溫 瀚， 王少軍， 黃財(cái)?shù)拢?趙長(zhǎng)亮

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063200）

氮通常為鋼中的有害元素，比如汽車鋼板氮含量需要嚴(yán)格控制，盡量消除時(shí)效和保證金屬深沖性能。但對(duì)一些特殊鋼種如含氮馬口鐵而言，氮卻是一個(gè)重要的合金元素[1]：能夠促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，有效細(xì)化晶粒，提高金屬?gòu)?qiáng)韌性。目前冶煉含氮鋼種的主要工藝分兩類：合金增氮法和氣體增氮法[2]。合金增氮主要采用氮含量高的合金加入到鋼水中進(jìn)行增氮，比如氮化錳，但收得率偏低并且生產(chǎn)成本較高，在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用較少；氣體增氮法將氮?dú)獯等脘撘?，彌散的氮?dú)馀蒿@著改善氣體氮合金化的動(dòng)力學(xué)條件，氣泡可以增加氣-液接觸面積，縮短原子擴(kuò)散距離，有效促進(jìn)鋼液中氮含量接近平衡，其帶來(lái)的攪拌效應(yīng)可使鋼液溫度和合金元素均勻化[3]。此外，氮?dú)庾鳛橹谱餮鯕獾母碑a(chǎn)品，成本低廉，當(dāng)前鋼鐵企業(yè)對(duì)生產(chǎn)成本要求日益嚴(yán)格，氣體增氮法逐漸被認(rèn)知并擴(kuò)大使用[4-5]。

氣體增氮常見的工藝為在RH 循環(huán)過(guò)程中采用氮?dú)庾鳛榄h(huán)流氣，氮元素溶解到鋼水中增氮，國(guó)內(nèi)很多鋼廠（如首鋼、鞍鋼等鋼廠）采用RH 環(huán)流增氮的工藝進(jìn)行高氮鋼的冶煉，此工藝相對(duì)成熟穩(wěn)定，增氮速率較為穩(wěn)定，但RH 處理過(guò)程成本偏高，占用了RH 冶煉超低碳鋼的產(chǎn)能，首鋼京唐公司為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、釋放RH 產(chǎn)能， 決定開發(fā)CAS 底吹氮?dú)庖睙捄摴に嚒?/p>

與RH 利用提升氣體供氮不同，CAS 采用底吹供氮。在工藝開發(fā)初期由于缺乏底吹供氮經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常出現(xiàn)增氮控制不穩(wěn)定、氬氣壓力大導(dǎo)致鋼液裸露出現(xiàn)二次氧化等問題。為解決上述問題，京唐公司開展了底吹氮?dú)庠龅に囇芯?，通過(guò)理論分析和工業(yè)試驗(yàn)研究了鋼水溫度、吹氮時(shí)間、氮?dú)鈮毫偷獨(dú)饬髁繉?duì)增氮的影響，并提出了合適的增氮技術(shù)工藝。

1 鋼水增氮理論

1.1 鋼水增氮熱力學(xué)分析

1.1.1 壓力的影響

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氮在鋼液中的溶解度很小，氮以原子和化合物的形式溶解在鋼中，鋼水吸氮是自發(fā)過(guò)程，冶煉過(guò)程中氮的的溶解反應(yīng)為：

從式（1）可知，煉鋼溫度下（1 500～1 700 ℃），N2在鋼液中的溶解吉布斯自由能均ΔG＞0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，因此，鋼液中的［N］不是N2直接溶解進(jìn)入，而是以原子、化合態(tài)形式存在于鋼液中的。

氮的溶解反應(yīng)Sievert 定律[6]如下：

式中：w（N）為鋼中的理論飽和氮含量；fN為氮的活度系數(shù)；PN2為氮分壓，Pa；Pθ為標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa；KN為分壓105 Pa 時(shí)，1 600 ℃時(shí)N2=2［N］反應(yīng)的平衡常數(shù)，由以上公式可以看出氮的溶解度隨壓力的提高而增大。

