轉爐冶煉鋼水氮含量淺析

任廣亮

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京，210035）

摘  要：本文通過對150噸轉爐冶煉過程取樣分析，發現在吹煉前、中期，隨著C-O反應速度的提高，脫氮速度也提高，吹煉后期隨C-O反應速度減弱，脫氮速度也減弱，后期隨補吹次數和時間增加，脫氮速度呈負增長，鋼液吸氮嚴重。因此，提高C-O反應速度和縮短吹煉時間，減少補吹次數和時間，

1 前言

鋼中氮含量對鋼的機械性能影響較大，隨著鋼中氮含量的增加，鋼的塑性下降，延展性降低；氮還可加重鋼材的時效、降低鋼材的冷加工性能、造成焊接熱影響區脆化、使鑄坯開裂及引起晶間腐蝕，氮成為鋼中的有害元素之一^[1]-[2]。如何降低鋼水氮含量一直都是冶金工作者普遍關心的問題，目前低氮鋼多采用轉爐流程生產，鋼中氮含量可控制在20～40ppm。

目前，南鋼中厚板卷廠冶煉鋼種達350多種，其中95%以上的鋼種對氮含量都有嚴格要求，甚至部分鋼種要求[N]≤0.0045%，這對冶煉過程氮含量控制提出了更高更苛刻的要求，轉爐作為冶煉的一個重要環節，氮含量控制和過程工藝優化顯得尤為重要。本文通過試驗分析轉爐冶煉過程工藝對鋼液氮含量變化情況，提出工藝改進的關鍵措施，以達到市場和客戶的要求，特別是滿足高級別管線鋼和特殊容器鋼對氮含量的要求。

2 轉爐吹煉過程氮含量情況

通過對轉爐吹煉過程鋼水取樣分析，南鋼150t復吹轉爐冶煉過程鋼液氮含量變化如圖1所示。由圖1中可以看出，鐵水w[N]在42PPm～64PPm,平均為57 PPm；吹煉5min時鋼液w[N]在28PPm～41PPm,平均為35 PPm，脫氮速度為4.4 PPm/min；吹煉12min時鋼液w[N]在11PPm～31PPm,平均為24 PPm, 脫氮速度為1.57 PPm/min；吹煉16min時鋼液w[N]在20PPm～42PPm,平均為28 PPm, 脫氮速度為-1 PPm/min；對比吹煉過程鋼液w[N]的變化得出，吹煉前期、中期鋼液脫氮，到了吹煉后期（吹煉12min后）隨著鋼液碳含量的降低導致鋼液C-O反應速度減弱，鋼液吸氮。

圖1 南鋼150t復吹轉爐吹煉過程鋼液氮含量變化

3 轉爐冶煉氮含量變化的分析

3.1 吹煉時間對鋼液氮含量的影響

研究吹煉過程鋼液w[N]變化中發現鋼液吹煉（吹氧）時間越長，鋼液吹煉后期吸氮量越嚴重。試驗選取10爐吹煉過程樣分析，轉爐吹煉時間對鋼液平均氮含量影響如圖2所示。吹氧時間為18min,鐵水w[N]為62 PPm；吹煉5min時下降到41 PPm，脫氮速度為4.2 PPm/min；吹煉12min時進一步下降到26 PPm，脫氮速度為2.14 PPm/min；吹煉12min后開始吸氮，吹煉16min時上升到30PPm，脫氮速度為-1 PPm/min；吹煉18min（終點）時上升到35 PPm，脫氮速度為-2.5 PPm/min。

圖2 吹煉時間對鋼液w[N]影響

從吹煉時間對鋼液w[N]影響明顯的看出，吹煉12min時的脫氮量及脫碳速度基本相似，鐵水中總氮量的一半被去除，但是吹煉12min后，吹煉時間長4min,吹煉后期脫碳速度負增長（-1 PPm/min～-2.5 PPm/min），所以吸氮很嚴重。縮短吹煉（吹氧）時間也是降低終點鋼液氮含量的重要手段。

3.2 C-O反應速度對鋼液氮含量的影響

3709、3710、3711三爐鋼吹煉過程鋼液w[C]變化如圖3所示。

圖3 吹煉過程鋼液w[C]變化

由圖3可以看出， 3709、3710兩爐吹煉時間為18min, 3711爐爐吹煉時間為15min。鐵水w[C]在4.67%～5.4%,平均為4.96%；吹煉5min時鋼液w[C]在3.04%～3.23%,平均為3.14%，脫碳速度為0.364%/min；吹煉12min時鋼液w[C]在0.44%～0.82%,平均為0.63%，脫碳速度為0.359%/min；吹煉16min時鋼液w[C]在0.030%～0.039%,平均為0.0345%，脫碳速度為0.457%/min；吹煉終點時鋼液w[C]在0.05%～0.06%,平均為0.055%，脫碳速度為-0.01%/min。開始吹煉至吹煉12min脫碳速度快，吹煉12min后隨著鋼液碳含量的降低脫碳速度緩慢，吹煉16min后脫碳速度負增長。

