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(chēng)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)噴濺對(duì)鋼水氮的影響

在吹氬站對(duì)AP1461C1進(jìn)行喂鈣線(xiàn)處理過(guò)程中，鋼水與鈣線(xiàn)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(xiàn)優(yōu)化將鈣處理使用的純鈣線(xiàn)更換為硅鈣夾層鈣線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)比純鈣線(xiàn)鋼水噴濺及裸露面積小，可減少增氮 8×10-6。