钢水氮含量影响因素及控制措施

李田茂，倪勤盛，刘贺华，田福（本钢集团北营炼钢厂，辽宁本溪117000）

钢水氮含量影响因素及控制措施

李田茂，倪勤盛，刘贺华，田福
（本钢集团北营炼钢厂，辽宁本溪117000）

分析了转炉生产环节中由于复吹气体选择、转炉出钢口维护、合金选择、吹氩清扫以及LF精炼过程中炉内通电时间、脱氧剂、压力调节等环节对钢水增氮量的影响。采取减少转炉后吹、缩短LF通电时间等措施后，钢中氮含量控制在0.005 0%以下。

转炉；精炼；钢水；氮含量

近年来，随着本钢集团北营炼钢厂优质线材品种钢生产量的不断增大以及客户对产品质量要求的不断提高，如何在提高炼成率的同时提高产品质量、满足客户需求就显得尤为重要。钢中氮含量高不仅会增加钢材的时效、蓝脆，也使钢水中钛、硼、铌、铝元素的回收率降低并形成脆性氮化物夹杂，恶化了钢的性能。针对此问题，本钢北营炼钢厂对生产中各个环节进行了分析，找出其中增氮量较大的环节，制定相应措施，从而使氮含量得到了有效控制。

1　转炉冶炼过程氮含量影响因素

1.1复吹对钢中氮含量的影响

在炼钢吹炼过程中，由于氧气的冲击作用以及产生的CO气体的不断逸出，钢水在增氮的同时也在进行脱氮反应。复吹模式的选择对氮含量的影响随着脱碳反应的激烈程度而变化，若吹炼全程底部供氮气时,即便供氮强度小,钢水中氮含量也会增加至0.002 0%～0.004 5%。

实践表明,吹炼前期、中期供给氮气,钢水中增氮的可能性很小,由于吹炼前中期脱碳反应的激烈进行使钢液的吸氮速度小于脱气速度［1］。所以,前、中期复吹氮气造成钢水吸氮的可能性很小。而吹炼末期钢水氧含量大幅增加,使钢中氮的活度增大。另外，熔池中产生的CO气泡的脱氮作用也会使钢中含氮量进一步降低。但是,随着钢中碳含量的降低,脱碳速度显著下降,产生的CO气体量减少,炉口差压变小,从炉口卷入的空气量增多,炉气中氮的分压增大,因而会出现增氮现象,特别是后吹炉次出现了较高的增氮量。对高碳钢（转炉终点ω［C］≥0.40%）、普碳钢 （转炉终点0.12%≤ω［C］≤0.20%）、低碳钢（转炉终点ω［C］≤0.08%）转炉吹炼结束后的氮含量进行检测（各抽检10炉，计算出平均氮含量），结果见图1。由图1可以看出，转炉终点C含量越低，吹炼时间越长，钢中N含量越高。后吹炉次同样增加了冶炼时间，增大了从炉口卷入空气导致增N的机率。

1.2出钢口对钢中氮含量的影响

出钢口形状不规则以及出钢口粘接冷钢都会直接影响钢流的形状,出钢的钢流发散增加了钢水与大气接触的比表面积,给钢水吸氮创造了条件。而出钢时间的长短也同样影响钢中氮含量,因为出钢时间越长,钢水与大气接触的时间就越长,吸氮的可能性就越大。为检验出钢口形状以及出钢时间对钢中N含量的影响，对出钢散流且平均出钢时间约为5 min和出钢不散流且出钢时间在3 min的同一钢种（Q235B）钢中N含量进行检测（不考虑其它工艺影响），结果见表1。

表1　出钢口形状及出钢时间对N含量的影响

由表1看出，出钢不散流且时间较短炉次比出钢散流且时间较长炉次平均ω［N］低0.0007%。

1.3脱氧合金化对钢中氮含量的影响

由于合金含氮量的不同以及对合金收得率的较高要求，选择不同的合金及加入时机会得到不同的收得率，从而也影响钢水氮含量的增加。炼钢常见合金氮含量见表2。

检测高碳钢生产过程中复合碳铁及焦炭增碳剂的增氮情况发现，使用复合碳铁后钢水氮含量比使用焦炭增碳剂的普遍高0.000 6%～0.001 1%。

表2　炼钢主要原料中氮含量　%

1.4吹氩操作对钢中氮含量的影响

氩气泡在钢水中上浮及其引起的强烈搅拌反应,提供了气相成核和夹杂颗粒碰撞的机会,有利于气体和夹杂物的排除,这就是氩气的搅拌作用。另外,氩气在钢水中逸出后覆盖在钢液面上,能使钢水避免二次氧化和吸收气体,但是压力过大时会使液面裸露而发生二次氧化和吸气，增N,效果反而不好。

