转炉冶炼钢水氮含量浅析

转炉冶炼钢水氮含量浅析

任广亮

（南京钢铁股份有限公司，江苏南京，210035）

摘  要：本文通过对150吨转炉冶炼过程取样分析，发现在吹炼前、中期，随着C-O反应速度的提高，脱氮速度也提高，吹炼后期随C-O反应速度减弱，脱氮速度也减弱，后期随补吹次数和时间增加，脱氮速度呈负增长，钢液吸氮严重。因此，提高C-O反应速度和缩短吹炼时间，减少补吹次数和时间，

1 前言

钢中氮含量对钢的机械性能影响较大，随着钢中氮含量的增加，钢的塑性下降，延展性降低；氮还可加重钢材的时效、降低钢材的冷加工性能、造成焊接热影响区脆化、使铸坯开裂及引起晶间腐蚀，氮成为钢中的有害元素之一^[1]-[2]。如何降低钢水氮含量一直都是冶金工作者普遍关心的问题，目前低氮钢多采用转炉流程生产，钢中氮含量可控制在20～40ppm。

目前，南钢中厚板卷厂冶炼钢种达350多种，其中95%以上的钢种对氮含量都有严格要求，甚至部分钢种要求[N]≤0.0045%，这对冶炼过程氮含量控制提出了更高更苛刻的要求，转炉作为冶炼的一个重要环节，氮含量控制和过程工艺优化显得尤为重要。本文通过试验分析转炉冶炼过程工艺对钢液氮含量变化情况，提出工艺改进的关键措施，以达到市场和客户的要求，特别是满足高级别管线钢和特殊容器钢对氮含量的要求。

2 转炉吹炼过程氮含量情况

通过对转炉吹炼过程钢水取样分析，南钢150t复吹转炉冶炼过程钢液氮含量变化如图1所示。由图1中可以看出，铁水w[N]在42PPm～64PPm,平均为57 PPm；吹炼5min时钢液w[N]在28PPm～41PPm,平均为35 PPm，脱氮速度为4.4 PPm/min；吹炼12min时钢液w[N]在11PPm～31PPm,平均为24 PPm, 脱氮速度为1.57 PPm/min；吹炼16min时钢液w[N]在20PPm～42PPm,平均为28 PPm, 脱氮速度为-1 PPm/min；对比吹炼过程钢液w[N]的变化得出，吹炼前期、中期钢液脱氮，到了吹炼后期（吹炼12min后）随着钢液碳含量的降低导致钢液C-O反应速度减弱，钢液吸氮。

图1 南钢150t复吹转炉吹炼过程钢液氮含量变化

3 转炉冶炼氮含量变化的分析

3.1 吹炼时间对钢液氮含量的影响

研究吹炼过程钢液w[N]变化中发现钢液吹炼（吹氧）时间越长，钢液吹炼后期吸氮量越严重。试验选取10炉吹炼过程样分析，转炉吹炼时间对钢液平均氮含量影响如图2所示。吹氧时间为18min,铁水w[N]为62 PPm；吹炼5min时下降到41 PPm，脱氮速度为4.2 PPm/min；吹炼12min时进一步下降到26 PPm，脱氮速度为2.14 PPm/min；吹炼12min后开始吸氮，吹炼16min时上升到30PPm，脱氮速度为-1 PPm/min；吹炼18min（终点）时上升到35 PPm，脱氮速度为-2.5 PPm/min。

图2 吹炼时间对钢液w[N]影响

从吹炼时间对钢液w[N]影响明显的看出，吹炼12min时的脱氮量及脱碳速度基本相似，铁水中总氮量的一半被去除，但是吹炼12min后，吹炼时间长4min,吹炼后期脱碳速度负增长（-1 PPm/min～-2.5 PPm/min），所以吸氮很严重。缩短吹炼（吹氧）时间也是降低终点钢液氮含量的重要手段。

3.2 C-O反应速度对钢液氮含量的影响

3709、3710、3711三炉钢吹炼过程钢液w[C]变化如图3所示。

图3 吹炼过程钢液w[C]变化

由图3可以看出， 3709、3710两炉吹炼时间为18min, 3711炉炉吹炼时间为15min。铁水w[C]在4.67%～5.4%,平均为4.96%；吹炼5min时钢液w[C]在3.04%～3.23%,平均为3.14%，脱碳速度为0.364%/min；吹炼12min时钢液w[C]在0.44%～0.82%,平均为0.63%，脱碳速度为0.359%/min；吹炼16min时钢液w[C]在0.030%～0.039%,平均为0.0345%，脱碳速度为0.457%/min；吹炼终点时钢液w[C]在0.05%～0.06%,平均为0.055%，脱碳速度为-0.01%/min。开始吹炼至吹炼12min脱碳速度快，吹炼12min后随着钢液碳含量的降低脱碳速度缓慢，吹炼16min后脱碳速度负增长。