1.1.2 合金元素的影響

在合金鋼中，由于合金元素的影響，氮的活度系數(shù)fN≠1，通?？捎上率角蟮茫?/p>

式中：Σej，Nw為各元素與氮的相互作用系數(shù)；w（j）為各元素在鋼中的質(zhì)量百分含量。

由式2 可以看出，合金元素增加會(huì)提高鋼中的氮含量。

1.1.3 溫度的影響

氮的溶解度還受溫度的影響，在不同溫度下氮的相互作用系數(shù)可由Chipman 所給的計(jì)算公式求出[7]：

由式3 可以看出，提高鋼液溫度有利于增氮。

1.2 鋼液增氮?jiǎng)恿W(xué)分析

假定吸氮按氣體向鋼水表面的吸附、離解和向鋼中溶解的過(guò)程進(jìn)行，即：

1）氣泡中氮?dú)庥蓺馀輧?nèi)部向氣泡一鋼液表面?zhèn)髻|(zhì)。

2）在氣泡—金屬界面上的吸附化學(xué)反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，N2=2[N]。

3）［N］在鋼液側(cè)邊界層中傳質(zhì)。

冶煉過(guò)程中，由于氣泡很小，吹入的氮?dú)鈴臍馀輧?nèi)部向鋼液表面的傳質(zhì)速度比界面反應(yīng)速度要快得多，即認(rèn)為步驟1）速度很快，不會(huì)成為增氮過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)，增氮的動(dòng)力學(xué)由［N］在鋼液側(cè)邊界層的傳質(zhì)和界面上的化學(xué)反應(yīng)混合控制，可由下式表示[8]：

式中：[N]e為氮?dú)馀菖c鋼液界面處濃度；[N]O為鋼液中原始氮濃度；w[N]為鋼液中實(shí)際氮濃度；ρ（Fe）為鋼液密度，kg/m3；A為傳質(zhì)界面，m2；Rm為傳質(zhì)系數(shù)；W為鋼液質(zhì)量，kg；t為時(shí)間，s。

由式4 可以看出，擴(kuò)大氮?dú)獾膫髻|(zhì)界面、增加吹

氮的時(shí)間均能促進(jìn)鋼液增氮。

2 底吹增氮生產(chǎn)試驗(yàn)

2.1 設(shè)備改造

在CAS 原有的吹氬管路上增加了氮?dú)夤苈?，利于進(jìn)行氬氣和氮?dú)獾那袚Q，對(duì)鋼包進(jìn)行底吹氬氣或氮?dú)狻?/p>

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)鋼種選擇為SPHC，此鋼種對(duì)N 含量要求的范圍比較寬，鋼種主要化學(xué)成分要求見表1。試驗(yàn)爐次鋼水氮含量按照w（N）=（30～60）×10-6控制。

表1 試驗(yàn)鋼種SPHC 主要化學(xué)成分要求 %

試驗(yàn)工藝路線為：KR 脫硫→常規(guī)轉(zhuǎn)爐冶煉→CAS→板坯連鑄機(jī)。CAS 主要性能參數(shù)見表2。

表2 CAS 主要性能參數(shù)

2.3 試驗(yàn)跟蹤與分析

2.3.1 CAS 吹氮時(shí)間與增氮量的關(guān)系

在底吹氮?dú)鈮毫?.3 MPa，氮?dú)饬髁繛?00 L/min 的條件下，鋼液增氮如圖1 所示：

從圖1 看，隨著吹氮時(shí)間的增加鋼液增氮量總體呈線性增加，但是增氮速率隨吹氮時(shí)間的增加逐漸降低。

圖1 吹氮時(shí)間與增氮量的關(guān)系

2.3.2 鋼水溫度與增氮速率的關(guān)系

在底吹氮?dú)鈮毫?.3 MPa，氮?dú)饬髁繛?00 L/min 的條件下，選取5 爐同鋼種鋼水，分別將CAS 吹氮前的溫度分別控制在1 620 ℃、1 610 ℃、1 600 ℃、1 590 ℃、1 580 ℃、1 570 ℃，吹氮時(shí)間控制在8 min，取吹氮前后的鋼樣進(jìn)行N 成分分析，統(tǒng)計(jì)計(jì)算情況如圖2。從圖2 可以看出：增氮速率隨溫度降低呈下降趨勢(shì)。