检测出钢前对钢包的氩气吹扫以及出钢全程氩气搅拌发现，氩气吹扫后的钢水氮含量比不吹扫炉次平均氮含量低0.000 3%。

2　LF精炼对钢中氮含量的影响

2.1LF精炼炉钢水增氮的机理

精炼LF炉在通电时由于电弧区局部温度达到2 100℃以上，氧和硫的表面活性作用对阻碍吸氮的影响作用消失，氮的溶解度增加，只要钢水出现裸露就会吸氮，氮气在钢液中的溶解反应如下：

式中，K为氮溶解反应常数；fN为钢液中N的活度系数；PN2为钢液中N的平衡分压，kPa；a、b为常数。

由式（3）可以看出，随着温度的提高，氮溶解反应常数K增大，钢液中氮的溶解度也随之增加，在电弧区钢液增氮较为严重。

2.2通电时间

随着通电时间的增加，特别是高温状态下的通电，会加速空气中氮气的电解，对高碳钢、低碳低硅铝镇静钢、含钛钢的生产数据进行了检测。高碳钢通电时间平均为20 min；低碳低硅铝镇静钢由于需要进行改渣操作，通电时间平均为23 min；含钛钢由于合金含量较大，因此升温幅度较大，通电时间平均为28 min。上述三种类型钢种在不同通电时间下的增氮量见图2。由图2可以看出，通电时间越长，钢水中的氮含量越高。

2.3不同脱氧剂

炉渣中氮的溶解度随ω（FeO）的降低而升高，并随着碱度的增大而升高。在采用碳粉与硅铁粉复合脱氧、电石脱氧还原炉渣时，则会发生如下反应生成Ca（CN）2。

电石渣由于CO的隔离作用，氮含量的波动较小。而大量使用铝粒脱氧的炉次，由于铝热反应使炉渣温度迅速升高，从而加速了氮气的电解，炉渣中氮含量会更高。随着炉渣中氮含量的增高，钢水中的氮含量相应地也会增多。含钛钢种生产时，若钢水脱氧不良，在加入钛铁后也会因为钛的强脱氧作用降低钛收得率，并大幅度增加钢水氮含量。

式中，ω［N］e为与氮分压平衡的钢液中氮的质量百分浓度；V为钢液体积；F为钢液表面积；Kc为传质系数；fN为钢液中N的活度系数；aO为钢液中氧的活度,a为钢液中硫的活度,

从式（7）可以看出，钢液中的氧、硫含量会影响吸氮反应速度常数Kc值，氧、硫越低，Kc值越大。说明钢液脱氧程度直接影响吸氮反应，在精炼炉脱氧越完全，钢液的吸氮越严重［2］。

2.4LF炉炉内气氛

LF精炼过程并不是一个真空环境，虽然底吹氩气会造成微正压状态，但是如果除尘风量大于底吹氩气的流量时，炉外的空气会被抽入钢包与包盖之间，从而导致空气与裸露的钢水接触，发生增氮现象。LF精炼炉采用微正压操作比正常负压操作会降低增氮量约0.000 5%～0.000 8%［3］。

3　控氮措施

3.1转炉冶炼以及出钢控氮

在复吹过程中采用前中期供氮气,后期供氩气,在吹炼至脱碳高峰期约10～12 min时，进行氩气切换氮气操作［4］；对出钢口的形状以及外部挂钢进行重点控制,以钢流不发散为原则,出钢时间控制在5～7 min；选择合金物料时不选用氮含量偏高的物料，目前已停止采购复合碳铁以及硅钙粉。在合金化过程中，特别是铝合金化时采用出钢留氧炉后脱氧的方式，避免形成过多的AlN；提高一次拉碳率，分析补吹原因制定措施，减少因点吹带入的增氮量；采用出钢前对钢包吹氩2～3 min，出钢全程通过底吹氩搅拌实现氩气覆盖钢液面；提高出钢碳含量，在氩气的作用下进一步进行碳氧反应；冶炼低碳钢时，在出钢时向包内加入少量增碳剂，使其在氧作用下同样形成一氧化碳小气泡，促进脱氮以及钢液面气体覆盖；为防止大吹氩搅拌钢水增氮，炼钢制定合理的出钢温度，避免高温钢水,减缓氮的扩散和溶解。

