轉(zhuǎn)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(duì)150噸轉(zhuǎn)爐冶煉過程取樣分析，發(fā)現(xiàn)在吹煉前、中期，隨著C-O反應(yīng)速度的提高，脫氮速度也提高，吹煉后期隨C-O反應(yīng)速度減弱，脫氮速度也減弱，后期隨補(bǔ)吹次數(shù)和時(shí)間增加，脫氮速度呈負(fù)增長，鋼液吸氮嚴(yán)重。因此，提高C-O反應(yīng)速度和縮短吹煉時(shí)間，減少補(bǔ)吹次數(shù)和時(shí)間，

1 前言

鋼中氮含量對(duì)鋼的機(jī)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(shí)效、降低鋼材的冷加工性能、造成焊接熱影響區(qū)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(guān)心的問題，目前低氮鋼多采用轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)，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(dá)350多種，其中95%以上的鋼種對(duì)氮含量都有嚴(yán)格要求，甚至部分鋼種要求[N]≤0.0045%，這對(duì)冶煉過程氮含量控制提出了更高更苛刻的要求，轉(zhuǎn)爐作為冶煉的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，氮含量控制和過程工藝優(yōu)化顯得尤為重要。本文通過試驗(yàn)分析轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝對(duì)鋼液氮含量變化情況，提出工藝改進(jìn)的關(guān)鍵措施，以達(dá)到市場(chǎng)和客戶的要求，特別是滿足高級(jí)別管線鋼和特殊容器鋼對(duì)氮含量的要求。

2 轉(zhuǎn)爐吹煉過程氮含量情況

通過對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉過程鋼水取樣分析，南鋼150t復(fù)吹轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)鋼液w[N]在20PPm～42PPm,平均為28 PPm, 脫氮速度為-1 PPm/min；對(duì)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(dǎo)致鋼液C-O反應(yīng)速度減弱，鋼液吸氮。

圖1 南鋼150t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉過程鋼液氮含量變化

3 轉(zhuǎn)爐冶煉氮含量變化的分析

3.1 吹煉時(shí)間對(duì)鋼液氮含量的影響

研究吹煉過程鋼液w[N]變化中發(fā)現(xiàn)鋼液吹煉（吹氧）時(shí)間越長，鋼液吹煉后期吸氮量越嚴(yán)重。試驗(yàn)選取10爐吹煉過程樣分析，轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間對(duì)鋼液平均氮含量影響如圖2所示。吹氧時(shí)間為18min,鐵水w[N]為62 PPm；吹煉5min時(shí)下降到41 PPm，脫氮速度為4.2 PPm/min；吹煉12min時(shí)進(jìn)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(shí)上升到30PPm，脫氮速度為-1 PPm/min；吹煉18min（終點(diǎn)）時(shí)上升到35 PPm，脫氮速度為-2.5 PPm/min。

圖2 吹煉時(shí)間對(duì)鋼液w[N]影響

從吹煉時(shí)間對(duì)鋼液w[N]影響明顯的看出，吹煉12min時(shí)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(shí)間長4min,吹煉后期脫碳速度負(fù)增長（-1 PPm/min～-2.5 PPm/min），所以吸氮很嚴(yán)重�？s短吹煉（吹氧）時(shí)間也是降低終點(diǎn)鋼液氮含量的重要手段。

3.2 C-O反應(yīng)速度對(duì)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(shí)間為18min, 3711爐爐吹煉時(shí)間為15min。鐵水w[C]在4.67%～5.4%,平均為4.96%；吹煉5min時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)時(shí)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(fù)增長。

下面以3709爐和3711爐為例，對(duì)比吹煉過程脫碳速度及利用圖。

分析C-O反應(yīng)速度對(duì)吹煉過程w[N]的影響如圖4所示。

圖4  C-O反應(yīng)速度對(duì)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(shí)鋼液w[C]為3.23%，脫碳速度為0.434%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為4.2 PPm/min；吹煉12min時(shí)鋼液w[C]為0.82%，脫碳速度為0.344%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為2.14 PPm/min；吹煉16min時(shí)鋼液w[C]為0.030%，脫碳速度為0.198%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為-3.5 PPm/min；吹煉18min（吹煉終點(diǎn)）時(shí)鋼液w[C]為0.05%，脫碳速度為-0.01%/min，相對(duì)應(yīng)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(shí)鋼液w[C]為3.04%，脫碳速度為0.326%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為4.0 PPm/min；吹煉12min時(shí)鋼液w[C]為0.44%，脫碳速度為0.371%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為1.57 PPm/min；吹煉15min（吹煉終點(diǎn)）時(shí)鋼液w[C]為0.05%，脫碳速度為0.13%/min，相對(duì)應(yīng)的脫氮速度為-2.0 PPm/min。脫氮率為43.86%。

分析脫碳速度對(duì)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(yīng)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(yīng)速度減弱，脫氮速度也減弱，脫氮量＜吸氮量此時(shí)吹氧時(shí)間越長，脫氮速度負(fù)增長鋼液吸氮嚴(yán)重，鋼液增氮。提高C-O反應(yīng)速度和縮短吹煉時(shí)間，可以提高脫氮速度，降低鋼液氮含量。

3.3 補(bǔ)吹對(duì)轉(zhuǎn)爐脫氮的影響

轉(zhuǎn)爐吹煉后期補(bǔ)吹對(duì)鋼液氮含量的影響，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)爐補(bǔ)吹對(duì)鋼液氮含量的影響

3861爐～3864爐吹煉后期都進(jìn)行補(bǔ)吹（平均2min），使鋼液氮含量明顯增高。補(bǔ)吹結(jié)束后，4爐鋼水依次增氮10ppm，2ppm，22ppm，16ppm，增氮較嚴(yán)重。這是因?yàn)閺?fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉接近終點(diǎn)時(shí)，使用副槍進(jìn)行測(cè)溫、取樣，一旦磷、硫含量超標(biāo)或溫度達(dá)不到所煉鋼種要求，需要補(bǔ)吹來解決上述問題，此時(shí)熔池碳含量已很低，如圖6補(bǔ)吹對(duì)終點(diǎn)鋼液w[C]的影響，3863爐吹煉終點(diǎn)w[C]為0.037%，補(bǔ)吹一次下降到0.024%，補(bǔ)吹兩次下降到0.018%。

圖6 補(bǔ)吹對(duì)終點(diǎn)鋼液w[C]的影響

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

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

4 小結(jié)

通過對(duì)南鋼150t轉(zhuǎn)爐冶煉過程氮含量分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）鐵水平均氮含量為57 PPm，吹煉5min時(shí)鋼液平均氮含量為35 PPm，吹煉12min時(shí)鋼液平均氮含量為24 PPm, 吹煉12min后略微增氮，吹煉終點(diǎn)時(shí)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(yīng)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(yīng)速度減弱，脫氮速度也減弱，脫氮量＜吸氮量此時(shí)吹氧時(shí)間越長，脫氮速度負(fù)增長，鋼液吸氮嚴(yán)重，鋼液增氮。

（3）補(bǔ)吹次數(shù)越多，出鋼氮含量越高。一次拉碳出鋼，終點(diǎn)氮含量可基本保持在＜30ppm的水平。補(bǔ)吹可加入鐵皮、輕燒白云石等使?fàn)t內(nèi)爐渣發(fā)泡，避免或減小鋼液裸露，有助于降低補(bǔ)吹增氮量。

參考文獻(xiàn)

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