降低钢中氮含量的措施

【摘要】2 钢中氮行为的分析 2.1三钢冶炼生产工艺流程及要求 铁水铁水预处理顶底复吹转炉LF精炼炉R10m连铸机。 在炼钢生产过程中，不可避免的会在一些工艺环节上增加钢中的含氮量，为了尽可...

[摘要] 分析了钢液中氮的行为，采用强化碳氧反应，优化脱氧合金化，LF的精炼埋弧工艺，连铸采用全过程保护浇铸等综合控制手段，钢材中的氮含量控制在60ppm以内。

[关键词] 钢液 氮 保护浇铸

1 前言

福建省三明钢铁（集团）有限责任公司（以下简称“三钢”）使用100吨转炉―LF精炼炉―10m弧的连铸机生产工艺流程，在开发生产优质的硬线钢和金属制品用钢时，优化复吹模式，采用大流量底吹Ar形成强烈的气流场；LF采用大渣量埋弧操作并缩短加热时间；连铸采用保护浇铸，防止钢液在浇铸过程中吸入氮的技术方式，得到的钢种成品，钢的纯净度和质量均符合国标要求，其氮含量可控制在60ppm以内。

在开发优质硬线钢和金属制品用钢过程中，发现氮在钢中的存在会大大降低钢材的塑性和韧性，对钢种的力学性能和内在质量产生不利的影响。针对氮在钢中的行为，经过细致的研究和摸索，开发出了低氮冶炼模式：即通过控制原材料和合金的质量，生产中减少各个工序氮的吸入，大大降低了成品中的氮含量，生产出了合格的钢材，也探索出了适合本公司生产工艺流程控制钢中含氮的方法。

2 钢中氮行为的分析

2.1三钢冶炼生产工艺流程及要求

铁水铁水预处理顶底复吹转炉LF精炼炉R10m连铸机。

在炼钢生产过程中，不可避免的会在一些工艺环节上增加钢中的含氮量，为了尽可能地降低钢中氮，必须研究生产中钢液增氮的机理，探索控制钢中氮的工艺模式。

2.2 氮在钢液中的溶解度

氮在钢中的溶解度符合Sieverts定律，即:

………………………（1）

公式中：[%N]：钢液中氮的重量百分浓度；KN：氮溶解的平衡常数；fN：钢液中氮的活度系数； ：钢液中元素X对氮的相互作用系数； ：钢液中元素X对氮的二阶相互作用系数； ：氮气分压。

2.3 合金元素对氮含量的影响

钢中主要合金元素为碳、硅、锰。氮在钢液中的溶解度与其元素有关和温度有关，其关系为：

……（2）[1]

从式（2）可以看出，氮在钢中的溶解，随着温度的升高而增加。合金C、Si含量越高氮含量降低，而锰含量高则氮含量也高。从我厂生产实践中可以看出低碳系列钢种和硬线钢种比较，低碳低硅含氮量偏高。

2.4 工序中氮含量情况

三钢顶底复吹转炉没有采用低氮冶炼模式时，出钢氮含量不稳定，一般在40ppm左右，如表1所示。在脱氧合金化过程采用铝脱氧，容易使得合金化的钢液再次吸入氮。钢水经过LF精炼后上连铸浇铸，连铸采用全流程保护浇铸，浇铸成钢坯。从表1可看出铸坯中氮含量偏高。

3 各个工序增氮原因分析及措施

3.1 炉生产对增氮的影响和措施

钢液在顶底复吹转炉中吹炼，因在炉内存在大量的表面活性元素氧，使得钢液吸氮能力降低，由于氧和FeO在钢液表而富集。减少气液反应界面降低钢液吸氮速度（见图1，图2）。当倒炉时钢液在高温下与空气接触，会使钢液表面增大，此时钢液中氮含量低，容易吸收空气中的氮，从而增加钢中N含量。而且钢液温度高，钢液与氮反应速度加快也容易吸收空气中的氮。因为氧枪下枪补吹形成空气气流绕流于悬浮液滴的周围，若有补吹时也会使钢液增氮。图1 股流形成的驻点流动示意图

图2 钢中氧含量和盘条中氮含量关系

由图3可见钢水多次补吹后，钢水中O含量增加，成品材中N含量也更高。另外在出钢钢流不圆整时，容易增大钢水与空气的接触面积，增加反应界面面积。钢液中氧氮含量增加。

图3 钢中氧含量和钢液表面氧活度关系

转炉出钢合金化过程也是增氮环节，工艺要求一般在出钢三分之一时加入钢芯铝进行脱氧合金化，因此造成在钢包内三分之一的钢水铝含量较高，在出钢温度下铝含量高的钢液氧含量又低，缺少了表面活性元素氧的钢液在钢流的搅拌下容易和氮结合。图4为钢液中铝含量对熔渣脱氮的影响，图3所示钢中氧含量到一定值时，钢液的表面活度增加减缓，可以看到铝含量低时钢中氧含量高可以减缓增N。式(3)为铝和氮生成的反应式，式(4)为形成氮化物的平衡反应常数：

[Al]+[N]==AlN固 (3)

1600℃时的K值为40.46，形成氮化物的平衡常数式ΔZ

logK=64360+27.0T(4)

