复吹转炉钢水吸氮分析及工艺实践

复吹转炉 钢水吸氮分析及工艺 实践 李利刚 1,2 （ 料与 冶金工程 学 院 ; 提钒 炼钢厂） 摘 要： 对 复吹转炉 冶炼过程 吸 氮原因进行了分析，提出了 供氮强度 小于 t)供气模式， 供氮与吹氧时间比小于 70%以及 减少点吹次数 ， 减少高氮含量材料的使用量 ，出钢 合金化 前期造钢包渣， 行 V、 b 元素 合金化 等措施 。 采取措施后， 脱氧合金化后 钢水 氮含量 控制在 2510 6 以下 。 关键词： 复吹 转炉； 钢水；吸氮； 合金化； 引 言 氮主要以化合物形态存在于钢中，溶解状态 的氮很少。氮在钢中的作用是双重的，在一定条件下，氮被认为是一种重要的合金元素，常以合金或渗入的方法加入钢 中 以提高钢的硬度强度，耐磨性抗蚀性等， 如 铁路车辆用钢 。 氮 对大多数钢种是有害的，其 不利影响 有 以下几个方面：氮在晶界析出，钢质出现蓝脆；氮与钢中 合生成 化晶界强度，使钢的脆性区发生变化，铸坯表面易出现裂纹；降低钢的韧性、焊接性能、热应力区韧性，提高钢材脆性。 攀钢集团攀枝花钢钒有限公司（以下简称攀钢钒）大量生产低碳钢（如 ）和含 V、 高品质钢 种 ， 如 27于 钢种特性造成钢水在冶炼 及精炼 过程吸氮能力强 ，且 生产工艺 流程为 于 能力 差， 导致了 低氮 钢种 氮的控制集中在 复吹转炉冶炼工序 。 为此，攀钢钒对 复吹转炉 冶炼过程稳定控制钢水氮含量进行了工艺技术研究 ，结合大量生产实践， 形成 了复吹转炉冶炼低氮钢工艺控制技术 。 1 生产工艺 流程 及 转炉 设备 工艺流程 ： 复吹 转炉 连铸。 攀钢钒现有 顶底复吹转炉 5 座 ， 其主要参数见表 1。表 1 复吹转炉主要参数 转炉号 公称容量 /t 底部供气元件数 /个 底部供气强度 / (m3 复吹比 /% 控制手段 1#、 2#、 3# 120 4 90 经验控制 6#、 7# 120 6 95 采用副枪、炉气分析系统 2 钢种特性对 钢水 吸 氮 量分析 合金元素含量与 氮 溶解度关系 氮气在炉气中的分压力很高，大气中氮的分压力大体保持在 04 此容易溶解进入钢液中。氮在钢液中的溶解度公式见式（ 1） 1。合金元素对 氮在钢中含量的影响是由于合金元素的加入，改变了氮在钢中的活度 。由式（ 1）可见， C、 i、 P、 S、 存在可降低氮在钢中的溶解度，钢中这些元 素 含量越低，氮的溶解度越高 ，其中 C、 素影响最大，所以低碳钢 氮溶解度较高 。 其次， 由于 V、 元素 与氮的亲和力强， 形成氮化物和碳氮化物 。 在两个因素共同作用下，所以在生产含 V、 种时 ， 空气中的氮和原辅料中的氮均易进入钢液中 。 文献 2也认为，不同的钢种吸氮量不同，同样条件下，高碳钢比低碳钢吸氮少。主要是因为碳对氮的相互作用系数为正值，其含量增加，将提高钢中 N的活度系数，降低氮在钢中的溶解度。 攀 钢 技 术 11 T i A l N i V C r S P CN (1) 由式 (1)可得出攀钢 钒 代表钢种钢水中氮的溶解度，如表 2所示。由表 2可知，多数钢种含有 、 中氮的溶解度计算值远大于生产实际值，即实际生产中钢水中氮含量远未达到饱和，钢液吸氮的驱动力较大， 所以冶炼过程控制 增氮 难度较大 。 