下面以3709爐和3711爐為例，對比吹煉過程脫碳速度及利用圖。

分析C-O反應速度對吹煉過程w[N]的影響如圖4所示。

圖4  C-O反應速度對吹煉過程w[N]的影響

由圖4可以看出，3709爐吹煉開始鋼液w[C]為5.4%，吹煉5min時鋼液w[C]為3.23%，脫碳速度為0.434%/min，相對應的脫氮速度為4.2 PPm/min；吹煉12min時鋼液w[C]為0.82%，脫碳速度為0.344%/min，相對應的脫氮速度為2.14 PPm/min；吹煉16min時鋼液w[C]為0.030%，脫碳速度為0.198%/min，相對應的脫氮速度為-3.5 PPm/min；吹煉18min（吹煉終點）時鋼液w[C]為0.05%，脫碳速度為-0.01%/min，相對應的脫氮速度為-5 PPm/min，脫氮率為20%。

3911爐吹煉開始鋼液w[C]為4.67%，吹煉5min時鋼液w[C]為3.04%，脫碳速度為0.326%/min，相對應的脫氮速度為4.0 PPm/min；吹煉12min時鋼液w[C]為0.44%，脫碳速度為0.371%/min，相對應的脫氮速度為1.57 PPm/min；吹煉15min（吹煉終點）時鋼液w[C]為0.05%，脫碳速度為0.13%/min，相對應的脫氮速度為-2.0 PPm/min。脫氮率為43.86%。

分析脫碳速度對吹煉過程w[N]的影響得出：在吹煉前、中期（吹煉12min以前）,隨著C-O反應速度的提高，脫氮速度也提高，脫氮量＞吸氮量，鋼液中氮含量迅速下降，鐵水中總氮含量的一半被去除；吹煉后期（吹煉12min以后）隨著鋼液碳含量的降低，C-O反應速度減弱，脫氮速度也減弱，脫氮量＜吸氮量此時吹氧時間越長，脫氮速度負增長鋼液吸氮嚴重，鋼液增氮。提高C-O反應速度和縮短吹煉時間，可以提高脫氮速度，降低鋼液氮含量。

3.3 補吹對轉爐脫氮的影響

轉爐吹煉后期補吹對鋼液氮含量的影響，如圖5所示。

圖5 轉爐補吹對鋼液氮含量的影響

3861爐～3864爐吹煉后期都進行補吹（平均2min），使鋼液氮含量明顯增高。補吹結束后，4爐鋼水依次增氮10ppm，2ppm，22ppm，16ppm，增氮較嚴重。這是因為復吹轉爐吹煉接近終點時，使用副槍進行測溫、取樣，一旦磷、硫含量超標或溫度達不到所煉鋼種要求，需要補吹來解決上述問題，此時熔池碳含量已很低，如圖6補吹對終點鋼液w[C]的影響，3863爐吹煉終點w[C]為0.037%，補吹一次下降到0.024%，補吹兩次下降到0.018%。

圖6 補吹對終點鋼液w[C]的影響

這么低的w[C]條件下，繼續吹氧，大部分用來氧化鋼液中的[Fe]。根據Fe-C的選擇氧化^[3]，1600℃鋼液中Fe-C的選擇氧化平衡點為[C]=0.041%，說明w[C]≤0.041%，氧優先與鋼液里的鐵反應，再與碳反應，造成鋼液收得率下降，渣中的w（FeO）升高，C-O反應很弱，導致CO氣泡產生量少，脫氮量很小，氧氣流沖開渣面，火點區鋼液面裸露，造成火點區鋼液的吸氮大于CO氣泡帶氮量，使鋼液中的氮升高。

故應避免補吹操作，提高一次拉碳率，終點氮含量可基本保持在<30ppm的水平，補吹1次氮含量最低增加8ppm，補吹2次鋼液氮含量最少增加16ppm，補吹次數越多，出鋼氮含量越高，補吹時,碳含量越低，鋼液中的氮含量越高。

4 小結

通過對南鋼150t轉爐冶煉過程氮含量分析研究，得出以下結論：

（1）鐵水平均氮含量為57 PPm，吹煉5min時鋼液平均氮含量為35 PPm，吹煉12min時鋼液平均氮含量為24 PPm, 吹煉12min后略微增氮，吹煉終點時鋼液平均氮含量為28 PPm。

（2）在吹煉前、中期（吹煉12min以前）,隨著C-O反應速度的提高，脫氮速度也提高，脫氮量＞吸氮量，鋼液中氮含量迅速下降，鐵水中總氮含量的一半被去除；吹煉后期隨著鋼液碳含量的降低，C-O反應速度減弱，脫氮速度也減弱，脫氮量＜吸氮量此時吹氧時間越長，脫氮速度負增長，鋼液吸氮嚴重，鋼液增氮。

（3）補吹次數越多，出鋼氮含量越高。一次拉碳出鋼，終點氮含量可基本保持在＜30ppm的水平。補吹可加入鐵皮、輕燒白云石等使爐內爐渣發泡，避免或減小鋼液裸露，有助于降低補吹增氮量。

參考文獻

[1] 陳家祥.鋼鐵冶金學(煉鋼部分) [M].北京:冶金工業出版社,1990, 91；

[2] 李晶,傅杰,迪林,等.溶解氧對鋼液吸氮影響的研究[ J].鋼鐵,2002, 37(4): 19~20、34；

[3] 黃希祜．鋼鐵冶金原理（第3版）[M]．北京：冶金工業出版社，2004：104~378；