游明君，謝希剛，謝建府，謝 晴，陳志鵬

（華菱漣鋼210 轉(zhuǎn)爐廠生產(chǎn)科，湖南 婁底 417000）

既往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，鋼水中氮含量維持較高水平會造成鋼極限強(qiáng)度、屈服極限、以及硬度水平提升，同時對其沖擊韌性以及塑性性能產(chǎn)生相當(dāng)不利的影響。氮含量升高還會造成鋼韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度的提升，造成低溫回火脆性。特別是對于應(yīng)用于深沖環(huán)境下的低碳鋼來說，鋼水中氮含量維持較高水平會產(chǎn)生相當(dāng)明顯的不利影響。目前技術(shù)條件水平支持下，煉鋼期間對鋼水氮含量的控制水平遠(yuǎn)低于國外水平，同時還存在較為明顯的波動，這對于煉鋼結(jié)果會產(chǎn)生相當(dāng)不利的影響。為提升對煉鋼期間鋼水中氮含量的控制水平，就必須掌握全流程中氮含量的變化規(guī)律，并采取相應(yīng)技術(shù)措施對鋼水過程增氮問題進(jìn)行合理控制與優(yōu)化，達(dá)到降低煉鋼成品氮含量的目的。

1 轉(zhuǎn)爐低氮鋼冶煉技術(shù)

煉鋼期間分別于轉(zhuǎn)爐兌入鐵水、拉碳以及終點(diǎn)三個環(huán)節(jié)進(jìn)行取樣，取樣結(jié)果顯示轉(zhuǎn)爐冶煉期間鋼水氮含量的變化趨勢如下圖（見圖1）所示。結(jié)合圖1 的可見，轉(zhuǎn)爐冶煉所表現(xiàn)出的吹氮效果良好。進(jìn)入吹氧環(huán)節(jié)（吹氧持續(xù)時間在13.0min ～16.0min范圍內(nèi)）后鋼水中氮含量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，至拉碳環(huán)節(jié)達(dá)到最低值狀態(tài)，拉碳～終點(diǎn)環(huán)節(jié)中鋼水有一定程度上的吸氮趨勢。同時，圖1 中數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)爐兌入鐵水～拉碳環(huán)節(jié)脫氧率平均值達(dá)到75.4%左右，至終點(diǎn)環(huán)節(jié)鋼水脫氮率下降至57.8%左右維持。從這一角度上來說，拉碳環(huán)節(jié)中，鋼水中氮含量水平相對偏低，拉碳～終點(diǎn)環(huán)節(jié)所呈現(xiàn)出的鋼水吸氮的趨勢較為明顯。

圖1 轉(zhuǎn)爐冶煉期間鋼水氮含量的變化趨勢示意圖

既往經(jīng)驗(yàn)表明，在溫度提升的過程當(dāng)中，鋼水中氮溶解度有一定程度上的增大趨勢，且溫度與鋼水中氮分壓呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。轉(zhuǎn)爐脫氮與脫碳效率存在密切關(guān)系，脫碳環(huán)節(jié)所生成一氧化碳會對脫氮效率產(chǎn)生直接影響。具體而言，在脫碳環(huán)節(jié)中會產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)馀?，這些氣泡的氮?dú)夥謮菏冀K在較低水平狀態(tài)維持，因此相對于鋼液中溶解氣體而言，發(fā)揮著真空室的作用。鋼液中N 原子可進(jìn)入氣泡內(nèi)并生成一定比例的N2分子，并伴隨一氧化碳?xì)馀葑凿摌I(yè)內(nèi)外排。在冶煉中期階段中，碳氧反應(yīng)進(jìn)一步加劇，一氧化碳生成量明顯提高，大量帶出鋼內(nèi)氮元素，這一時期VN2始終維持在較高水平。

進(jìn)入冶煉末期后，碳氧反應(yīng)相對放緩，這一時期Vc 水平有所下降，空氣受爐外分壓高于爐內(nèi)分壓因素的影響大量進(jìn)入爐內(nèi)，造成氮?dú)夥謮核降奶岣?。這一背景下，受爐內(nèi)溫度較高以及增氮速度顯著高于脫氮速度等因素的影響，造成這一時期所表現(xiàn)出的氮溶解度達(dá)到最高水平。并且，由于鋼水吸氧與氮在鋼內(nèi)溶解度存在正相關(guān)關(guān)系，與鋼水中碳含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，冶煉后期受拉碳環(huán)節(jié)后深吹鋼水空氣吸氧因素的影響，造成鋼液增氮明顯。將氮溶解反應(yīng)平衡常數(shù)定義為KN，將鋼液中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為N，將氣泡中一氧化碳分壓定義為PCO，將脫氮速率定義為VN2，將脫碳速率定義為VC，則可以按照如下式（1）所示方式，對脫碳速率與碳排除速率的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行描述：

