N]平均為0.0022%，最大不超過0.0025%，轉爐出鋼過程平均增氮 0.0007%，鋼中[N]得以有效控制，冷軋料質量水平得到可靠保證（熱軋卷板成品氮含量Cpk為1.29）。

4 結論

（1）保證氧氣純度≥99.5%。

（2）在條件允許的前提下，適當提高入爐鐵水比，提高整體碳含量，在吹煉前期盡可能多地利用劇烈碳氧反應和CO氣泡帶出鋼中氮。

（3）保持吹煉終點爐內正壓。轉爐吹煉在接近終點時，脫碳反應已明顯減弱，鋼液容易吸氮。此時應降低氧槍槍位，加強熔池攪拌（≮40s），容易得到較低的鋼水氮含量。保證底吹效果，充分利用吹煉末期氮氬切換技術降低鋼中氮含量。

（4）控制終渣（FeO）10%～14%，避免返干。

（5）盡可能采取吹煉終點高拉碳工藝，提高終點碳溫一次命中率，杜絕后吹、補吹，降低終點鋼中［O］，避免增氮。

（6）在脫氧合金化過程中，脫氧劑采用先弱后強的加入方式。

（7）根據出鋼口大小適當調整裝入量，合理控制出鋼時間。圓流出鋼，同時控制鋼包底吹氬流量和時間，杜絕暴吹、大面積裸吹等現象。

參考文獻

[1] 張泊汀，姚錫．頂底復合吹煉中氮的行為［J］．鋼鐵，1988，23(12):17．

[2] 田志國. 轉爐出鋼過程中增氮的影響因素分析［C］.“第十屆中國鋼鐵年會”暨“第六屆寶鋼學術年會”論文集, 2015.

[3] 李田茂,倪勤盛,劉賀華等.鋼水氮含量影響因素及控制措施［J］.鞍鋼技術, 2015（3）.

[4] 李偉東，孫群，林洋.IF 鋼氮含量控制技術研究［J］.鋼鐵，2010（7）：31-32.

[5] 李京社.低氮鋼生產技術研究 [A].第十三屆全國煉鋼學術會議 [C], 2004.