转炉采用特殊的底吹工艺和脱碳工艺可以降低出钢钢液中氮含量。采用Si、Mn脱氧。采用合适的精炼渣和大包保护渣，合适的结晶器保护渣，能有效的降低钢液吸氮。

3.2 碳粉、铁合金等对增氮的影响

一般在冶炼品种钢时，总要在出钢时或在LF炉增碳，而普通含碳材料的氮含量都比较高，通常在5000～10000ppm ，用这种增碳剂增碳0.30 %时，钢中氮含量增加约15ppm。因此，在制定生产工艺时，增碳剂的氮含量是一个重要数据，在冶炼低氮钢时，应尽量选用含氮量低的增碳剂。铁合金的加入对钢中氮含量的影响不是很大，但一些含氮高的合金的加入有可能会增加1～3ppm的氮。表2列出了部分常用铁合金的氮含量。

图4 Ar后Als与盘条N的关系

3.3 精炼环节增氮

精炼增N的主要因素有以下几点，从转炉过来的钢液进入精炼炉，在加热工序进行送电加热，如（2）式所示，氮的溶解度随着温度增加而增加，因此在加热工序必须减少二次升温造成温度过高而使得氮在钢液中溶解过多。

在送电过程增N，加热起弧时，电弧在高温下将分解空气中的N2，形成氮离子，氮离子在电流的作用下直接进入钢水中，在前期送电过程中炉渣埋弧不好容易增N。

喂线过程中的增N，钙气化形成的钙气泡将钢液面吹开，造成的钢水与空气接触从而吸N，钙是活泼的金属，容易和空气中的氮氧发生化合反应形成化合物，所以喂钙线时也会使钢液增N。若钢液在低氧情况下，喂钙线过程中的增N就更严重。软吹过程也是增N过程，正常软吹不破渣面，在一定渣层厚度下不容易增氮，但是加大软吹强度来降温，使钢水在空气中，空气的氮与钢液反应生成氮化物容易吸氮。

3.4 连铸环节增氮

连铸增N的主要因素有：大包滑动水口下滑板与保护套管之间的连接处的密封容易因操作和受热变形，而密封效果不好造成增N；中包覆盖剂的选择也是的另外一个增N的原因，若覆盖剂质量不好在使用中结壳，钢水冲击区因钢水翻滚而造成的也造成中间包增N。结晶器保护渣黏度和熔点与浇铸的钢种不匹配，也容易造成空气中的氮进入结晶器内的钢液中。大包不自开时，操作人员用吹氧管吹烧大包下水口，在吹烧过程中空气中的氮进入钢液引起钢包增N。

4 实际生产中控制增N的措施

经过上述分析，结合生产工艺和三钢生产实际情况，我们采取了一些控制增氮的措施。

铁水预处理脱硫站工序，采用优质原料减少

脱硫时间，降低原料带来的水分及可能的增N。从工艺起始控制生产中增氮的影响。

转炉采用低氮冶炼模式，通过提高转炉一倒命中率与终点C-T命中率，减少补吹次数与钢水过氧化。提高进入LF炉温度，减少钢水在精炼炉的升温。维护好出钢口，保证出钢口的圆整，控制Ar后Als，防止Als过高，防止出钢过程的增N。

精炼炉提高操作水平，减少送电次数，埋弧加热，缩短精炼加热时间。控制精炼过程的氩气流量，避免钢水的大面积，减少精炼过程的增N。控制好喂线时和软吹时的氩气强度，避免钢水翻滚吸N。

改善大包到中包的保护浇铸方式，提高操作水平，确保长水口水口碗的残钢清除干净。采用新型垫圈提高保护浇注的密封性。或采用整体中包和质量有保证的整体长水口，减少或避免换长水口时对钢液造成的不良影响。提高钢包的自开率。

根据不同钢种选用组分合适的大包覆盖剂和结晶器渣，防止钢液暴露在空气中从而减少钢液的吸氮。

5 改进后的各个工序氮含量情况

改进后的各个工序氮含量情况如表3。

表3 改进后各个工序氮含量情况

改进后 出钢后 吹氩后 进LF LF 出LF 中包 坯样 钢材

Ppm 32.733.4 34.6 40.2 46.8 52.6 55.5 53.6

经过对炼钢各个工序氮含量的控制，出钢过程降低N约10ppm，连铸时降低氮13ppm。采用上述措施钢材中的氮可以控制在60ppm以内，取得了良好的控制增N效果。

6 结论

6.1 控制入炉原材料中的氮含量，采用精料方针提高钢液的纯净度。

6.2 转炉采用大流量底吹Ar模式，熔池形成剧烈的碳氧反应可以降低钢液中氮含量。

6.3 LF精炼炉采用埋弧泡沫渣，并缩短加热时间，减少钢液的吸氮。

6.4 连铸采用全过程保护浇铸，减少了钢液对氮的吸收。

炼钢中氮含量的控制是一个系统工程，通过综合控制入炉原料，转炉、精炼冶炼采用低氮生产模式，以及连铸低氮操作模式，可以使得转炉出钢氮含量下降10～15ppm。连铸坯氮的总含量控制在60～65ppm左右，成品材氮含量控制在50～65ppm以内。最终可为用户提供塑性优良的优质硬线和金属制品材产品。

参考文献

[1] 傅杰.钢冶金动力学[M]. 北京：冶金工业出版社，2001.

[2] 刘浏, 曾家庆. 纯净钢及其生产工艺的发展[J]. 钢铁, 2000, 35(3)：68.

[3] 吴红文, 董光欣. 容器钢氮含量的控制[J]. 冶金丛刊, 2006, 14(3).

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文