氮氣-氧氣混合吹煉工藝增氮研究

王文輝，李 碩

（唐山鋼鐵集團有限公司長材部，河北唐山063016）

0 前言

氮是釩氮合金鋼中重要的合金化元素。在釩氮合金鋼中，氮元素的存在有利于V(C,N)在奧氏體-鐵素體的界面析出，從而產生析出強化的效果，顯著抑制鐵素體晶粒的生長，降低晶粒尺寸，從而提高鋼的強度。研究表明[1]，氮含量每增加10×10-6，含釩鋼強度可以提高6～7 MPa。

為了滿足含釩鋼中氮含量的需求，通常在冶煉工序加入氮化合金，如釩氮合金（Nitrovan）、氮化硅錳和氮化鉻鐵等。但是由于合金化過程中，氮元素的吸收率相對較低且不穩定，導致鋼種增氮效果差，不足以完全發揮釩元素的析出強化作用[2]。為了提高鋼中氮元素的含量，降低增氮的生產成本，減少氮化合金的使用，唐山鋼鐵集團有限公司長材部開發出了“轉爐增氮工藝”，在轉爐吹煉終點采用氮氣-氧氣混合吹煉工藝，HRB400E鋼冶煉實踐結果表明，該工藝的應用達到了使用潔凈、廉價的氮氣原料給鋼液增氮的目的。

1 轉爐增氮工藝工藝設計

1.1 原工藝概況

HRB400E鋼種成分控制要求如表1所示：

研究表明[3]，當 V/N 比達到理想配比（3.64∶1）可以充分發揮釩元素的析出強化作用。隨著N含量增加，鋼的強度隨之增加。因此在HRB400E鋼的冶煉過程中，需要鋼液中氮含量達到110×10-6以上。

唐鋼轉爐冶煉終點平均氮含量在55×10-6，通過釩氮合金（Nitrovan）增加0.040%的釩元素可以增氮40×10-6，平均氮含量可以達到 95×10-6，低于理想配比所需的氮含量110×10-6。為了提高金屬釩利用率，唐鋼開展了提高鋼液氮含量的工藝改進。

1.2 工藝優化

優化內容是在轉爐氧氣吹煉量完成70～85%時，保持氧氣流量不變，在氧槍中混入一定比例的氮氣，至吹煉結束。轉爐合金化工藝由添加釩氮合金（Nitrovan）改進為加入釩鐵合金，鋼中釩元素含量控制要求與原工藝相同。

新工藝利用了火點區的高溫將氮氣分解成氮原子，再通過氣體攪拌將氮原子混入鋼液中。

兩種冶煉工藝的氮含量對比如圖1所示。通過工藝改進，轉爐終點氮含量由55.1×10-6增加到153.2×10-6，增加了 98.1×10-6。

圖1 兩種工藝條件下吹煉終點氮含量對比

2 工藝原理

2.1熱力學原理

氮在鋼液中以原子和化合物形式存在，其在鋼液中的溶解反應式和Sievert定律公式為：

上述公式中，[N%]:鋼中理論飽和氮含量；KN：反應平衡常數；fN：氮的活度系數；PN2：氮氣分壓；P0：標準壓力；T：溫度。

由公式（3）可知，由于氮的活度系數只與鋼種成分有關，所以特定鋼種中影響理論飽和氮含量的因素只有溫度和氮氣分壓，并隨著溫度和氮氣分壓的升高而升高。因此在火點區，提高氮氣分壓有利于提高鋼中氮含量。

氮氣在轉爐吹煉的火點區2600℃高溫下[4、5]分解成氮原子，溶解在鋼液中，顯著提高了轉爐終點鋼液氮含量。火點區的高溫條件是導致氮氣分解的重要條件，這也是轉爐底吹氮氣（轉爐吹煉過程中熔池平均溫度在1 200℃～1 800℃）無法有效增氮的原因之一。

