高鈦焊絲鋼氮含量的控制

趙帥，李旭，潘瑞寶，李澤林

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

高鈦焊絲鋼ER70S-G的生產難點在于其化學成分要求嚴格，即低碳、高錳、低磷、高鈦、低氮。大量合金加入使轉爐出鋼過程溫降大，要求轉爐終點高溫低碳出鋼，這種條件下鋼水氮含量較高。鋼水中的鈦與氮親和力好，高鈦鋼在合金化階段增氮最嚴重。高鈦焊絲鋼的生產工藝路線為鐵水預處理-轉爐冶煉-LF精煉-方坯連鑄，不進行真空處理，無降氮工序，生產時極易發生成品氮含量超標的情況。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠（以下簡稱“一分廠”）采取了一系列措施嚴格控制各工序鋼水增氮，降低了高鈦焊絲鋼ER70S-G成品的氮含量，提高了該鋼種的成材率。

1 各工序鋼水氮含量

一分廠有3座90 t頂吹轉爐，3座LF爐，2臺方坯鑄機。為了解各工序處理前后鋼水增氮情況，分別取10組鋼水試樣檢驗，結果見表1。

表1 各工序鋼水氮含量Table 1 Content of N in Molten Steel at Every Working Procedure （Mass Fraction） %

分析表1可以發現，隨著冶煉的進行，各工序鋼水中的氮含量不斷增加，轉爐出鋼前鋼水中氮含量較高，出鋼過程及LF處理過程增氮較多。

2 鋼水脫氮原理

鐵水、廢鋼中的氮是鋼水中氮的主要來源，鐵水平均含氮量60×10-6，廢鋼平均含氮量70×10-6。在整個轉爐冶煉過程中，鋼水中氮含量伴隨碳氧反應呈不斷降低趨勢。這是因為在碳氧反應過程中，大量的CO氣泡源源不斷地從鋼水內部上浮到鋼水表面。CO氣泡相當于小真空室，由西華特定律可知，氣泡內的氮分壓較低，CO氣泡在上浮過程中吸附鋼水中的游離氮，游離氮原子進入氣泡后隨之一起從鋼水排除。

3 各工序對鋼水增氮的影響

3.1 轉爐出鋼碳對鋼水增氮的影響

轉爐吹氧后，前期進入硅、錳氧化期，碳氧反應弱，中期開始進行大量碳氧反應，伴隨著該反應，鋼水氮含量不斷降低。吹煉后期，隨著鋼水中碳含量降低，碳氧反應弱，鋼水氮含量呈升高趨勢。對轉爐出鋼不同的碳含量條件下取21個試樣分析鋼水氮含量。如圖1所示，當轉爐終點碳含量低于0.10%時，鋼水中氮含量不斷升高。這是因為碳含量低于0.10%以后，轉爐爐內的碳氧反應急劇降低，熔渣泡沫化程度越來越小，空氣中的氮進入鋼水的阻力隨之降低，增氮速率大于脫氮速率，鋼水開始吸收空氣中的氮。尤其在轉爐碳低于0.04%以后，泡沫渣消失，鋼水中的碳氧反應十分微弱，在氧氣流股的攪動下鋼水面裸露，鋼水面與空氣頻繁接觸，造成鋼水中的氮含量不斷升高。

圖1 出鋼碳含量與鋼水氮含量的關系Fig.1 Relationship between Content of C in Molten Steel during Taping and Content of N in Molten Steel

3.2 轉爐補吹對鋼水增氮的影響

分析轉爐終點前補吹時間與增氮量的關系，分別在補吹 20、30、40、50、60 s的情況下取3 個試樣，計算其平均值進行分析，結果如圖2所示。由圖2看出，隨著補吹時間的增加，鋼水氮含量在不斷增加。

