K-OBM-S 冶煉超純鐵素體不銹鋼控氮工藝研究

趙鑫淼

（太鋼不銹股份有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

超純鐵素體不銹鋼因其含有超低含量的碳和氮元素，減少了普通鐵素體不銹鋼因碳和氮元素產生的晶間腐蝕、低溫沖擊韌性、缺口敏感性和焊接等性能惡化的問題[1]，且有廣泛的應用范圍，主要應用在汽車制造、電器制造、裝飾材料、廚房設施、化工設備和五金制品等方面。在超純鐵素體不銹鋼的生產實踐過程中，氮的控制較碳的控制難度更大，因此，本文結合太鋼超純不銹鋼生產工藝，重點分析不銹鋼爐控氮情況。

1 脫氮原理

1.1 脫氮熱力學分析

對于超純鐵素體不銹鋼冶煉過程，N 的溶解滿足以下公式：

不銹鋼中溶解了大量的合金元素，這些元素對氮的活度均有一定的影響，因而氮在鋼中的溶解度與溫度、氮氣分壓和合金元素的關系式可以表示為[2]：

式（1）—（5）中：KN為氮溶解反應平衡常數；PN2為氮氣在大氣中的分壓； ［% N ］為一定大氣壓下氮在不銹鋼的溶解度；fN為不銹鋼中氮的活度系數；為溶解在不銹鋼中j 元素對氮活度的作用系數；［% j ］為溶解在不銹鋼中j 元素的質量分數。

因而隨著氮分壓的降低，鋼液中氮的溶解度下降，反之，氮溶解度升高，要去除鋼液中氮，應設法降低氮分壓；氮在鐵液中的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氮的溶解度增加；降低溫度有利于降低鋼液中的氮溶解度；在煉鋼溫度下，鋼液中w（N）遠未達到平衡值，在大氣條件下，鋼液吸氮是自發進行的。目前脫氮的方法有兩種，一種為降低系統N 分壓，如VOD 法；另一種為稀釋法，如K-OBM-S 法。

1.2 脫氮動力學分析

煉鋼時脫氮與吸氮為液相傳質-界面反應混合控制過程[3]。脫氮過程由以下3 個環節組成：鋼液中的氮原子向鋼-氣相界面擴散；氮原子在氣-液界面上吸附，并結合成氣體分子再從界面脫附；脫附的氮分子擴散到氣相中，吸氮過程是一個相反的過程。據研究表明，在高真空、低硫、低氧條件下，第一個環節為脫氮的限制環節，而氣相側的傳質阻力和界面上的化學反應可以忽略，即脫氮動力學由氮原子向鋼-氣相界面擴散傳質控制。一般認為脫氮反應為一級反應，其表達式為：

有研究表明，界面活性元素氧、硫含量對脫氮反應傳質系數影響明顯[4]，傳質系數與氧、硫的關系可以表示為：

式（6）（7）中：kN為表觀速度常數；A 為氣-液相界面面積；V為液體體積；[%N]e為與氣相平衡時鋼液的

氮含量；[%N]為某一時刻鋼液氮含量；fN為不銹鋼中氮的活度系數；αo為鋼液中氧的活度；αs為鋼液中硫的活度。

從式中可以看出鋼液中的w（O）、w（S）越高，碳氮傳質值越低，脫氮越困難。

2 K-OBM-S 控氮分析

2.1 K-OBM-S 控氮關鍵影響因素分析

2.1.1 轉爐吹煉影響

太鋼三步法冶煉超純鐵素體不銹鋼主要工藝路線：K-OBM-S→VOD→LF→CCM，氮的控制主要集中在K-OBM-S 和VOD 兩個工序，實踐及研究表明，K-OBM-S 供給VOD 的初始氮對VOD 結束最終的w（N）有重要的影響。K-OBM-S 和普通轉爐不同，需要還原后出鋼，爐底采用雙層套管底槍，底吹攪拌強度更大。K-OBM-S 冶煉過程中，鋼液脫氮主要依靠C-N 反應生成CO 氣泡，氮通過CO 氣泡攜帶出鋼液，轉爐冶煉過程脫氮過程符合圖1 的變化趨勢[5]。正常吹煉條件下，轉爐出鋼前w（N）較低，可以達到40×10-6～70×10-6。

圖1 吹煉過程脫氮速度變化

2.1.2w（Cr）的影響

研究表明，隨著鋼水中的w（Cr）的增加，N 在鋼水中的溶解度越高，脫氮更加困難；實踐表明超純鐵素體不銹鋼中在K-OBM-S 工序中w（N）隨著w（Cr）的升高而升高，如圖2 所示。對于Cr13 系、Cr17 系及Cr21 系轉爐出鋼前w（N）分別達到47×10-6、61×10-6和62×10-6，出鋼平均增w（N）為：49×10-6、77×10-6、83×10-6，可以看出轉爐出鋼前w（N）已相對較低，轉爐出鋼增氮量大對轉爐爐后w（N）的影響大。

圖2 轉爐出鋼前后w（N）的變化

2.1.3 出鋼口的壽命及鋼水中w（Si）、w（S）的影響

通過研究發現，出鋼增氮量與出鋼口的壽命和鋼水中的w（Si）、w（S）有關，對應的關系圖如圖3、圖4和圖5 所示。液與空氣接觸面積大，增氮量大。

圖3 不同出鋼口壽命出鋼增氮情況

圖4 轉爐出鋼增氮量受出鋼w（Si）的影響

圖5 轉爐出鋼增氮量受出鋼w（S）的影響

圖4 和圖5 表明，隨著鋼水中w（Si）的降低和w（S）的升高，轉爐出鋼增氮量呈降低趨勢，出鋼w（Si）的變化對出鋼增氮量的影響更加明顯。鋼水中w（Si）高低代表了鋼水中的w（O）的高低，w（Si）越低，鋼水w（O）越高。

2.2 改進措施及效果

為了降低爐后w（N），減輕VOD 脫氮壓力，提升超純鐵素體不銹鋼整體控氮水平，針對K-OBM-S工序重點從以下方面進行改進，采取將轉爐出鋼w（Si）精確控制在0.03%～0.08%，加強出鋼口后期維護、擴大出鋼口內徑、減少出鋼時間等措施，改進后的結果如圖6 所示。

圖6 改進后轉爐w（N）的控制

圖3 表明，出鋼口壽命對鋼液的w（N）影響明顯，出鋼口前期和后期較中期增氮量大，主要由于出鋼口前期出鋼時間長，出鋼過程鋼液與空氣接觸時間長，增氮量大；出鋼口后期出鋼過程鋼液散流，鋼

從圖6 可以看出，經過改進后，超純鐵素體不銹鋼Cr13 系、Cr17 系和Cr21 系轉爐出鋼后的w（N）明顯降低，出鋼w（N）分別為84×10-6、97×10-6、102×10-6，轉爐出鋼增氮量相比改進前分別降低5×10-6、49×10-6、40×10-6，Cr17 系和Cr21 系降低出鋼增氮量效果明顯。

3 結論

1）K-OBM-S 爐后w（N）對超純不銹鋼w（N）的控制有重要影響，K-OBM-S 控氮的關鍵點主要集中在如何減少出鋼增氮量上。

2）K-OBM-S 出鋼增氮量受出口鋼壽命及鋼水中的w（Si）、w（S）影響明顯。

3）通過控制鋼水w（Si）、擴大出鋼口內徑、加強出鋼口維護，可以有效減少轉爐出鋼增氮，從而降低爐后w（N）。