供稿|王文輝 / WANG Wen-hui

內(nèi)容導讀

唐鋼長材部生產(chǎn)HRB400系列鋼筋過程中，需向鋼中加入釩氮合金進行微合金化，形成的C、N、V化合物可以促進棒材強度的提高。其中N元素主要來自鋼中基礎氮與釩氮合金，因轉爐出鋼溫度與終點碳不穩(wěn)定造成鋼中基礎氮含量不同，V元素利用率不足，微合金化成本較高。文章介紹了唐鋼長材部的增氮工藝開發(fā)過程，利用向鋼水中噴吹氮氣的方法，達到提高鋼水終點氮含量的目的，并且使用純釩鐵替代價格昂貴的氮化釩鐵，降低了微合金化成本。該增氮工藝技術由于向鋼液噴吹氮氣，提高了攪拌效果，降低了轉爐終點氧含量及鋼鐵料消耗，因此具備在全國范圍內(nèi)推廣潛力，創(chuàng)效空間巨大。

鋼筋作為混凝土建筑結構的主要增強材料，應用廣泛。隨著高層、大跨度、抗震、耐低溫、耐火建筑結構的出現(xiàn)，以及資源、能源、環(huán)境面臨的嚴峻形勢，要求鋼筋具有更高的強韌性及良好的焊接性等綜合性能。對鋼液進行微合金化是實現(xiàn)這一要求的重要途徑?，F(xiàn)階段國內(nèi)外多數(shù)企業(yè)采用FeV、FeNb、VN進行微合金化。這種微合金化方式雖然可以充分發(fā)揮技術上的優(yōu)勢，卻增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，另外帶入的雜質容易污染鋼水，降低鋼水純凈度，并且氮的收得率較低，鋼中氮含量不易控制。

唐鋼長材部采用氮化釩鐵、VN合金兩種方式進行微合金化，雖然可以直接增加鋼中氮含量，提高V元素利用率，卻會降低鋼水純凈度，氮的收得率也僅為66.8%左右，另外隨生產(chǎn)條件變化波動較大，鋼中氮含量不易控制，大大提高了微合金化成本。

為此，唐鋼長材部針對棒材微合金化成本較高且氮含量不穩(wěn)定問題進行了深入調研。調研發(fā)現(xiàn)，可以利用廉價的氮氣作原料，通過向鋼液噴吹氮氣，提高鋼水終點氮含量。但問題是該操作的氮收得率低且不穩(wěn)定，極易造成產(chǎn)品性能波動，因此需采取措施提高并穩(wěn)定氮含量控制。

增氮工藝理論依據(jù)

氮在鋼液中以原子和化合物形式存在，其在鋼液中的溶解反應式和平衡常數(shù)公式[1]：

ΔGθ＞0該反應不可自發(fā)進行，可逆向進行，為吸熱反應。鋼中[N]溶解度與N2壓強及溫度對應關系：

長材部爐內(nèi)鋼水終點溫度以1670℃(即1873 K)計算，[N]溶解度為409×10–6。澆鑄過程中鋼水溫度會下降。HRB400中包溫度為1540℃時，鋼中[N]溶解度為389×10–6。而長材部生產(chǎn)的HRB400氮含量要求＞80×10–6。HRB400液相線在1503±2℃左右，該溫度下[N]溶解度滿足HRB400氮含量要求。

增氮工藝開發(fā)路徑

根據(jù)鋼水增氮動力學及熱力學原理確定攻關要素：

1) 要保證吹煉增氮過程中的供氧強度，提高火點區(qū)反應溫度，促進氣泡—鋼液面上的吸附化學反應；

2) 要保證一定的供氮強度，擴大[N]的傳質面積；

3) 要保證一定的氮氣吹煉時間，使[N]有充足時間向鋼液內(nèi)部擴散；

4) 在降低成本的原則下向富含[N]的鋼液中添加純釩鐵，可以達到細化晶粒的目的，鋼中[N]含量要達到要求，以滿足釩氮比。

根據(jù)上述攻關要素，將增氮工藝開發(fā)路徑確定為：在轉爐吹煉期間，向鋼液中噴吹氮氣，實現(xiàn)鋼水增氮；根據(jù)公式計算及現(xiàn)場條件確定最佳吹煉槍位；增氮工藝穩(wěn)定后，使用釩鐵逐步替代氮化釩鐵，并確定該工藝對經(jīng)濟指標的影響。

