張浩

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

氮在鋼中是以氮化物的形式存在，氮含量高的鋼材長(zhǎng)時(shí)間放置將發(fā)生時(shí)效硬化，使鋼變脆。其主要原因是，鋼材中的氮化物析出，引起金屬晶格扭曲而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而惡化了鋼的塑性和沖擊韌性，使鋼變脆；氮使低碳鋼產(chǎn)生的脆性與磷元素的危害相似，但比磷嚴(yán)重；磷造成鋼的冷脆性，不產(chǎn)生時(shí)效性硬化，若鋼材中磷含量高時(shí)，氮的危害會(huì)進(jìn)一步加劇。鋼中氮含量大于80×10-6，在加熱至250～450℃，其表面發(fā)藍(lán)，鋼的強(qiáng)度升高，沖擊韌性降低，稱為“藍(lán)脆”。一些高級(jí)的鋼種對(duì)氮含量有嚴(yán)格的要求，例如高級(jí)的熱軋鋼板要求氮含量低于0.004%；高強(qiáng)度管線鋼要求氮含量低于0.003%；IF冷軋鋼板要求氮含量低于0.0025%；低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼在經(jīng)冷軋和罩式退火工藝后，氮含量過(guò)高會(huì)提高鋼板的強(qiáng)度，同時(shí)延伸性能明顯降低。因此，必須嚴(yán)格控制鋼中的氮含量。文章就低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼直上工藝生產(chǎn)過(guò)程中影響鋼液氮含量變化的因素進(jìn)行分析，并提出降低轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中氮含量的改進(jìn)措施。

2 鋼水增氮的理論基礎(chǔ)

氮在鋼中的溶解度與溫度、氮?dú)夥謮汉秃辖鹪氐年P(guān)系為[1]：

在煉鋼溫度下，鋼液中的氮含量遠(yuǎn)未達(dá)到平衡值，如有條件還會(huì)吸入更多的氮，所以大氣下煉鋼，鋼液增氮是自發(fā)的。

鋼液中氮的溶解度可由氮?dú)庠阡撘褐械娜芙夥磻?yīng)確定。氣相與鋼液中氮的平衡反應(yīng)式[2]：

式中aN為鋼液中氮的活度；fN為鋼液中氮的活度系數(shù)；PN2為發(fā)應(yīng)地點(diǎn)處氣相中氮?dú)獾姆謮?，atm；K為反應(yīng)的平衡常數(shù)。

3 轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程影響鋼水氮含量的因素

3.1 轉(zhuǎn)爐底吹控制對(duì)終點(diǎn)鋼水氮含量的影響

復(fù)吹技術(shù)的采用是轉(zhuǎn)爐促進(jìn)脫氮的重要手段。從轉(zhuǎn)爐底部吹入Ar、N2、CO2等惰性氣體，一方面降低了N2分壓、增大了自由表面積而促進(jìn)了鋼中氮的排出；另一方面底吹大大改善了熔池的動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)了含氮廢鋼盡早熔化，有利于鋼中氮的去除。氮?dú)鈨r(jià)格低廉，但是冶煉低碳鋼全過(guò)程底吹氮，鋼液終點(diǎn)氮含量較高，不能夠滿足低氮鋼的要求；轉(zhuǎn)爐全程吹氬終點(diǎn)氮含量相對(duì)較低，但成本高。為此對(duì)八鋼120t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)條件下，不同氮?dú)迩袚Q點(diǎn)對(duì)出鋼鋼液氮含量的影響。

如圖1所示，120t轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼AP1461C1（低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，牌號(hào)SPHC）鋼種吹氧時(shí)間約在15分鐘。在不同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行底吹氮?dú)鍤獾那袚Q，然后對(duì)終點(diǎn)鋼水氮含量進(jìn)行分析，隨著氮?dú)迩袚Q點(diǎn)的推移，鋼水終點(diǎn)氮含量逐漸升高。吹氮6分鐘后切換，終點(diǎn)鋼水[N]含量升高至10×10-6以上。

圖1 冶煉AP1461C1不同氮?dú)迩袚Q點(diǎn)鋼水終點(diǎn)氮含量

3.2 鐵水碳含量對(duì)鋼液氮含量的影響

現(xiàn)場(chǎng)冶煉AP1461C1鋼種，正常情況下裝入的鐵水碳含量在4.0%～5.0%，雙聯(lián)脫硅后的入爐鐵水（半鋼）碳含量在2.5%～3.0%，而事故鋼水回爐與鐵水勾兌后碳含量在1.2%～1.5%。對(duì)這三種情況下脫氧后在吹氬站對(duì)鋼水取樣分析氮含量。圖2所示正常鐵水冶煉后鋼水氮含量在（25±5）×10-6，雙聯(lián)脫硅鐵水鋼水氮含量在 (25±5)×10-6與正常鐵水無(wú)異，而回爐鋼水冶煉后鋼水氮含量在（30±5）×10-6，比正常鐵水冶煉鋼水氮高出5×10-6以上。