表 2 代表钢种成分特点及氮含量计算值 钢种名称 成分特点 计算氮溶解度 106 27 V、 硫、低氧 487 27 V、 硫、低氧 483 硫、低氧 477 管线钢系列（ 含 、 硫、低氧 404 汽车大梁钢（ 含 V、 硫、低氧 414 无缝气瓶钢（ 34 含 V、 硫、低氧 380 重轨钢系列（ 多数牌号含 V，低氧 350 钢水氧含量与氮溶解度关系 文献 3研究认为： 溶解氧低于 2010 6 的脱氧钢液在底吹氮条件下，钢液吸氮明显。 所以 在精炼及连铸过程要避免钢液与大气接触，以减少增氮。 溶 解氧大于 20010 6 以上的不脱氧钢液在底吹氮气条件下，钢液中的氮基本不发生变化。 文献4也认为，当钢水氧活度在 20010 6 以上时钢水基本不吸氮，但脱氧良好的钢水裸露时吸氮严重。 3 复吹 转炉 冶炼过程 吸氮分析 复吹供 氮 模式与钢 水 吸 氮量关系 攀钢钒炼钢转炉均 为 复吹转炉， 采用氮 即吹炼中前期为氮气，后期及补吹为氩气。为摸索供氮模式对冶炼过程钢水氮含量的影响，攀钢钒对 冶炼过程氮行为进行了大量试验，图 1 更清楚地明示了不同复吹模式下转炉终点氮含量情况。可以看出，复吹模式对转炉终点钢 水氮含量有一定影响， 前期 供氮强度越大，终点钢水氮含量越高 ；如果采用全程供氮，终点钢水氮含量高达 5010 6左右 ； 如果全程供氩，则终点钢水氮含量较低，在1510 6 左右。 图 1 不同复吹模式下转炉终点氮含量 文献 5研究得出的氮流量对吹炼终点氮含量的影响如图 2 所示，认为吹氮强度越大，终点氮含量越高；当吹氮强度不超过 (t)时，对终点氮含量影响不大。文献 6也得出了相同结果。(t)，大流量供 氮模式 时 为 t)。 转炉供氮 、 吹氧时间比与钢水中氮含量关系 流量供氮 全程供氮 全程供氩供氮模式终点钢水氮含量(106) 最低平均最高 12 2010 年第 33 卷第 2 期 根据不同的供气模式，供氮时间与吹氧时间比与钢水氮含量存在一定关系，随着供氮时间比增加，钢水氮含量增加，特别是超过 70%后，增氮趋势加大，如图 3 所示。分析原因为底部供入氮气造成钢水吸氮，同时转炉内碳氧反应造成脱氮共同作用的结果。 图 2 吹氮强度对吹炼终点氮含量的影响 图 3 转炉供氮时间比对钢水中氮含量影响 转炉点吹次数与钢水中氮含量关系 攀钢钒炼钢转炉采用低拉增碳法冶炼工艺，分为一次倒炉出钢和 点吹出钢。由于点吹时，钢水碳含量低，转炉内碳氧反应减弱，产生的气体量下降，氮分压增高。且炉渣变稀，熔池钢水的剧烈波动造成钢水与空气的接触面积加大，导致钢水增氮。在其他参数不变的情况下，转炉终点钢水中氮含量与转炉点吹次数的关系 如 图 4 所示。由图 4 可见，随着点吹次数的增加，转炉终点钢液中的氮含量呈现增加趋势。 原辅材料及合金氮含量与钢水吸氮的关系 原辅料的氮也是钢液吸氮的一个重要方面 。 文献 2研究得出，充分脱氧后向钢水中添加中碳锰铁会导致钢水吸氮，且吸氮量等于铁合金中氮杂质的总含量。表 3 为攀钢钒现用主 要原辅料氮含量分析结果。沥青焦、无烟煤、硅铁、锰铁等均含有较高的氮，与钢水直接接触会造成增氮；另外精炼材料 虽然不直接加入钢水中，但其较高的氮含量也会带来增氮影响。 图 4 终点钢水氮含量与转炉点吹次数的关系 表 3 原辅材料及合金氮含量 名 称 氮含量 /% 名 称 氮含量 /% 铁 青焦 1 铁 青焦 2 锰 烧无烟煤 炼材料 烟煤 炼材料 炉出钢过程加入量原辅材料及合金的氮含量不同，随着出钢过程中加入量的增加，钢水中氮含量明显提高，最高达 2010 6。由此可见，原材料及合金氮含量也是造成钢液吸氮的一个重要因素。 图 5 是 某钢种出钢过程钢水氮变化趋势 。 氮分压与钢水吸氮的关系 根据脱氮理论， 氮气在炉气中的分压越低，氮越不容易进入钢水中。