下面以3709炉和3711炉为例，对比吹炼过程脱碳速度及利用图。

分析C-O反应速度对吹炼过程w[N]的影响如图4所示。

图4  C-O反应速度对吹炼过程w[N]的影响

由图4可以看出，3709炉吹炼开始钢液w[C]为5.4%，吹炼5min时钢液w[C]为3.23%，脱碳速度为0.434%/min，相对应的脱氮速度为4.2 PPm/min；吹炼12min时钢液w[C]为0.82%，脱碳速度为0.344%/min，相对应的脱氮速度为2.14 PPm/min；吹炼16min时钢液w[C]为0.030%，脱碳速度为0.198%/min，相对应的脱氮速度为-3.5 PPm/min；吹炼18min（吹炼终点）时钢液w[C]为0.05%，脱碳速度为-0.01%/min，相对应的脱氮速度为-5 PPm/min，脱氮率为20%。

3911炉吹炼开始钢液w[C]为4.67%，吹炼5min时钢液w[C]为3.04%，脱碳速度为0.326%/min，相对应的脱氮速度为4.0 PPm/min；吹炼12min时钢液w[C]为0.44%，脱碳速度为0.371%/min，相对应的脱氮速度为1.57 PPm/min；吹炼15min（吹炼终点）时钢液w[C]为0.05%，脱碳速度为0.13%/min，相对应的脱氮速度为-2.0 PPm/min。脱氮率为43.86%。

分析脱碳速度对吹炼过程w[N]的影响得出：在吹炼前、中期（吹炼12min以前）,随着C-O反应速度的提高，脱氮速度也提高，脱氮量＞吸氮量，钢液中氮含量迅速下降，铁水中总氮含量的一半被去除；吹炼后期（吹炼12min以后）随着钢液碳含量的降低，C-O反应速度减弱，脱氮速度也减弱，脱氮量＜吸氮量此时吹氧时间越长，脱氮速度负增长钢液吸氮严重，钢液增氮。提高C-O反应速度和缩短吹炼时间，可以提高脱氮速度，降低钢液氮含量。

3.3 补吹对转炉脱氮的影响

转炉吹炼后期补吹对钢液氮含量的影响，如图5所示。

图5 转炉补吹对钢液氮含量的影响

3861炉～3864炉吹炼后期都进行补吹（平均2min），使钢液氮含量明显增高。补吹结束后，4炉钢水依次增氮10ppm，2ppm，22ppm，16ppm，增氮较严重。这是因为复吹转炉吹炼接近终点时，使用副枪进行测温、取样，一旦磷、硫含量超标或温度达不到所炼钢种要求，需要补吹来解决上述问题，此时熔池碳含量已很低，如图6补吹对终点钢液w[C]的影响，3863炉吹炼终点w[C]为0.037%，补吹一次下降到0.024%，补吹两次下降到0.018%。

图6 补吹对终点钢液w[C]的影响

这么低的w[C]条件下，继续吹氧，大部分用来氧化钢液中的[Fe]。根据Fe-C的选择氧化^[3]，1600℃钢液中Fe-C的选择氧化平衡点为[C]=0.041%，说明w[C]≤0.041%，氧优先与钢液里的铁反应，再与碳反应，造成钢液收得率下降，渣中的w（FeO）升高，C-O反应很弱，导致CO气泡产生量少，脱氮量很小，氧气流冲开渣面，火点区钢液面裸露，造成火点区钢液的吸氮大于CO气泡带氮量，使钢液中的氮升高。

故应避免补吹操作，提高一次拉碳率，终点氮含量可基本保持在<30ppm的水平，补吹1次氮含量最低增加8ppm，补吹2次钢液氮含量最少增加16ppm，补吹次数越多，出钢氮含量越高，补吹时,碳含量越低，钢液中的氮含量越高。

4 小结

通过对南钢150t转炉冶炼过程氮含量分析研究，得出以下结论：

（1）铁水平均氮含量为57 PPm，吹炼5min时钢液平均氮含量为35 PPm，吹炼12min时钢液平均氮含量为24 PPm, 吹炼12min后略微增氮，吹炼终点时钢液平均氮含量为28 PPm。

（2）在吹炼前、中期（吹炼12min以前）,随着C-O反应速度的提高，脱氮速度也提高，脱氮量＞吸氮量，钢液中氮含量迅速下降，铁水中总氮含量的一半被去除；吹炼后期随着钢液碳含量的降低，C-O反应速度减弱，脱氮速度也减弱，脱氮量＜吸氮量此时吹氧时间越长，脱氮速度负增长，钢液吸氮严重，钢液增氮。

（3）补吹次数越多，出钢氮含量越高。一次拉碳出钢，终点氮含量可基本保持在＜30ppm的水平。补吹可加入铁皮、轻烧白云石等使炉内炉渣发泡，避免或减小钢液裸露，有助于降低补吹增氮量。

参考文献

[1] 陈家祥.钢铁冶金学(炼钢部分) [M].北京:冶金工业出版社,1990, 91；

[2] 李晶,傅杰,迪林,等.溶解氧对钢液吸氮影响的研究[ J].钢铁,2002, 37(4): 19~20、34；

[3] 黄希祜．钢铁冶金原理（第3版）[M]．北京：冶金工业出版社，2004：104~378；