圖2 冶煉AP1461C1鐵水、半鋼、回爐鋼水后鋼水氮含量直方圖

3.3 轉(zhuǎn)爐冶煉補(bǔ)吹對(duì)鋼液氮含量的影響

轉(zhuǎn)爐冶煉后期的補(bǔ)吹可使鋼液氮含量明顯提高。轉(zhuǎn)爐冶煉接近終點(diǎn)時(shí)，由于碳含量、磷含量超標(biāo)或溫度偏低等原因需要補(bǔ)吹，此時(shí)熔池碳含量已很低，繼續(xù)吹氧，由于C-O反應(yīng)減弱，大部分氧用來(lái)氧化鋼液中的鐵。CO產(chǎn)生量少，脫氮量很小，容易卷入空氣，氧氣流沖開(kāi)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氣泡的脫氮，鋼液中的氮含量升高，故應(yīng)避免補(bǔ)吹操作。如圖3所示，補(bǔ)吹爐次氮含量變化，主要與補(bǔ)吹時(shí)的碳含量有關(guān)，碳含量越低，鋼液中的氮含量越高，補(bǔ)吹次數(shù)越多，出鋼氮含量越大。一般情況下，轉(zhuǎn)爐一次再吹可增加氮（5～10）×10-6，再吹兩次增氮可達(dá) 20×10-6，而且再吹后鋼中氮離散度很大。因此，對(duì)于低氮鋼冶煉要防止轉(zhuǎn)爐再吹。

圖3 不同終點(diǎn)[C]含量補(bǔ)吹增氮情況

3.4 出鋼脫氧程度對(duì)鋼液氮含量的影響

出鋼后鋼液中的自由氧含量對(duì)出鋼過(guò)程鋼液增氮量的影響如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隨鋼液中自由氧含量的降低，鋼水氮含量增加。這是由于低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼出鋼完全采用鋁鐵脫氧，空氣中的氮會(huì)與鋁結(jié)合生產(chǎn)氮化鋁，因此鋼水中鋼液中氮達(dá)飽和之前，鋁能促進(jìn)鋼液吸氮，同時(shí)鋁脫氧鋼液中的自由氧低，也為吸氮?jiǎng)?chuàng)造了良好的條件。

圖4 鋼水不同自由氧對(duì)應(yīng)鋼水氮含量

圖5 喂絲過(guò)程鋼水裸與不裸露氮含量對(duì)比直方圖

3.5 喂鈣線噴濺對(duì)鋼水氮的影響

在吹氬站對(duì)AP1461C1進(jìn)行喂鈣線處理過(guò)程中，鋼水與鈣線會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)產(chǎn)生噴濺，會(huì)造成鋼水大面積裸露。此時(shí)鋼水的平均溫度在1625～1630℃，會(huì)造成大量增氮。如圖5所示，鋼水在鈣處理過(guò)程中裸露氮含量在（37～40）×10-6，而鋼水喂絲過(guò)程不裸露氮含量在（26～30）×10-6，鋼水喂絲裸露增氮量（6～9）×10-6。通過(guò)絲線優(yōu)化將鈣處理使用的純鈣線更換為硅鈣夾層鈣線可有效抑制鋼水噴濺裸露的情況，達(dá)到抑制增氮的作用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼直上工藝增氮關(guān)鍵點(diǎn)的分析可知，通過(guò)控制入爐鐵水碳含量、底吹氮?dú)遛D(zhuǎn)換點(diǎn)、鋼水脫氧程度以及鈣處理絲線噴濺可有效降低鋼水氮含量。

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉前6分鐘可全程吹氮，之后轉(zhuǎn)換為氬氣終點(diǎn)氮含量可控制在10×10-6。

（2）冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼入爐鐵水碳含量不得小于2.5%，回爐鋼水必須控制勾兌量，以確保入爐鐵水碳含量在2.5%以上。

（3）冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼應(yīng)盡量降低補(bǔ)吹次數(shù)，每補(bǔ)吹一次增氮5×10-6，補(bǔ)吹兩次終點(diǎn)氮含量可達(dá)到20×10-6。

（4）出鋼采用半脫氧可有效抑制增氮，鋼水氮含量與自由氧含量成反比。

（5）鈣處理過(guò)程控制喂絲噴濺很重要，采用硅鈣夾層改線比純鈣線鋼水噴濺及裸露面積小，可減少增氮 8×10-6。