3.2LF炉控氮

在保证精炼效果的前提下缩短通电时间，并且在通电前期采用低电压、低电流进行稳弧，减少空气电解，在流动性炉渣形成后采用快速升温方式，从而进一步降低增氮量；针对不同的钢种，在采用脱氧剂时选择交互方式，造好泡沫渣，避免脱氧过度，在铝脱氧钢中后期加入少量电石渣，使其稀释隔绝氮气，减缓吸氮［5］；在LF通电过程中，通过调整风机转速以及风门开度的方式实现微正压操作，使炉口以及电极孔周围轻微向外冒烟，避免负压操作将周围空气抽向炉内，与钢水接触。此外选择合适的底吹氩流量，使钢水在搅拌的前提下避免钢液面裸露。

4　实施效果

在不经过真空处理的情况下通过以下几点减少增氮量如下：

（1）转炉脱碳期高峰结束后将复吹气体切换为氩气，能够减少增氮量0.000 9%～0.001 6%；

（2）转炉提高终点［C］、［P］、温度整体命中率，避免点吹，能减少增氮量0.000 4%～0.001 0%；

（3）维护出钢口清洁，避免散流出钢，出钢时间短，能够降低钢中氮含量约0.000 7%；

（4）出钢前氩气吹扫钢包，选择合适的吹氩流量，能够减少增氮量0.000 1%～0.000 2%；

（5）转炉工序人为制造碳氧反应，产生一氧化碳气泡进行钢水隔离，能够减少增氮量0.000 2%～0.000 4%；

（6）LF炉在保证冶金效果的前提下缩短通电时间，能够减少增氮量0.000 2%/min；

（7）LF炉选择合适的通电电压、电流以及脱氧剂，保证埋弧效果，减少空气电解，能够减少增氮量0.000 3%～0.002 0%；

（8）对LF炉调整风门开度，保持LF炉微正压操作，能够减少增氮量0.000 5%～0.000 8%。

各工序氮含量见图3所示。

采取以上措施后，将转炉出钢后的增氮量稳定控制在0.000 8%以下；LF炉低硅含铝钢增氮量控制在0.001 1%以下，含钛钢种增氮量控制在0.001 6%以下。由图3可以看出，最终成品氮含量控制在0.005 0%以下。

5　结论

（1）复吹转炉吹炼末期易导致吸氮，终点C含量越低，吸氮越多；出钢口不规则、出钢时间越长，钢中吸氮越多；选择低氮含量的合金进行合金化；炉后吹氩氩气大小以及钢包氩气吹扫等均影响钢中N含量的控制。在LF炉精炼环境下，钢水裸露时极易吸氮。

（2）采取减少后吹、及时维护出钢口、钢包氩气吹扫、杜绝大氩气吹氩以及缩短钢水通电时间、选用合理的精炼脱氧剂造泡沫渣、LF炉内采用微正压避免负压等措施后，各类钢种钢中N含量均控制在0.005 0%以下。

［1］冯捷.转炉炼钢生产［M］.北京:冶金工业出版社,2008.

［2］成国光，萧忠敏，姜周华.新编钢水精炼暨铁水预处理1500问［M］.北京:中国科学技术出版社，2007.

［3］耿继双,李万象.LF精炼及后道工序钢中氮、氧含量控制技术研究［J］.鞍钢技术,2004（3）:28～30.

［4］张红文.炼钢基础知识［M］.北京:冶金工业出版社,2007.

［5］高泽平.炉外精炼［M］.北京:冶金工业出版社,2005.

（编辑 许营）

Influencing Factors for Content of Nitrogen in Molten Steel and Controlling Measures

Li Tianmao，Ni Qinsheng，Liu Hehua，Tian Fu
（Beiying Steelmaking Plant of Benxi Iron&Steel Group Company,Benxi 117000,Liaoning,China）

Influencing factors for the content of nitrogen in molten steel such as the option of combined blowing gas,maintenance for the tapping hole of converter,selection of alloy,cleaning by argon blowing during the whole steelmaking process by converter as well as the power-on time in furnace,deoxidation agent,pressure adjustment during refining by LF are analyzed.After taking such measures as reducing times of reblowing in converter and shortening the power-on time in LF,the content of nitrogen in molten steel is controlled below 0.005 0%.

converter;refining;molten steel;nitrogen content

TF703

A

1006-4613（2015）03-0043-04

李田茂，工程师，1997年毕业于辽宁科技学院炼钢及铁合金专业。

E-mail：LNBXLTM@163.com

2014-09-23