胡井濤

（河鋼集團(tuán)樂(lè)亭鋼鐵有限公司）

0 前言

高強(qiáng)抗震鋼筋具有強(qiáng)度高、抗震性好、節(jié)省鋼材用量、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于高層、大跨度和抗震建筑結(jié)構(gòu)，是一種更節(jié)約、更高效的新型建筑材料[1]。目前，國(guó)內(nèi)采用 VN 微合金化技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)鋼筋。微合金化鋼筋是通過(guò)在鋼中加入少量的微合金化元素鈮、釩、鈦等，依靠鋼中微合金化元素所形成的細(xì)小彌散的氮化物、碳化物或碳氮化物來(lái)抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，并起到提高合金強(qiáng)韌性的作用[2]。氮對(duì)微合金化鋼筋中的碳氮化物析出行為起重要作用。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外多數(shù)企業(yè)采用釩氮合金進(jìn)行微合金化，雖然可以直接增加鋼中的氮含量，提高V 元素的利用率，卻會(huì)降低鋼水的純凈度，提高了微合金化成本。轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，用廉價(jià)的氮?dú)馓娲辖鹪黾愉撍浚墙档鸵睙挸杀?，?yōu)化固氮效果的一種手段。

1 氮在鋼中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

1.1 氮在鋼中的熱力學(xué)分析

氮在鋼水中的溶解反應(yīng)為[3]：

氮的溶解反應(yīng)服從西華特定律，可以推導(dǎo)出：

式中：KN——氮分壓為100 kPa 時(shí)，純鐵液中的氮溶解度反應(yīng)的平衡常數(shù)；

PN2——純鐵液外的氮分壓，kPa。

KN與絕對(duì)溫度間關(guān)系可表示為：

由式（1）～式（2）可以得出氮在純鐵中的溶解度與溫度和分壓的關(guān)系，為：

氮在鋼水的溶解度可表示為[4]：

ω[N]=0.044-0.01ω[C]-0.002 5ω[Mn]-0.003ω[Si]-0.004 3ω[P]-0.001ω[S]+0.006 9ω[Cr]+0.013ω[V]-0.001ω[Ni]-0.01ω[Al]+0.1ω[Ti]+0.001 5ω[Mo]+0.010 2ω[Nb]-0.000 4ω[Cu] （ 4）

轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中各元素被分步氧化，含量逐漸 降低。統(tǒng)計(jì)300爐次終點(diǎn)的成分平均值，具體見(jiàn)表1。

表1 樣本終點(diǎn)成分平均值 %

轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中各元素含量不斷降低，由于鐵水中的V、Cr 含量遠(yuǎn)低于C 含量，根據(jù)式（3）、式（4）可以得出，鋼水中氮的溶解度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，吹煉至終點(diǎn)時(shí)鋼水中飽和氮的溶解度＞300×10-6，故在轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中通過(guò)提高氮分壓可以實(shí)現(xiàn)鋼水增氮。

1.2 氮在鋼中動(dòng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程發(fā)生碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO 氣泡，氮分壓降低，反應(yīng)向著脫氮方向進(jìn)行。碳排出速度與脫碳反應(yīng)速率的關(guān)系式[5]為：

轉(zhuǎn)爐吹煉末期，達(dá)到脫磷目的后，碳氧反應(yīng)減弱，脫氮效果降低，如果此時(shí)氧槍增加氮?dú)?，反?yīng)將向增氮方向進(jìn)行。氮分壓增大到一定程度，氮與鋼液的反應(yīng)呈現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)，液相邊界層擴(kuò)散是整個(gè)過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為[6]：

式中：v[N]——吸氮速度，10-6/s；

D——鋼液中氮的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；

F ——相界面積，cm2；

δ ——擴(kuò)散邊界層厚度，cm；

V ——鋼水體積，cm3；

[N]e——氮分壓下eP 鋼液的飽和濃度，10-6；

[N]——鋼水中的氮含量，10-6。

由式（3）和式（6）可以得出，鋼水的吸氮速率與氮分壓和鋼水?dāng)嚢鑿?qiáng)度有關(guān)，鋼水的終點(diǎn)氮含量與高氮環(huán)境持續(xù)時(shí)間相關(guān)。因此，在吹煉后期，氧槍的氧氣中混有一定比例的氮?dú)猓猿羲贇饬鲗⒌獨(dú)獯等脘撍刑岣叩謮?，增加鋼水氮含量，根?jù)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是可行。

2 終點(diǎn)氮含量控制措施優(yōu)化

2.1 開(kāi)氮比例與終點(diǎn)氮關(guān)系

唐鋼二鋼軋廠轉(zhuǎn)爐氮?dú)夤艿篱y門(mén)開(kāi)度和氣體流量見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加，氮?dú)饬髁砍杀仍黾印?/p>

吹煉終點(diǎn)，打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，進(jìn)行吹氮2 min，試驗(yàn)爐次的平均終點(diǎn)磷含量隨開(kāi)度的變化如圖1所示。

表2 氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度與終點(diǎn)磷的關(guān)系

從圖1 可以看出，開(kāi)度為10%時(shí)，對(duì)終點(diǎn)磷含量的影響不大，隨著開(kāi)度的增加，終點(diǎn)磷含量呈增加趨勢(shì)。氮?dú)忾y門(mén)的開(kāi)度為30%時(shí)，終點(diǎn)磷含量＜0.025%，滿足HRB400 生產(chǎn)需要，再增加開(kāi)度，終點(diǎn)磷含量的增加量較大，將不能滿足工藝質(zhì)量需求。

