張志宏，茹作棟，王春江

(酒泉鋼鐵( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

摘 要: 為降低鋼中氮含量，改善產(chǎn)品質(zhì)量，以某廠各工序環(huán)節(jié)增氮量為參照，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐工序增氮量較大。針對120 t轉(zhuǎn)爐冶煉過程各環(huán)節(jié)，包括裝入制度、供氧制度、脫氧合金化等方面進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)高鐵耗生產(chǎn)、縮短供氧時間、選用 CO2作為底吹氣體，均有利于終點(diǎn)氮含量的控制，轉(zhuǎn)爐出鋼過程選用氮含量低的合金替代含氮量高的合金也可減少過程增氮，提高鋼液純凈度。

關(guān)鍵詞: 氮含量; 裝入制度; 供氧制度; 底吹; 脫氧合金

1 引言

一般情況煉鋼生產(chǎn)是力求降低鋼中氮含量，氮在鋼中是以氮化物的形式存在。在 鋼 進(jìn) 行熱處理時，化學(xué)元素氮會引起鋼淬火工藝的淬火時效和形變時效，從而對于經(jīng)過熱處理的鋼材，硬度和強(qiáng)度有所加強(qiáng)，但也是直接導(dǎo)致鋼材可塑性和韌變性明顯降低，并且隨著時間的延長其形變時效導(dǎo)致鋼材塑性和韌性進(jìn)一步降低。當(dāng)鋼中殘留氮較高，會導(dǎo)致鋼宏觀組織疏松，甚至形成氣泡; 還降低鋼的焊接性能、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率等; 也會使鑄坯開裂，在軋制過程形成邊損等產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此，必須采取有效措施降低鋼中氮含量，特別是高級別鋼種的氮控制尤顯重要。為此，應(yīng)采用合理的冶煉工藝，提高終點(diǎn)控制的命中率，盡量避免補(bǔ)吹，控制好鋼水溫度和成分，嚴(yán)格出鋼脫氧合金化操作等措施，以降低鋼中氮含量。

2 煉鋼工序鋼中氮含量的變化趨勢

2．1 工藝流程及主要工藝參數(shù)

某廠頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐容量 為 120 t，熔 池 容 積115．14 m³ ，Φ 5 880 mm，爐容比 0．96 m³ /t，設(shè)計 6 個底吹孔，主要工藝參數(shù)見表 1。

正常工作氧壓 0． 71 ～ 0． 90 MPa ，供氧時間以 14 ～ 18 min 為基礎(chǔ)。3 座 120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐基本工藝流程為高爐冶煉的鐵水經(jīng)鐵水罐推入混鐵爐經(jīng)混勻后，根據(jù)鐵水硫含量決定是否經(jīng)過脫硫工藝，之后進(jìn)入轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐冶煉的合格鋼水經(jīng)精煉爐處理后吊運(yùn)至連鑄機(jī)澆鑄，工藝流程見圖 1。

2．2 煉鋼各工序氮含量的變化趨勢

在抽取任意爐座、任意班次的 16 爐 SPHC 鋼種( 低碳鋼) 和 14 爐 Q235B 鋼種( 中碳鋼) 的各工序取樣，并進(jìn)行氮含量檢測分析，結(jié)果見圖 2、圖 3。考慮鋼樣氮含量檢測上存在一定的偏差，各環(huán)節(jié)氮含量均跟鋼液終點(diǎn)氮含量相關(guān)，且每道工序都存在一定的增氮，分鋼種對各鋼種各工序環(huán)節(jié)的氮含量求平均數(shù)，見表 2。從表中可以看出，SPHC 鋼種的終點(diǎn)至進(jìn) LF 的平均增氮量為 0．001 0%，包樣至進(jìn) LF的平均增氮量為 0．007%，進(jìn) LF 至出 LF 的平均增氮量 為 0．005%，出 LF 至 CCM 的 平 均 增 氮 量 為0．001%; Q235B 鋼種的終點(diǎn)至進(jìn) LF 的平均增氮量為 0．001 1%，包樣至進(jìn) LF 的平均增氮量為0．005%， 進(jìn) LF 至出 LF 的平均增氮量為 0． 009%，出 LF 至CCM 的平均增氮量為0．000 1%，結(jié)合圖 4 可以看出轉(zhuǎn)爐工序的增氮量最大，因此，轉(zhuǎn)爐工序的氮含量控制尤為重要。

3 轉(zhuǎn)爐增氮的影響因素

3．1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量影響因素

3．1．1 裝入制度對終點(diǎn)氮含量的影響

采用分階段定量裝入，根據(jù)裝入制度選取裝入分別為 102+32( 其中鐵水 102 t，廢鋼 32 t) 與 122+12( 其中鐵水 122 t，廢鋼 12 t) 的 SPHC 鋼種進(jìn)行對比，平均終點(diǎn)氮含量見表 3。當(dāng)高鐵耗生產(chǎn)時終點(diǎn)氮含量明顯低于低鐵耗生產(chǎn)時的終點(diǎn)氮含量。在轉(zhuǎn)爐總裝恒定的前提條件下，增加鐵水用量，同時必須等量減少廢鋼用量，保證總裝的穩(wěn)定，高鐵耗生產(chǎn)相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)爐冶煉過程的物理熱及化學(xué)熱，同時爐內(nèi)總的含碳量也較低鐵耗要高，在吹煉過程可加劇爐內(nèi)碳氧反應(yīng)，增加 CO 的生成量，CO 氣泡的生成有利于吹煉前期、中期將鐵水中的氮排出，間接降低吹煉終點(diǎn)的鋼中氮含量^［1－4］，相反鋼中總碳量減少，生成 CO 量減少，不利于吹煉期間氮的排出。在吹煉終點(diǎn)碳含量相同的條件下，入爐鐵水比越低，鋼中氮含量越高^［5］。

