王文輝，李 碩

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司長(zhǎng)材部，河北唐山063016）

0 前言

氮是釩氮合金鋼中重要的合金化元素。在釩氮合金鋼中，氮元素的存在有利于V(C,N)在奧氏體-鐵素體的界面析出，從而產(chǎn)生析出強(qiáng)化的效果，顯著抑制鐵素體晶粒的生長(zhǎng)，降低晶粒尺寸，從而提高鋼的強(qiáng)度。研究表明[1]，氮含量每增加10×10-6，含釩鋼強(qiáng)度可以提高6～7 MPa。

為了滿足含釩鋼中氮含量的需求，通常在冶煉工序加入氮化合金，如釩氮合金（Nitrovan）、氮化硅錳和氮化鉻鐵等。但是由于合金化過(guò)程中，氮元素的吸收率相對(duì)較低且不穩(wěn)定，導(dǎo)致鋼種增氮效果差，不足以完全發(fā)揮釩元素的析出強(qiáng)化作用[2]。為了提高鋼中氮元素的含量，降低增氮的生產(chǎn)成本，減少氮化合金的使用，唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司長(zhǎng)材部開(kāi)發(fā)出了“轉(zhuǎn)爐增氮工藝”，在轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)采用氮?dú)?氧氣混合吹煉工藝，HRB400E鋼冶煉實(shí)踐結(jié)果表明，該工藝的應(yīng)用達(dá)到了使用潔凈、廉價(jià)的氮?dú)庠辖o鋼液增氮的目的。

1 轉(zhuǎn)爐增氮工藝工藝設(shè)計(jì)

1.1 原工藝概況

HRB400E鋼種成分控制要求如表1所示：

研究表明[3]，當(dāng) V/N 比達(dá)到理想配比（3.64∶1）可以充分發(fā)揮釩元素的析出強(qiáng)化作用。隨著N含量增加，鋼的強(qiáng)度隨之增加。因此在HRB400E鋼的冶煉過(guò)程中，需要鋼液中氮含量達(dá)到110×10-6以上。

唐鋼轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)平均氮含量在55×10-6，通過(guò)釩氮合金（Nitrovan）增加0.040%的釩元素可以增氮40×10-6，平均氮含量可以達(dá)到 95×10-6，低于理想配比所需的氮含量110×10-6。為了提高金屬釩利用率，唐鋼開(kāi)展了提高鋼液氮含量的工藝改進(jìn)。

1.2 工藝優(yōu)化

優(yōu)化內(nèi)容是在轉(zhuǎn)爐氧氣吹煉量完成70～85%時(shí)，保持氧氣流量不變，在氧槍中混入一定比例的氮?dú)?，至吹煉結(jié)束。轉(zhuǎn)爐合金化工藝由添加釩氮合金（Nitrovan）改進(jìn)為加入釩鐵合金，鋼中釩元素含量控制要求與原工藝相同。

新工藝?yán)昧嘶瘘c(diǎn)區(qū)的高溫將氮?dú)夥纸獬傻?，再通過(guò)氣體攪拌將氮原子混入鋼液中。

兩種冶煉工藝的氮含量對(duì)比如圖1所示。通過(guò)工藝改進(jìn)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量由55.1×10-6增加到153.2×10-6，增加了 98.1×10-6。

圖1 兩種工藝條件下吹煉終點(diǎn)氮含量對(duì)比

2 工藝原理

2.1熱力學(xué)原理

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(yīng)式和Sievert定律公式為：

上述公式中，[N%]:鋼中理論飽和氮含量；KN：反應(yīng)平衡常數(shù)；fN：氮的活度系數(shù)；PN2：氮?dú)夥謮?；P0：標(biāo)準(zhǔn)壓力；T：溫度。

由公式（3）可知，由于氮的活度系數(shù)只與鋼種成分有關(guān)，所以特定鋼種中影響理論飽和氮含量的因素只有溫度和氮?dú)夥謮?，并隨著溫度和氮?dú)夥謮旱纳叨?。因此在火點(diǎn)區(qū)，提高氮?dú)夥謮河欣谔岣咪撝械俊?/p>

氮?dú)庠谵D(zhuǎn)爐吹煉的火點(diǎn)區(qū)2600℃高溫下[4、5]分解成氮原子，溶解在鋼液中，顯著提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液氮含量?；瘘c(diǎn)區(qū)的高溫條件是導(dǎo)致氮?dú)夥纸獾闹匾獥l件，這也是轉(zhuǎn)爐底吹氮?dú)猓ㄞD(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中熔池平均溫度在1 200℃～1 800℃）無(wú)法有效增氮的原因之一。

