轉(zhuǎn)爐增氮工藝研究與應(yīng)用

胡井濤

（河鋼集團樂亭鋼鐵有限公司）

0 前言

高強抗震鋼筋具有強度高、抗震性好、節(jié)省鋼材用量、施工方便等優(yōu)點，適用于高層、大跨度和抗震建筑結(jié)構(gòu)，是一種更節(jié)約、更高效的新型建筑材料[1]。目前，國內(nèi)采用 VN 微合金化技術(shù)生產(chǎn)高強鋼筋。微合金化鋼筋是通過在鋼中加入少量的微合金化元素鈮、釩、鈦等，依靠鋼中微合金化元素所形成的細(xì)小彌散的氮化物、碳化物或碳氮化物來抑制奧氏體晶粒長大，從而獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，并起到提高合金強韌性的作用[2]。氮對微合金化鋼筋中的碳氮化物析出行為起重要作用。現(xiàn)階段國內(nèi)外多數(shù)企業(yè)采用釩氮合金進(jìn)行微合金化，雖然可以直接增加鋼中的氮含量，提高V 元素的利用率，卻會降低鋼水的純凈度，提高了微合金化成本。轉(zhuǎn)爐冶煉時，用廉價的氮氣替代合金增加鋼水氮含量，是降低冶煉成本，優(yōu)化固氮效果的一種手段。

1 氮在鋼中的熱力學(xué)和動力學(xué)分析

1.1 氮在鋼中的熱力學(xué)分析

氮在鋼水中的溶解反應(yīng)為[3]：

氮的溶解反應(yīng)服從西華特定律，可以推導(dǎo)出：

式中：KN——氮分壓為100 kPa 時，純鐵液中的氮溶解度反應(yīng)的平衡常數(shù)；

PN2——純鐵液外的氮分壓，kPa。

KN與絕對溫度間關(guān)系可表示為：

由式（1）～式（2）可以得出氮在純鐵中的溶解度與溫度和分壓的關(guān)系，為：

氮在鋼水的溶解度可表示為[4]：

ω[N]=0.044-0.01ω[C]-0.002 5ω[Mn]-0.003ω[Si]-0.004 3ω[P]-0.001ω[S]+0.006 9ω[Cr]+0.013ω[V]-0.001ω[Ni]-0.01ω[Al]+0.1ω[Ti]+0.001 5ω[Mo]+0.010 2ω[Nb]-0.000 4ω[Cu] （ 4）

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中各元素被分步氧化，含量逐漸 降低。統(tǒng)計300爐次終點的成分平均值，具體見表1。

表1 樣本終點成分平均值 %

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中各元素含量不斷降低，由于鐵水中的V、Cr 含量遠(yuǎn)低于C 含量，根據(jù)式（3）、式（4）可以得出，鋼水中氮的溶解度呈現(xiàn)增加的趨勢，吹煉至終點時鋼水中飽和氮的溶解度＞300×10-6，故在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中通過提高氮分壓可以實現(xiàn)鋼水增氮。

1.2 氮在鋼中動力學(xué)分析

轉(zhuǎn)爐冶煉過程發(fā)生碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO 氣泡，氮分壓降低，反應(yīng)向著脫氮方向進(jìn)行。碳排出速度與脫碳反應(yīng)速率的關(guān)系式[5]為：

轉(zhuǎn)爐吹煉末期，達(dá)到脫磷目的后，碳氧反應(yīng)減弱，脫氮效果降低，如果此時氧槍增加氮氣，反應(yīng)將向增氮方向進(jìn)行。氮分壓增大到一定程度，氮與鋼液的反應(yīng)呈現(xiàn)為一級反應(yīng)，液相邊界層擴散是整個過程的限制性環(huán)節(jié)，反應(yīng)動力學(xué)方程式為[6]：

式中：v[N]——吸氮速度，10-6/s；

D——鋼液中氮的擴散系數(shù)，cm2/s；

F ——相界面積，cm2；

δ ——擴散邊界層厚度，cm；

V ——鋼水體積，cm3；

[N]e——氮分壓下eP 鋼液的飽和濃度，10-6；

[N]——鋼水中的氮含量，10-6。

由式（3）和式（6）可以得出，鋼水的吸氮速率與氮分壓和鋼水?dāng)嚢鑿姸扔嘘P(guān)，鋼水的終點氮含量與高氮環(huán)境持續(xù)時間相關(guān)。因此，在吹煉后期，氧槍的氧氣中混有一定比例的氮氣，以超音速氣流將氮氣吹入鋼水中提高氮分壓，增加鋼水氮含量，根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)分析是可行。

