转炉冶炼过程钢水增氮原因浅析

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1、转炉冶炼过程钢水增氮原因浅析李志强，兰天(宝钢湛江钢铁有限公司炼钢项目组，上海201900)摘要本文通过理论分析并结合生产实践，阐述了在转炉冶炼过程中钢水增氮的主要原因并提出了改善措施，对低氮钢种的生产具有一定的指导意义。关键词溶解度;低氮;再吹;泡沫渣;不完全脱氧随着现代制造业的发展，钢材用户对汽车板及管线钢等具有高纯度、高强度、高温塑性、深冲性的钢种质量提出了更高的要求。氮在大多数情况下是作为钢中的杂质元素存在的，易饱和固溶于钢中，一般可以提高钢的强度，但是易增加钢的脆性及降低钢的塑性，同时对冷轧板的深冲性能影响很大。钢中氮过高时将导致时效硬

2、化、硬度增大而延展性变差等，因此在转炉冶炼过程中要严格控制钢水中氮的含量。1转炉低氮钢冶炼工艺低氮钢对钢中杂质元素氮的含量要求较高，包括从铁水预处理到连铸生产环节均需严格控制钢水中的氮含量，并对过程中容易导致氮含量升高的影响因素采取相应的防范措施。转炉低氮钢冶炼工艺主要从两方面入手，即控制入炉原料和优化冶炼工艺，主要方法包括控制铁水比、底吹氮—氩切换、优化造渣制度及吹炼制度、出钢合金化顺序等，通过这些方法可以使钢中氮含量尽可能降低，一般大型顶底复吹转炉采取该冶炼工艺可使钢种氮含量稳定控制在20×10－6以下。表1所示为某时段内宝钢300t转炉钢包

3、样(低氮钢种AP1055E5)氮含量的生产统计数据。2氮在钢水中的溶解氮元素在钢(铁)水中是以单原子状态溶解的，其溶解的反应式和平衡常数如下所示:由式(1)及(3)可见，气体在钢水中的溶解过程是吸热的，并且随着温度的升高溶解度增加，通过计算可进一步得出在相应温度时钢水中氮的饱和溶解度。一般大气中氮的分压为0．79kg/m2，当钢水温度为1600℃时，氮在钢水中的溶解度为［N］≈390×10－6。可以发现，1600℃时饱和溶解度条件下的钢水氮含量约为低氮钢氮含量的20倍，所以在高温状态下钢水吸氮是必然的。3转炉冶炼过程钢水增氮与控制3．1入炉原料转

4、炉炼钢入炉原料包括铁水、废钢(有时掺混少量渣钢、渣铁等，低氮钢种禁止加入生铁)及辅料等，据文献［3］显示，经单脱硫铁水预处理后铁水含氮量约为34×10－6，经三脱预处理后铁水含氮量可降至10×10－6左右［4］。而废钢种类繁多，氮含量高的废钢则容易导致钢水增氮，因此应根据钢种需要选择合适的废钢品种。铁水氮含量一般高于低氮废钢中的氮含量。生产过程中主要靠提高入炉铁水比来降低终点钢水氮含量，原因在于高铁水比时，炉内碳氧反应更加剧烈，过程中生成的CO量增加，CO排出时可将大量氮带走。宝钢300t转炉规定冶炼低氮钢种铁水比大于或等于86%，脱硅铁水(［S

5、i］≤0．20%时)则要求大于或等于95%。值得注意的是，提高铁水比后辅料加入量也会相应增加，因此辅料加入时应分多批次少量加入，以利于过程均匀化渣，减少辅料中的氮带入钢水。3．2拉后吹炼冶炼过程中，氮从气相向金属溶液中的溶解(主要在反应区内)和从金属溶液向气相排出存在一个速度差，而氮从金属溶液排出主要发生在和CO气泡接触的金属表面层。拉后吹作业时钢水中碳含量较低，此时炉气中CO含量急速下降，氮气分压升高，即使在炉口微正压下操作也会有部分氮进入钢水中，因此主原料入炉时应准确计算转炉热平衡。按照规定铁水比入炉时，若热量仍不足，可适当加入碳质发热剂或硅

6、铁增加入炉原料的热量，同样在入炉原料热量较高时不可加入过多铁矿石，以免动态温度偏低，造成拉后吹炼。3．3底吹氮—氩切换底吹氮气搅拌时，炉内溶池吸氮和排氮过程同时进行，钢水温度的升高促使底吹氮气进一步溶解，而底吹搅拌同样使溶池内的氮随着生成的CO气泡加速上浮。以宝钢一炼钢1#300t转炉为例，底吹四个风口，在全程底吹氮气情况下，单风口供气流量在300m3/h时，经测定钢包氮含量约在60×10－6，而全程底吹氩气时钢水氮含量则可稳定在20×10－6以下，但是底吹氩气成本较高。因此选择合适时机进行底吹氮—氩切换，一方面可保证钢水质量，一方面可降低底吹成

7、本。据宝钢300t转炉生产实践，在供氧量达到30%时进行氮—氩切换作业对钢水增氮无明显影响，此时碳氧尚未剧烈反应。而随着温度不断升高，氮气在钢水中的溶解度进一步上升，所以底吹切换的时间不宜过晚，一般生产低氮钢种可选择在供氧量小于或等于30%时进行。3．4过程化渣转炉冶炼时过程化渣对钢水质量有很大影响，若冶炼过程中化渣不良则容易造成过程喷溅及后期钢水从炉气中吸氮。吹炼过程中一般要求铁矿石在中后期加入，中期加入铁矿石可加速CO的生成，有利于钢水脱氮，并可减轻由于渣子返干导致的氧枪粘冷钢现象;后期加入铁矿石可进一步提高渣中T．Fe含量，生成高氧化性泡沫

8、渣。此阶段碳氧反应由强逐渐变弱，造好的泡沫渣覆盖在钢水表面可有效隔断氮气从炉内气相向金属溶液中溶解。但铁矿石须在动态测定前全部加完，如铁