增氮工藝前期準備

安全 論證

噴吹氮氣過程中，因氮氣、氧氣閥門同時打開，氧氣若反竄進入氮氣管道會引起一系列爆炸[2]，需對此做安全論證。

論證過程中對氧槍閥門站構造進行了詳細分析，氮氣管道上設有氮氣快切閥、氮氣逆止閥，因此在噴吹氮氣時，氧氣在逆止閥的作用下不會回流至氮氣管道。在沒有逆止閥情況下，氮氣總管壓強為1.6 MPa，氧氣管道總壓強為1.4 MPa，在同一閥門處氮氣壓力＞氧氣壓力，氧氣不會回流至氮氣管道?；谏鲜龇治觯獨獯禑挄r氮氣管道及其附屬設備是安全的。

確定 氮氣打開步驟

經(jīng)過前期論證后，改進了氮氣控制程序，在吹煉后期打開氮氣切斷閥，以達到噴吹氮氣的目的，打開步驟：

進入氮氣手動控制畫面→確認氮氣閥門開度→點擊氮氣切斷閥→點擊手動控制按鈕→打開氮氣控制閥門→調節(jié)氮氣流量至要求值。

在氮氣吹煉過程中，氮氣流量為手動控制，在正式操作前對氮氣流量與氮氣閥門開度的對應關系進行確認，確認過程中轉爐狀態(tài)為空爐，角度為45°，如圖1所示。

確認 氮氣閥門與氮氣流量對應關系

圖1 閥門開度與氮氣流量對應關系

增氮工藝參數(shù)

確認 氮氣吹煉時長

從鋼水增氮動力學及熱力學分析，吹氮時間、過程溫度、供氮強度是影響增氮的三要素，為確定吹氮時長與增氮量的關系，需將過程溫度、供氮強度保持穩(wěn)定，以觀察氮氣吹煉時長對增氮量的影響。實驗爐次氮氧混吹時長與基礎氮含量對應關系見圖2。

圖2 氮氧混吹時長與基礎氮含量對應關系

由圖2可以得出，采用實驗氮氣流量，當?shù)獨獯禑挄r長＜3 min時，近50%爐次基礎氮含量＜95×10–6，該值不利于VN化合物充分析出，因氮氣流量已接近系統(tǒng)所承受的上限，提升空間有限。因此，從實驗數(shù)據(jù)來看，在實驗氮氣流量下，當?shù)獨獯禑挄r長≥3 min時，95%以上爐次鋼水基礎氮含量在95×10–6～140×10–6，滿足要求，考慮到氮氣成本，將最佳氮氣吹煉時長確定為3 min。

確認 一次拉碳、終點碳控制目標

從鋼水脫氮動力學分析，鋼中碳含量越高，吹氧時生成的CO濃度越高，容易將生成的[N]帶走。當一次拉碳C含量高需補吹時，補吹過程易帶走一部分[N]，若不需補吹，易造成混吹過程增氮量不足，因此需確認一次拉碳最優(yōu)碳含量。對實驗過程208組數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)分布詳見圖3。

從圖3可以看出，當一次拉碳C含量、終點C含量升高時，包樣氮含量呈下降趨勢，一次拉碳與終點C含量升高0.05%時，包樣氮含量有較大機率降低4×10–6～6×10–6?？紤]終點碳對轉爐經(jīng)濟指標的影響，將一次拉碳C含量控制目標確定為0.07%～0.20%，終點C控制目標確定為0.07%～0.13%。