圖2 鋼液溫度與增氮速率的關(guān)系

2.3.3 CAS 吹氮時(shí)間與增氮量的關(guān)系

在底吹氮?dú)鈮毫Ψ謩e為1.3 MPa 的條件下，試驗(yàn)5 爐，吹氮流量分為300 L/min、400 L/min、500 L/min、600 L/min、800 L/min 五擋進(jìn)行吹氮試驗(yàn)，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統(tǒng)計(jì)其增氮速率如下頁(yè)圖3。

從圖3 可以看出，隨著氮?dú)饬髁康奶岣?，鋼水增氮速率呈上升趨?shì)，但是當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁砍^(guò)800 L/min時(shí)，易造成CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的潔凈度。從增氮速率來(lái)看，氮?dú)庾罴蚜髁繛?00～600 L/min。

圖3 CAS 底吹氮?dú)饬髁颗c增氮速率的關(guān)系

2.3.4 CAS 氮?dú)鈮毫εc增氮速率的關(guān)系

在氮?dú)饬髁繛?00 L/min 的前提下，試驗(yàn)4 爐，氮?dú)鈮毫Ψ謩e調(diào)整為1.0 MPa、1.3 MPa、1.5 MPa、1.7 MPa 進(jìn)行吹氮試驗(yàn)，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統(tǒng)計(jì)其增氮速率如圖4。

圖4 CAS 底吹氮?dú)鈮毫εc增氮速率的關(guān)系

從圖4 可以看出，隨著氮?dú)鈮毫Φ奶岣?，鋼水增氮速率呈上升趨?shì)，主要原因是底吹壓力高更易吹通，氣體充分與鋼包內(nèi)鋼液接觸，但是當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Τ^(guò)1.7 MPa 易造成鋼液噴濺和CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的純凈度和質(zhì)量。從統(tǒng)計(jì)的增氮速率來(lái)看，氮?dú)庾罴褖毫?.7 MPa。

3 生產(chǎn)效果

通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出最佳的底吹氮?dú)鈮毫土髁?，穩(wěn)定鋼水的到站溫度，使用CAS 工藝底吹氮?dú)庖睙捀叩R口鐵，氮含量控制合格率達(dá)到100%，氮含量控制區(qū)間[（45±5）×10-6]的準(zhǔn)確率，由工藝試驗(yàn)前的50%提高到95%，大大提高了底吹氮?dú)庖睙捀叩摰奶幚砟芰?，并且降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

1）底吹氮?dú)庠龅颗c吹氮時(shí)間整體呈線性關(guān)系，吹氮時(shí)間越長(zhǎng)鋼液氮含量越高，但是隨著增氮時(shí)間的增加，吹氮速率逐漸減慢。

2）底吹氮?dú)馀c鋼液溫度有一定的關(guān)系，溫度越高，增氮速率越快。

3）底吹氮?dú)鈮毫土髁繉?duì)增氮速率影響明顯，底吹氮?dú)鈮毫土髁康奶岣哂欣岣咴龅俾?，但是?dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Υ笥?.7 MPa 流量高于800 L/min，易造成鋼液裸露導(dǎo)致鋼液二次氧化，影響鋼液的純凈度。

4）通過(guò)工藝試驗(yàn)，總結(jié)出合適的底吹氮?dú)鈮毫土髁浚状档獨(dú)獾康目刂扑酱蟠筇岣?，能夠滿足批量冶煉含氮鋼種的能力，大大降低了生產(chǎn)成本。