轉爐煉鋼氮控機理研究

金柱元，邵 華

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806）

氮對于大多數鋼種是一種有害元素，尤其氮化物的析出，會導致鋼材產生時效和藍脆現象，造成鋼材的屈服極限、強度極限和硬度提高，韌性、塑性、深沖、熱加工和焊接等性能下降，還易造成鑄坯產生開裂和引起晶間腐蝕。尤其對于含鈦鋼種，氮還會與鋼種鈦、鋁等元素形成脆性夾雜，聚集在晶界上，導致帶鋼邊裂并且影響成品疲勞性能。部分客戶對產品氮含量有極為苛刻的要求，各鋼廠對氮含量越來越重視，對氮的研究也越來越深入。

1 轉爐煉鋼過程控氮機理分析

1.1 氮在鋼中溶解熱力學分析

在一定溫度下，氮在鋼液中發生溶解，可表示為：

氮在鋼水中溶解屬于雙原子解離過程，其溶解度與氮氣分壓的平方根成正比，服從華西特定律[2]：

式中：KN為氮在鋼中溶解的平衡常數；PN2為鋼液表面氮的分壓，Pa；

大氣中氮氣的分壓為0.78 Pa，在1 600 ℃時氮在鋼水中最大溶解度350×10-6，遠大于低氮鋼的氮含量，所以高溫下鋼水吸氮是自發的[3]。

1.2 轉爐脫氮機理分析

在轉爐強烈脫碳的過程中，產生大量的CO 氣泡，而這些氣泡對于溶解的氮來說相當于一個小的真空室，所以溶解于鋼中的氣體可隨CO 氣泡排除減少，所以轉爐是一個脫氮容器。

設CO 氣泡的體積為VCO，那么氣泡帶走的氮氣的物質的量為[4]：

根據平方根定律：

聯立兩式進行積分和得出脫碳量與鋼水中氮的含量的變化規律：

式中：w[C]0為初始碳含量，%；w[C]為終點碳含量，%；w[N]0為初始氮含量，%；w[N]為終點氮含量，%；為氮氣的質量。

因此，脫氮與脫碳密切相關。爐內產生的CO 量是影響轉爐脫氮的關鍵，因為CO 量增加后不僅提供了脫氮的反應界面，而且還降低了氮的分壓，更有利于脫氮反應的進行[5]。

2 轉爐終點氮含量影響因素分析

2.1 鐵水氮含量對終點氮含量的影響分析

鐵水中的氮含量w[N]一般≤100×10-6，通過上述脫氮方程研究不同氮含量的鐵水對轉爐終點氮的影響，如圖1 所示。

圖1 鐵水氮與終點氮的關系

設定鐵水碳含量為4.5%，終點碳（質量分數）為0.05%，終點溫度為1 600 ℃，研究在無外來氮源的情況下鐵水氮含量對鋼水終點氮的影響。

在無外來氮源、鐵水碳及終點碳含量相同的情況下，鐵水氮含量升高，鋼水終點氮含量增加，但鐵水氮含量對鋼水終點氮的影響很微弱，且終點氮含量很低，終點氮w[N]在2×10-6左右。而實際生產中轉爐終點氮含量大于計算值，主要原因為轉爐后期有外來氮源進入鋼水，導致終點鋼水氮含量升高。

2.2 脫碳量對氮含量的影響分析

當鐵水[C]含量固定，終點[C]含量的變化即是脫碳量的變化，CO 氣泡產生量的變化。以鐵水中w[C]=4.0%、w[N]=0.010 0%為初始值，分析脫碳過程中脫碳量與鋼水氮含量的關系，如圖2 所示。

圖2 鐵水中氮含量與脫碳量的關系

通過圖2 可以看出，鐵水中大多數[N]在碳氧反應爆發期（集中在前中期）時隨著CO氣泡被迅速排出。隨著鋼水中氮含量的降低，脫氮速率也隨著下降，脫氮逐漸變的困難，即脫相同含量的氮所需CO 氣泡量增加。

2.3 氧氣純度對終點氮的影響分析

轉爐氧氣中含有少量的氮氣，國標中w（O2）≥99.3%，日鋼內控w（O2）≥99.6%，實際控制水平在99.85%～99.96%之間。氧氣中氮氣含量升高，會導致爐內氮氣分壓PN2升高，不利于脫氮反應的進行。通過求解各個階段爐內氣體含量，進而求出氮氣分壓，利用華西特方程可分析氧氣中氮含量對鋼水氮含量的影響。

以轉爐終點w[C]為0.010%為前提，分析不同氧氣純度對終點平衡氮的影響，如圖3 所示。可以得出，氧氣純度對鋼水終點氮有較大的影響，氧氣純度每提高0.1%，轉爐終點氮w[N]可降低（3～5）×10-6左右。

圖3 氧氣純度對平衡氮的影響

2.4 終點碳含量對終點氮含量的影響分析

鐵水中的氮大量在碳氧爆發期被快速去除，隨著冶煉的進行，單位時間內爐內CO 氣泡生產減少，脫氮開始變得困難，而由氧槍帶入氮氣的分壓逐漸升高（吹煉過程氧氣純度不變），所以冶煉終點脫氮速率小于增氮速率。

以氧氣純度99.9%為前提，分析終點碳對終點氮的影響，如圖4 所示。

圖4 終點碳含量對平衡氮的影響

隨著終點碳含量的降低，終點氮含量升高。尤其在高廢鋼比條件下，轉爐熱不平衡，為保出鋼溫度，轉爐過吹嚴重，導致終點碳低氮高現象。在點吹情況下，由于爐內CO 分壓降低，爐口微正壓不能保證，點吹時容易帶入空氣進行轉爐，爐內氮氣分壓異常，終點氮控不穩定。

3 結論

1）鐵水氮在碳氧反應區被快速去除，對終點鋼水氮含量無較大影響。

2）隨著鋼水[N]含量的降低，脫氮變的困難；鋼水氮w[N]由100×10-6降低至20×10-6需消耗0.35%的碳，由20×10-6降低至10×10-6，需消耗0.78%的碳。

3）在終點碳含量相同的條件下，氧氣純度對終點氮的影響較大；氧氣純度提高0.1%，終點氮含量w[N]降低3×10-6～5×10-6。

4）在氧氣純度相同的條件下，隨著終點碳含量的降低，終點氮升高；終點碳w[C]降低0.01%，終點氮w[N]升高1×10-6～4×10-6。