利用釩鐵替代氮化釩鐵

增氮工藝穩(wěn)定后，開始實驗使用部分純釩鐵替代氮化釩鐵，替代比例由50%逐步提升至100%，V含量控制目標保持不變，圖4為純釩鐵實驗替代50%氮化釩鐵期間，包樣氮含量及棒材屈服強度對比。

圖3 包樣氮含量與(a) 一次拉碳、(b) 終點碳含量(質量分數(shù))的對應關系

圖4 正常爐次與實驗爐次(釩鐵50%)參數(shù)對比：(a) 包樣氮含量；(b) 屈服強度

實驗爐次氮含量分布偏高，包樣氮含量分布范圍117×10–6～170×10–6，平均153.26×10–6，較正常爐次高58×10–6。實驗爐次棒材屈服強度分布范圍440～490 MPa，平均465.18 MPa，較正常爐次高14.8 MPa，增氮效果穩(wěn)定。

轉爐經(jīng)濟指標變化

對轉 爐終點氧影響

與正常爐次相比，冶煉后期氮氣流量增加，氣體總流量提高，對鋼液的攪拌作用相對增強，使鋼液中的碳氧反應更加接近平衡，降低了鋼水氧化性與碳氧積。實驗爐次與正常爐次終點碳氧積對比見圖5。

可見實驗爐次較正常爐次碳氧積普遍偏低，正常爐次碳氧積分布范圍27×10–8～29.6×10–8，平均29.15×10–8，實驗爐次碳氧積分布范圍25.3×10–8～27.5×10–8，平均26.6×10–8，長材部低合金終點碳在0.04%左右，以0.04%計算，正常爐次、實驗爐次平均終點氧分別為728.75×10–6、665×10–6，即同等終點條件下，轉爐終點氧平均下降約64×10–6。

對轉 爐終渣TFe及鋼鐵料消耗影響

采用該工藝后，由于熔池攪拌作用增強，使渣-鋼間的反應更加趨于平衡，從而可以使終渣TFe含量降低。具體數(shù)據(jù)對比見圖6，并且通過數(shù)據(jù)分析，噴吹氮氣爐次終渣FeO含量(質量分數(shù))可降低0.8%，鋼鐵料消耗降低1 kg/t，可有效促進轉爐經(jīng)濟指標改善。

圖5 實驗爐次與正常爐次終點碳氧積對比

圖6 噴吹氮氣爐次(a) 終渣FeO含量(質量分數(shù))和(b) 鋼鐵料消耗指標對比

結束語

唐鋼長材部的增氮工藝技術關鍵：1)氮氣噴吹最佳時長為3 min，鋼水基礎氮含量較正常爐次明顯增加。2)為確保最佳增氮效果，一次拉碳C含量(質量分數(shù))控制目標為0.07%～0.20%，終點C含量(質量分數(shù))控制目標為0.07%～0.13%。3)氮氣吹煉增氮工藝可有效降低轉爐終點氧含量，鋼鐵料消耗、終渣FeO含量等經(jīng)濟指標得到明顯改善。

經(jīng)過技術攻關，唐鋼長材部棒材HRB400E增氮工藝已開發(fā)成功，增氮效果良好。唐鋼長材部正常爐次鋼水基礎氮含量為30×10–6～45×10–6，使用該技術后鋼水基礎氮含量提高50×10–6以上，有效促進了VC及V(CN)析出，現(xiàn)在該技術已全面推廣使用。該工藝使用期間，通過穩(wěn)定操作及優(yōu)化Mn、Si、V成分控制，合金料與鋼鐵料成本明顯降低。由于棒材鋼筋用途廣泛，市場需求大，因此該項技術具備在全國范圍內(nèi)推廣的潛力，創(chuàng)效空間巨大，并且該技術可為開發(fā)600 MPa以上高強鋼筋提供技術支撐。

[1] 李明儒，李晶，李洪冉. 轉爐鋼液終點氮含量研究. 鋼鐵研究，2009，37(6)：8

[2] 王懷安. 半干法除塵在承鋼150 t轉爐的應用. 河北冶金，2012(1)：30