從這一角度上來說，為實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐重點(diǎn)鋼水中氮含量的控制，核心問題是在不影響冶煉效果的前提下，最大限度控制拉碳～終點(diǎn)環(huán)節(jié)鋼水增氮問題?？梢圆扇〉募夹g(shù)措施包括以下幾個方面：

①對轉(zhuǎn)爐冶煉后期低吹供氬強(qiáng)度進(jìn)行提升，提供過此種方式生成一定比例氬氣泡，以加速冶煉后期脫氮效率，建議自原方案中0.02m3/（min·t 鋼）提高至0.04m3/（min·t 鋼）標(biāo)準(zhǔn)；

②對廢鋼消耗量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以t 鋼為標(biāo)準(zhǔn)，將廢鋼消耗量控制在40.0kg 范圍內(nèi)，并通過應(yīng)用低槍位對吹煉后期進(jìn)行操作的方式，避免因操作方法不當(dāng)或廢鋼過量加入所致深吹、補(bǔ)吹等質(zhì)量問題，出鋼前不得的應(yīng)用氧槍進(jìn)行掃爐口操作，以免空氣進(jìn)入鋼液內(nèi)造成鋼液中氮含量的明顯增加；

③以鋼水溫度為參考標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)入冶煉后期的操作后按照t鋼標(biāo)準(zhǔn)加入爐渣發(fā)泡劑，加入劑量按照1.0kg ～3.0kg 標(biāo)準(zhǔn)控制。此項措施能夠充分調(diào)動爐渣活躍性，生成大量一氧化碳并加速脫氮反應(yīng)的進(jìn)行，爐渣經(jīng)乳化處理后對鋼液表面有一定的覆蓋作用，能夠避免空氣與鋼水直接接觸，通過此種方式達(dá)到控制鋼水終點(diǎn)氮含量水平的目的。

表1 脫氧方式對出鋼過程增氮量的影響數(shù)據(jù)示意表

表2 工藝優(yōu)化前、后出鋼環(huán)節(jié)增氮量示意表

2 兩步脫氧控制出鋼過程增氮技術(shù)

出鋼環(huán)節(jié)自氣-液界面向液相進(jìn)行傳質(zhì)對于鋼液增氮而言存在一定的限制性影響，鋼液吸氮效率在很大程度上受到氣-液界面上可吸附氮空位數(shù)量的影響，而決定這一指標(biāo)的關(guān)鍵因素則是鋼液表面活性元素對可吸附氮空位的占用情況。在鋼液中氧含量水平不斷增加的背景下，表面氮分子下屬氮原子速所占據(jù)孔位被氧所占據(jù)，造成氮分子形成過程受阻。

從這一角度上來說，由于氧原子的存在，對空氣與鋼液的結(jié)合產(chǎn)生了一定程度上的隔絕作用，這對于降低鋼水二次氧化反應(yīng)以及吸氮效率有非常直接的影響。下表（見表1）給出了脫氧方式對出鋼過程增氮量的影響數(shù)據(jù)。結(jié)合表1 可見，不脫氧鋼（如電工鋼）出鋼過程未見增氮反應(yīng)，與之相反的是，采用鋁鐵等材料在出鋼環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)制性脫氧處理的大梁鋼、車輪鋼等，出鋼過程增氮量達(dá)到12.0*10-6以上，以上數(shù)據(jù)反映，出鋼過程增氮情況會在很大程度上受出鋼后鋼水氧活度的直接影響。這也提示，為減少出鋼過程增氮，關(guān)鍵問題時對出鋼脫氧操作進(jìn)行合理優(yōu)化，確保出鋼后鋼水氧活度在50.0*10-6以上維持。