3．1．2 供氧制度對終點(diǎn)氮含量的影響

頂吹氧槍采用五孔拉瓦爾氧槍，主要參數(shù)見表4。正常氧氣流量控制在 25 000 ～ 27 000 Nm³ / h，自2021 年 2 月開始為縮短冶煉周期、探索縮短吹煉時間對鋼液終點(diǎn)氮含量的影響，特對氧槍噴頭參數(shù)進(jìn)行改造，提高過程氧氣流量至 28 000 Nm³ / h，Q235B鋼種吹煉時間平均可縮短 42 s，減少了吹煉末期氧氣射流吹開渣面后，鋼液面大面積的裸露，造成鋼液吸氮^［6］的狀況，對比兩種供氧模式下 Q235B 的供氧時間與終點(diǎn)氮含量的關(guān)系見表 5，發(fā)現(xiàn)供氧時間越短則終點(diǎn)氮含量越低，第二種模式下氮含量降低了0．000 9%。

3．1．3 轉(zhuǎn)爐底吹對終點(diǎn)氮含量的影響

復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹氣體通常使用 N₂和 Ar 作為底吹氣體，底吹強(qiáng)度為 0．03 ～ 0．3 m³ /( t·min) ，主要目的是加強(qiáng)熔池攪拌^［6］，在實(shí)際冶煉過程中與底吹 N₂和Ar 相比，底吹 CO₂的攪拌能力更強(qiáng)，更容易獲得良好的冶金效果，對比底吹 N₂和 Ar 與 CO₂的區(qū)別，選取部分 SPHC 系列鋼種及 Q235B 鋼種對其終點(diǎn)氮含量統(tǒng)計分析，具體見表 6，底吹 CO₂試驗(yàn)爐次與常規(guī)底吹 N₂和 Ar 爐次相比氮含量能下降 0．000 3% ～0．000 6%。

3．2 出鋼過程對鋼液氮含量的影響因素

3．2．1 脫氧合金化對鋼液氮含量的影響

轉(zhuǎn)爐出鋼過程是鋼液與空氣直接接觸的過程，避免不了鋼液被空氣污染，出鋼時間越長，鋼水吸氮越多，因此，控制合理的出鋼時間及出鋼口形狀對控制氮含量十分有效。出鋼脫氧合金化過程的氮含量增加主要有脫氧劑及合金自身帶入的氮，以及鋼包吹氬過程鋼液裸露與空氣直接接觸吸氮兩方面，不同的脫氧合金其自身氮含量不同，見表 7，可以看出低碳錳鐵氮含量是金屬錳球氮含量的 20．6 倍，且其錳含量也高于低碳錳鐵，相同成分范圍下使用量更少，因此，對氮含量要求嚴(yán)格的含錳鋼種在配錳元素時應(yīng)優(yōu)先考慮使用金屬錳球。

3．2．2 鋼包加廢鋼對鋼液氮含量的影響

為增加鋼產(chǎn)量，降低鋼鐵料消耗，采用在出鋼過程通過旋轉(zhuǎn)溜管將精細(xì)廢鋼( 鋼筋頭) 加入鋼包的工藝操作，鋼筋頭中氮含量檢驗(yàn)值為 0．012%，加之轉(zhuǎn)爐爐后加入廢鋼后為確保充分融化，底吹攪拌強(qiáng)度增加，鋼液裸露，吸氮較正常爐次有所增加，如圖 5所示精細(xì)廢鋼加入量與鋼液增氮量存在一定的正相關(guān)。

4 結(jié)語

⑴在總裝不變的情況下，增加鐵水量可以加劇爐內(nèi)碳氧反應(yīng)，對反應(yīng)前、中期脫氮十分有效，因此高鐵耗生產(chǎn)對氮含量控制有益，120 t 轉(zhuǎn)爐將鐵耗由 850 kg /t 調(diào)整到 1 000 kg /t 的情況下，平均氮含量可降低 0．000 5%。

⑵通過改變 120 t 轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整氧氣流量達(dá)到縮短吹煉時間，同時對比兩種供氧模式下終點(diǎn)鋼液氮含量，發(fā)現(xiàn)縮短供氧時間 42 s，可降低終點(diǎn)氮含量 0．000 9 %。

⑶底吹 CO₂氣體可以有效降低鋼水終點(diǎn)氮含量，底吹 CO₂試驗(yàn)爐次與常規(guī)底吹 N₂和 Ar 爐次相比氮含量能夠下降 0．000 3% ～ 0．000 6 %，因此，底吹 CO2氣體對冶煉品種鋼有很好的應(yīng)用價值。

⑷出鋼過程加入脫氧合金以及精細(xì)廢鋼后，由于合金和精細(xì)廢鋼本身含氮，為確保充分融化需增加底吹攪拌強(qiáng)度，都使鋼液氮含量大幅度升高，因此冶煉氮含量要求嚴(yán)格的鋼種時應(yīng)不加精細(xì)廢鋼，選用氮含量低的合金替代含氮量高的合金。

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