2 終點氮含量控制措施優(yōu)化

2.1 開氮比例與終點氮關(guān)系

唐鋼二鋼軋廠轉(zhuǎn)爐氮氣管道閥門開度和氣體流量見表2。

從表2 可以看出，隨著閥門開度的增加，氮氣流量成比增加。

吹煉終點，打開氮氣閥門，進(jìn)行吹氮2 min，試驗爐次的平均終點磷含量隨開度的變化如圖1所示。

表2 氮氣閥門開度與流量對應(yīng)關(guān)系

圖1 氮氣閥門開度與終點磷的關(guān)系

從圖1 可以看出，開度為10%時，對終點磷含量的影響不大，隨著開度的增加，終點磷含量呈增加趨勢。氮氣閥門的開度為30%時，終點磷含量＜0.025%，滿足HRB400 生產(chǎn)需要，再增加開度，終點磷含量的增加量較大，將不能滿足工藝質(zhì)量需求。

吹煉過程存在氧化鐵的氮化反應(yīng)：

由式（8）可以得出，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，氮氣閥門打開后，氧氣中混有一定比例的氮氣，在鋼渣中形成氧氮混合氣泡，隨著氮氣閥門開度的增加，氮分壓比例增大，當(dāng)?shù)謮涸龃蟮揭欢ǔ潭葧r，式（7）將正向進(jìn)行，F(xiàn)eO 含量降低，出現(xiàn)回磷現(xiàn)象，隨著FeO 的進(jìn)一步降低，將出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象。通過工業(yè)試驗發(fā)現(xiàn)，氮氣閥門的開度大于35%時，“返干”現(xiàn)象加劇。為滿足生產(chǎn)需要，吹煉操作過程中應(yīng)控制氮氣閥門的開度不大于35%。

2.2 吹氮時間與終點氮關(guān)系

根據(jù)液相邊界層擴散為限制性環(huán)的吸氮反應(yīng)動力學(xué)方程式可知，吹氮時間影響終點氮含量。吹氮開度為30%時，吹氮時間與終點氮含量的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 吹氮時間與終點氮含量關(guān)系

從圖2 可以看出，隨著吹氮時間的增加，終點氮含量逐漸增加，當(dāng)吹氮時間＞120 s 時，終點氮含量＞80×10-6，當(dāng)吹氮時間＞150 s 時，隨著吹氮時間的逐漸增加，增氮量的增加幅度逐漸減少。主要原因是氮含量接近飽和濃度，增加幅度有所降低。終點氮含量＞80×10-6，滿足HRB400 生產(chǎn)需要，實際操作控制吹氮時間為120 s。

2.3 開氮時間與鋼水終點的關(guān)系

分別在吹煉80%、90%、100%階段將氮氣閥門開度設(shè)置為30%，吹氮時間為2 min，試驗10爐次，吹氮開始時間與鋼水終點成分的關(guān)系見表3。

表3 吹氮開始時間與終點鋼水碳、磷合格率的關(guān)系

從表3 可以看出，在吹煉80%階段打開吹氮閥，氧分壓降低，脫碳能力降低，終點碳偏高，由于（FeO）含量降低，終點磷合格率降低，由于CO 的產(chǎn)生量較大，終點平均氮含量的增加不大，為51×10-6；在吹煉90%階段打開吹氮閥，由于CO 產(chǎn)生量降低，終點碳、磷的合格率有所增加，但滿足不了生產(chǎn)需要，終點平均氮含量略有增加，為68×10-6；在吹煉100%階段打開吹氮閥，此時鋼水中的碳含量基本合格，碳氧反應(yīng)降低，氮氧混吹后利用吸氮，（FeO）含量降低速度相對較低，回磷量減小，終點碳合格率為100%，終點磷合格率為90%，平均終點氮含量為99×10-6，滿足生產(chǎn)需要，因此吹氮時間設(shè)置在吹煉100%階段較為合理。

2.4 轉(zhuǎn)爐增氮工藝確定及注意事項

通過以上試驗確定轉(zhuǎn)爐增氮工藝路徑為：吹煉100%時打開氮氣閥門，設(shè)置閥門開度為30%，吹煉時間為120 s，可以通過吹入高流速氮氣的方式增加鋼水氮含量。由于吹入氮氣后渣中的（FeO）含量降低，所以在氮氣閥門打開前要做到充分化渣，否則將會出現(xiàn)“返干”回磷現(xiàn)象，增加鋼鐵料消耗。氮氣閥門打開前轉(zhuǎn)爐渣化的過透，在切換閥門的過程中氧槍吹氣流量會產(chǎn)生波動，增加噴濺的可能性。控制氮氣閥門打開前轉(zhuǎn)爐的成渣狀態(tài)是轉(zhuǎn)爐增氮工藝穩(wěn)定操作的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

（1）通過熱力學(xué)、動力學(xué)分析，在轉(zhuǎn)爐吹煉后期，氧槍氧氣中混有一定比例氮氣，以超音速氣流吹入鋼水來提高氮分壓、增加鋼水氮含量的手段是可行的。

（2）氮氣閥門打開后，閥門的開度大于35%時，加速氧化鐵的氮化反應(yīng)，“返干”現(xiàn)象加劇，不利于操作。

（3）吹煉100%時打開氮氣閥門，閥門開度為30%，吹煉時間120 s，可保證終點氮含量＞80×10-6，實現(xiàn)HRB400、HRB500 釩鐵100%代替氮化釩鐵，降低合金成本。