基于上述分析，為解決低氮鋼種出鋼環(huán)節(jié)存在的增氮問題，關(guān)鍵在于對出鋼脫氧工藝進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，形成基于兩步脫氧的技術(shù)方案。具體實(shí)施過程中的關(guān)鍵要點(diǎn)如下：在低氮鋼種出鋼環(huán)節(jié)中，對鋼水進(jìn)行部分脫氧處理，確保經(jīng)脫氧處理后鋼水氧活度達(dá)到50.0*10-6以上標(biāo)準(zhǔn)，剩余氧通過小平臺喂鋁線的方式進(jìn)行處理，喂線期間應(yīng)當(dāng)特別注意對鋼包底吹氬強(qiáng)度以及喂線速率的嚴(yán)格控制，以此種方式避免鋼鐵裸露增氮問題的出現(xiàn)。通過對出鋼工藝的合理改進(jìn)，達(dá)到控制鋁鎮(zhèn)靜鋼出鋼期間增氮量水平的目的。

工藝優(yōu)化前、后出鋼環(huán)節(jié)增氮量如下表（見表2）所示。結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可見，兩步脫氧控制出鋼過程增氮技術(shù)應(yīng)用后，鋼液出鋼期間增氮量得到明顯控制（基本可控制在5.0*10-6范圍內(nèi)），且使出鋼期間增氮波動維持在較小范圍內(nèi)，達(dá)到了可控的目的。

3 雙氬封長水口保護(hù)澆筑技術(shù)

首先，應(yīng)針對長水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，長水口碗部與鋼包下水口接觸部位采取的是線接觸模式；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，長水口腕部與鋼包下水口接觸部位調(diào)整為面接觸模式。通過對長水口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式，顯著提升了長水口與鋼包長水口在接觸過程中的密封穩(wěn)定性。

并且，此項結(jié)構(gòu)改造措施實(shí)施后，長水口除了在碗口具備吹氬保護(hù)功能以外，還于碗口下方距離30.0mm 位置設(shè)置有環(huán)形接縫氬氣室，在冶煉期間執(zhí)行吹氬動作后該位置會生成一層全新氬氣室，以此種方式發(fā)揮雙層氬氣對澆筑的保護(hù)效果。

其次，應(yīng)針對密封圈材質(zhì)進(jìn)行合理改進(jìn)。密封圈所選用材質(zhì)及其運(yùn)輸會在很大程度上對使用效果產(chǎn)生影響。雙氬封長水口保護(hù)澆筑實(shí)施前，密封圈所選用材質(zhì)硬度較大，運(yùn)輸過程中發(fā)生碎裂的風(fēng)險較高，使用期間不但難以保證結(jié)構(gòu)完整性，同時還對密封效果產(chǎn)生了比較不良影響。

冶煉后期難以自長水口脫落，必須通過氧氣管燒氧的方式加以去除，對鋼水中氮含量的控制也有相當(dāng)不良的影響。界于上述問題，為實(shí)現(xiàn)對煉鋼期間鋼水氮含量的合理控制，還應(yīng)做好對密封圈材質(zhì)的改進(jìn)工作。改進(jìn)前、后密封圈材質(zhì)基本性能指標(biāo)如下表（見表3）所示。結(jié)合表3 數(shù)據(jù)可見，經(jīng)材質(zhì)改進(jìn)后，密封圈整體性能更為良好，質(zhì)地相對偏軟，在使用期間不易發(fā)生碎裂問題，并且冶煉完成后較易自長水口碗部去除，一方面降低了冶煉人員的操作難度，另一方面實(shí)現(xiàn)了對密封性能的優(yōu)化。

表3 改進(jìn)前、后密封圈材質(zhì)基本性能指標(biāo)示意表

4 結(jié)語

結(jié)合相關(guān)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)以及對煉鋼期間操作數(shù)據(jù)的累積，不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致典型鋼種冶煉期間氮含量超標(biāo)的主要原因包括轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水中氮含量偏高、出鋼環(huán)節(jié)增氮嚴(yán)重以及精煉結(jié)束～中間包環(huán)節(jié)增氮嚴(yán)重這幾個方面。針對上述問題，有必要展開系統(tǒng)研究與分析，通過技術(shù)改進(jìn)的方式，對氮含量進(jìn)行科學(xué)控制，通過轉(zhuǎn)爐低氮鋼冶煉技術(shù)，兩步脫氧控制出鋼過程增氮技術(shù)，以及雙氬封長水口保護(hù)澆筑技術(shù)的綜合應(yīng)用，將轉(zhuǎn)爐重點(diǎn)鋼水氮含量水平嚴(yán)格控制在13.0*10-6范圍內(nèi)，同時將出鋼、精煉結(jié)束～中間包環(huán)節(jié)的增氮水平嚴(yán)格控制在5.0*10-6范圍內(nèi)，以得到合理控制鋼水環(huán)節(jié)增氮問題的目的。