2.2 動(dòng)力學(xué)原理

正常轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，鐵水中的碳元素與氧氣反應(yīng)生成大量的一氧化碳、二氧化碳?xì)怏w，降低了爐膛內(nèi)氮?dú)夥謮?，使得溶解于鋼液中的氮?dú)怆S著氣泡被排除。因此在設(shè)計(jì)“轉(zhuǎn)爐增氮工藝”的時(shí)候，選擇吹氧量達(dá)到70%～85%后開(kāi)始混吹氮?dú)?，此時(shí)鐵水中碳含量已小于0.30%，碳氧反應(yīng)已不再劇烈，為鋼液增氮?jiǎng)?chuàng)造了條件。

氮原子在渣鋼界面的傳質(zhì)受到表面活性元素氧、硫的阻礙。研究表明[6、7]，表面活性元素氧、硫在2 130℃、2 250℃時(shí)分別對(duì)氮元素的傳質(zhì)阻礙作用消失，因此在火點(diǎn)區(qū)2 600℃高溫條件下，氮元素的傳質(zhì)已經(jīng)不再成為限制性條件。同時(shí)，由于高壓氮?dú)庖詻_擊形式進(jìn)入熔池，在分解后與鋼液充分混勻，顯著提高了增氮效率，為增氮工藝提供了動(dòng)力學(xué)條件。

3 轉(zhuǎn)爐增氮工藝使用效果

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液氮含量的檢測(cè)，已確認(rèn)轉(zhuǎn)爐增氮工藝能夠有效增加鋼液氮含量。為了驗(yàn)證該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)行了連鑄坯的氮含量、用連鑄坯軋制的棒材的屈服強(qiáng)度及時(shí)效性能試驗(yàn)。通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用轉(zhuǎn)爐增氮工藝后，連鑄坯的氮含量有明顯升高，由 95.3×10-6升高至 153.3×10-6，棒材的屈服強(qiáng)度由450.4 MPa升高至465.2 MPa。工藝優(yōu)化后，產(chǎn)品的質(zhì)量顯著提升。同時(shí)以國(guó)產(chǎn)釩鐵合金代替進(jìn)口的釩氮合金（Nitrovan），可以降低合金成本 9.51 元/t。

通常情況下，氮含量對(duì)鋼種的時(shí)效影響比較大，因此對(duì)兩種工藝生產(chǎn)棒材進(jìn)行了時(shí)效試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)爐增氮工藝條件下時(shí)效后屈服強(qiáng)度下降14.8 MPa，原工藝時(shí)效后屈服強(qiáng)度下降14.1 MPa。二者相比，新工藝較原工藝時(shí)效后棒材強(qiáng)度略增0.7 MPa；轉(zhuǎn)爐增氮工藝條件下時(shí)效后抗拉強(qiáng)度下降25.4 MPa，原工藝條件下時(shí)效后抗拉強(qiáng)度下降25.4 MPa，二者相比，新工藝較原工藝時(shí)效后棒材強(qiáng)度略低0.4 MPa。轉(zhuǎn)爐增氮工藝的時(shí)效情況與原工藝相似，產(chǎn)品性能合格。

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)爐增氮工藝可以有效改善轉(zhuǎn)爐火點(diǎn)區(qū)鋼液增氮的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件，有效地提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼液氮含量，增氮效果顯著。

2）在使用國(guó)產(chǎn)釩鐵合金代替進(jìn)口釩氮合金的情況下，轉(zhuǎn)爐增氮工藝生產(chǎn)的HRB400E鋼種的連鑄坯氮含量達(dá)到153.3×10-6，較常規(guī)工藝的93.3×10-6高60.0×10-6；產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度由450.4 MPa升高至465.2 MPa。

3）時(shí)效試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐增氮工藝生產(chǎn)的HRB400E鋼筋時(shí)效后的強(qiáng)度變化情況與原工藝基本相同。

4）轉(zhuǎn)爐增氮工藝減少了進(jìn)口釩氮合金的使用，噸鋼合金成本降低9.51元。

[1]潘國(guó)平,楊兆林,聞?dòng)駝?釩氮元素在鋼中的特性及對(duì)工藝影響的探討[J].安徽冶金,2004(2):7-11.

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[3]楊才福,張永權(quán).氮在非調(diào)質(zhì)鋼中的作用[J].鋼鐵釩鈦,2000,21(3):16-22.

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