2.2 動力學原理

正常轉爐吹煉過程中，鐵水中的碳元素與氧氣反應生成大量的一氧化碳、二氧化碳氣體，降低了爐膛內氮氣分壓，使得溶解于鋼液中的氮氣隨著氣泡被排除。因此在設計“轉爐增氮工藝”的時候，選擇吹氧量達到70%～85%后開始混吹氮氣，此時鐵水中碳含量已小于0.30%，碳氧反應已不再劇烈，為鋼液增氮創造了條件。

氮原子在渣鋼界面的傳質受到表面活性元素氧、硫的阻礙。研究表明[6、7]，表面活性元素氧、硫在2 130℃、2 250℃時分別對氮元素的傳質阻礙作用消失，因此在火點區2 600℃高溫條件下，氮元素的傳質已經不再成為限制性條件。同時，由于高壓氮氣以沖擊形式進入熔池，在分解后與鋼液充分混勻，顯著提高了增氮效率，為增氮工藝提供了動力學條件。

3 轉爐增氮工藝使用效果

通過對轉爐終點鋼液氮含量的檢測，已確認轉爐增氮工藝能夠有效增加鋼液氮含量。為了驗證該工藝生產的產品質量，進行了連鑄坯的氮含量、用連鑄坯軋制的棒材的屈服強度及時效性能試驗。通過檢驗發現，應用轉爐增氮工藝后，連鑄坯的氮含量有明顯升高，由 95.3×10-6升高至 153.3×10-6，棒材的屈服強度由450.4 MPa升高至465.2 MPa。工藝優化后，產品的質量顯著提升。同時以國產釩鐵合金代替進口的釩氮合金（Nitrovan），可以降低合金成本 9.51 元/t。

通常情況下，氮含量對鋼種的時效影響比較大，因此對兩種工藝生產棒材進行了時效試驗，試驗結果表明：轉爐增氮工藝條件下時效后屈服強度下降14.8 MPa，原工藝時效后屈服強度下降14.1 MPa。二者相比，新工藝較原工藝時效后棒材強度略增0.7 MPa；轉爐增氮工藝條件下時效后抗拉強度下降25.4 MPa，原工藝條件下時效后抗拉強度下降25.4 MPa，二者相比，新工藝較原工藝時效后棒材強度略低0.4 MPa。轉爐增氮工藝的時效情況與原工藝相似，產品性能合格。

4 結論

1）轉爐增氮工藝可以有效改善轉爐火點區鋼液增氮的熱力學、動力學條件，有效地提高轉爐終點鋼液氮含量，增氮效果顯著。

2）在使用國產釩鐵合金代替進口釩氮合金的情況下，轉爐增氮工藝生產的HRB400E鋼種的連鑄坯氮含量達到153.3×10-6，較常規工藝的93.3×10-6高60.0×10-6；產品的屈服強度由450.4 MPa升高至465.2 MPa。

3）時效試驗結果表明，轉爐增氮工藝生產的HRB400E鋼筋時效后的強度變化情況與原工藝基本相同。

4）轉爐增氮工藝減少了進口釩氮合金的使用，噸鋼合金成本降低9.51元。

[1]潘國平,楊兆林,聞玉勝.釩氮元素在鋼中的特性及對工藝影響的探討[J].安徽冶金,2004(2):7-11.

[2]陳偉,施哲,趙宇.氮化硅錳、釩氮合金生產HRB500E高強度抗震鋼筋應用研究[J].熱加工工藝,2010(04):35-39.

[3]楊才福,張永權.氮在非調質鋼中的作用[J].鋼鐵釩鈦,2000,21(3):16-22.

[4]李明儒,李晶,李洪冉.轉爐鋼液終點氮含量研究[J].鋼鐵研究,2009(06):8-10.

[5]鐘文斌.復吹轉爐冶煉過程中影響鋼液氮含量變化的因素研究[J].新疆鋼鐵,2013（4）：28-31.

[6]KoinIto，Kazuo Amano，Hiroshi Sakao.Kinetic Study on Nitrogen Absorptionand Desorption of Molten Iron[J].Tran sactionISU,1988,28：42.

[7]周士祥.鋼液脫氮機理及VD脫氮模型的研究[D].北京：北京科技大學，1998：97.