由于大气中氮的分压力高，通常在 04 右，容易溶解进入钢液中，所以在冶炼过程隔绝空气非常重要。采用调节烟道调整喉口大小的办法进行控制，确保炉口保持微正压，以有效减少空气进入炉内。其次， 利用 转炉脱碳反应所产生的强烈沸腾，将钢中溶解的气体排除。其原理是基于脱碳过程中产生的无数 泡中氮的分压 零，即每个气泡类似于一个个小小的真空室，随脱碳过程进行， (m3m 点钢水氮含量(106)010203040500 20 40 60 80 100供氮时间比例 /%钢水氮含量(106)次点吹 二次点吹点吹次数终点钢水氮含量(106)攀 钢 技 术 13 断向气泡扩散，并排至炉气中。生产实践证明，提 高供氧强度、增加脱碳反应速度对脱氮效果明显。 图 5 转炉出钢增氮趋势图 4 降低复吹转炉吸氮的措施 供氮强度及供氮比选择 1）吹炼前期供氮强度小于 (t)，考虑搅拌效果，可控制在 (t)。 2）供氮时间与吹氧时间比小于 70%，通常根据纯吹氧时间在复吹模型中设置吹氮时间。 3）低氮钢供氮时间与吹氧时间比小于 50%或采用全程吹氩模式。 减少转炉点吹次数 1）入炉铁水的 S 含量小于 保证一次倒炉 S 含量满足工艺要求。 2）利用静态模型和副枪、炉气分析系统进行温度控制，减少补吹次数，实现一倒出钢率 90% 以上。 使用低氮含量合金及材料 1）定期对原材料进行检验，分析材料中氮实际含量。 2）低氮钢使用同类低氮含量合金、增碳剂或精炼材料，如增碳剂作用煅烧无 烟煤，精炼材料 等。 合金化及钢包精炼 1）选用低熔点精炼材料，在转炉出钢脱氧合金化前加入钢包内，形成液态渣层以隔绝空气。 2）在转炉出钢后期加入与氮结合能力强的元素如 V、 于经 理工艺钢种选择在行合金化。 3）适当选择出钢过程及氩站吹氩强度，以不吹开渣面为准。 降低氮分压 1）为防止空气进 入 转炉内，采用炉口微正压技术，通常利用烟道可调喉口调节的办法来实现。 2）提高供氧强度，终点前低枪位吹炼，通过提高脱碳速度的办法实现转炉脱氮。 5 应用效果 以某钢种为例，转炉采取以上措施后，钢液吸氮幅度明显降低，转炉终点钢水氮含量波动 在1410 62210 6 之间，平均为 0 6。脱氧合金化后，钢水氮含量波动在 1410 62510 6 之间，平均为 0 6，均在 2510 6 以下，见图 6。 6 结论 1)低氧钢水氮溶解度远远大于钢水实际氮含量，存在吸氮趋势，特别是含 V、 元素钢种更容易吸氮。 2) 吹氮强度小于 (t)时，对转炉终点氮含量影响不大；随着吹氮强度增加，终点氮含 量升高。 3) 供氮时间与吹氧时间比小于 70%时，对转炉终点氮含量影响不大；随着比值增加，终点氮含量升高。 4）采取炉口微正压技术、一次拉碳出钢技术、优化脱氧及钢包造渣技术，弱吹氩技术等技术措施，同时选用低氮含量合金及材料、可以将脱氧合金化后钢中的 N控制在 2510 6 以下。 0102030405060转炉 小平台 站 站 连铸工位钢水氮含量(106) 14 2010 年第 33 卷第 2 期 图 6 转炉终点及过程钢水氮含量 参考文献 1 陈家祥 炼钢部分 . 北京：冶金工业出版社， 1990:91. 2 2006（ 2）： 123 李晶，傅杰，迪林，等 钢铁， 2002， 37（ 4）： 194. 4 周德光，罗伯钢，曾立，等 炼钢， 2005， 21（ 1）： 437. 5 刘阳春，傅杰，李晶，等 底复吹转炉全程底吹氮的试验研究 . 钢铁研究学报， 2005， 17（增刊）： 326 霍建伟 江苏冶金， 1989（ 1）： 10