吹煉過(guò)程存在氧化鐵的氮化反應(yīng)：

由式（8）可以得出，轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，氮?dú)忾y門(mén)打開(kāi)后，氧氣中混有一定比例的氮?dú)?，在鋼渣中形成氧氮混合氣泡，隨著氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度的增加，氮分壓比例增大，當(dāng)?shù)謮涸龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，式（7）將正向進(jìn)行，F(xiàn)eO 含量降低，出現(xiàn)回磷現(xiàn)象，隨著FeO 的進(jìn)一步降低，將出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象。通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮?dú)忾y門(mén)的開(kāi)度大于35%時(shí)，“返干”現(xiàn)象加劇。為滿足生產(chǎn)需要，吹煉操作過(guò)程中應(yīng)控制氮?dú)忾y門(mén)的開(kāi)度不大于35%。

2.2 吹氮時(shí)間與終點(diǎn)氮關(guān)系

根據(jù)液相邊界層擴(kuò)散為限制性環(huán)的吸氮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式可知，吹氮時(shí)間影響終點(diǎn)氮含量。吹氮開(kāi)度為30%時(shí)，吹氮時(shí)間與終點(diǎn)氮含量的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 吹氮時(shí)間與終點(diǎn)氮含量關(guān)系

從圖2 可以看出，隨著吹氮時(shí)間的增加，終點(diǎn)氮含量逐漸增加，當(dāng)吹氮時(shí)間＞120 s 時(shí)，終點(diǎn)氮含量＞80×10-6，當(dāng)吹氮時(shí)間＞150 s 時(shí)，隨著吹氮時(shí)間的逐漸增加，增氮量的增加幅度逐漸減少。主要原因是氮含量接近飽和濃度，增加幅度有所降低。終點(diǎn)氮含量＞80×10-6，滿足HRB400 生產(chǎn)需要，實(shí)際操作控制吹氮時(shí)間為120 s。

2.3 開(kāi)氮時(shí)間與鋼水終點(diǎn)的關(guān)系

分別在吹煉80%、90%、100%階段將氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度設(shè)置為30%，吹氮時(shí)間為2 min，試驗(yàn)10爐次，吹氮開(kāi)始時(shí)間與鋼水終點(diǎn)成分的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 吹氮開(kāi)始時(shí)間與終點(diǎn)鋼水碳、磷合格率的關(guān)系

從表3 可以看出，在吹煉80%階段打開(kāi)吹氮閥，氧分壓降低，脫碳能力降低，終點(diǎn)碳偏高，由于（FeO）含量降低，終點(diǎn)磷合格率降低，由于CO 的產(chǎn)生量較大，終點(diǎn)平均氮含量的增加不大，為51×10-6；在吹煉90%階段打開(kāi)吹氮閥，由于CO 產(chǎn)生量降低，終點(diǎn)碳、磷的合格率有所增加，但滿足不了生產(chǎn)需要，終點(diǎn)平均氮含量略有增加，為68×10-6；在吹煉100%階段打開(kāi)吹氮閥，此時(shí)鋼水中的碳含量基本合格，碳氧反應(yīng)降低，氮氧混吹后利用吸氮，（FeO）含量降低速度相對(duì)較低，回磷量減小，終點(diǎn)碳合格率為100%，終點(diǎn)磷合格率為90%，平均終點(diǎn)氮含量為99×10-6，滿足生產(chǎn)需要，因此吹氮時(shí)間設(shè)置在吹煉100%階段較為合理。

2.4 轉(zhuǎn)爐增氮工藝確定及注意事項(xiàng)

通過(guò)以上試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)爐增氮工藝路徑為：吹煉100%時(shí)打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，設(shè)置閥門(mén)開(kāi)度為30%，吹煉時(shí)間為120 s，可以通過(guò)吹入高流速氮?dú)獾姆绞皆黾愉撍?。由于吹入氮?dú)夂笤械模‵eO）含量降低，所以在氮?dú)忾y門(mén)打開(kāi)前要做到充分化渣，否則將會(huì)出現(xiàn)“返干”回磷現(xiàn)象，增加鋼鐵料消耗。氮?dú)忾y門(mén)打開(kāi)前轉(zhuǎn)爐渣化的過(guò)透，在切換閥門(mén)的過(guò)程中氧槍吹氣流量會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，增加噴濺的可能性?？刂频?dú)忾y門(mén)打開(kāi)前轉(zhuǎn)爐的成渣狀態(tài)是轉(zhuǎn)爐增氮工藝穩(wěn)定操作的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，在轉(zhuǎn)爐吹煉后期，氧槍氧氣中混有一定比例氮?dú)?，以超音速氣流吹入鋼水?lái)提高氮分壓、增加鋼水氮含量的手段是可行的。

（2）氮?dú)忾y門(mén)打開(kāi)后，閥門(mén)的開(kāi)度大于35%時(shí)，加速氧化鐵的氮化反應(yīng)，“返干”現(xiàn)象加劇，不利于操作。

（3）吹煉100%時(shí)打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，閥門(mén)開(kāi)度為30%，吹煉時(shí)間120 s，可保證終點(diǎn)氮含量＞80×10-6，實(shí)現(xiàn)HRB400、HRB500 釩鐵100%代替氮化釩鐵，降低合金成本。