冶煉末期，鋼水的溫度或鋼中的磷元素含量不符合產品要求，通過補吹來使轉爐熔池提溫或增加熔渣中的FeO含量來降低鋼中的磷含量。吹氧補吹時，空氣被氧氣卷帶進鋼水導致增氮，結果轉爐終點氮含量升高。另外，補吹過程中由于鋼中的碳含量較少，鋼水脫碳速度小，產生的CO氣體量相對較少，由CO氣體所帶走的氮逐漸降低，由于補吹的影響，補吹后鋼水中氮含量比一拉后鋼水中氮含量高。因此，在冶煉高鈦焊絲鋼時應盡量避免長時間補吹［1］。

3.3 轉爐渣量對鋼水增氮的影響

在實際生產過程中，頂吹轉爐吹煉末期碳氧反應變得越來越弱。鋼水在氧氣流股的攪動下，吸收空氣中的氮，吸氮速率遠遠高于脫氮速率。頂吹轉爐末期降碳也弱，相對頂底復吹轉爐末期需要更多氧氣量達到降碳目的，所以吹煉末期鋼水增氮嚴重。提高轉爐渣量不僅可以保護鋼水，減少吸收空氣中的氮，還可以提升熔渣與鋼水之間傳氧的速率，達到快速脫碳，結束吹氧的目的。

生產高鈦焊絲鋼轉爐基本渣料為2.0 t白云石和4.0 t石灰，配加石灰石、菱鎂石等渣料。轉爐終點碳相同的情況下，以轉爐渣料消耗大于6.5 kg/t和小于6.5 kg/t兩種情況對比鋼水中的氮含量。結果表明，采用前者比后者鋼水中的氮含量低 3.8×10-6。

3.4 出鋼過程對鋼水增氮的影響

出鋼過程增氮有兩個來源，一方面是合金化過程吸收合金中的氮，另一方面是出鋼鋼流、鋼水面與空氣接觸吸收空氣中的氮。計算得出高鈦焊絲鋼出鋼前后鋼水中氮含量增加約14×10-6。而常規鋼種出鋼過程增氮量為6×10-6～8×10-6。 對高鈦焊絲鋼使用的合金氮含量進行化驗分析，結果見表2所示。

表2 合金含氮量（質量分數）Table 2 Content of N in Alloy（Mass Fraction） %

從表2可以看出，在高鈦焊絲鋼使用的合金中，高鈦鈦鐵合金含氮量最高，其次是金屬錳和低磷錳鐵粒，氮含量最少的是硅鐵。出鋼過程中，合金帶入鋼水中的氮是高鈦焊絲鋼出鋼過程增氮的主要原因之一。鋼水合金化以后，高鈦鋼水中，鈦與氮原子結合能力非常強，形成TiN，將空氣中的氮固定到鋼水中。出鋼過程合金脫氧方式、終點氧含量與氮含量關系密切，鋼水氧含量高時，傳質系數小，吸收氮原子能力減弱，則吸氮少；轉爐出鋼弱脫氧比完全脫氧氮含量低［2］。另外，研究還發現，出鋼時間和出鋼口形狀影響鋼水增氮量。這是因為如果出鋼時間長并且出鋼流散，那么鋼水接觸空氣的時間也相對增多，增氮的風險就會增高。

3.5 LF爐處理過程對鋼水增氮的影響

LF處理過程中，加熱過程和吹氬攪拌過程鋼水均吸收空氣中的氮。加熱過程鋼水吸氮主要原因是電弧區增氮，在電極加熱時，電弧最高溫度可以達到6 000℃。電弧作用到鋼水上時，這部分鋼水較其它部位的鋼水溫度高，超過2 300℃。而當鋼水溫度超過2 130℃時，氮在鋼水中的溶解反應為：

式中，K為平衡常數；αN為活度；PN2為氮氣分壓；fN為活度系數；a、b為兩正數。

由上述公式（3）、（4）可見，在氮分壓一定時，溫度越高，K值越大，鋼液中氮的溶解度也高［3］；在溫度一定時，氮分壓越高，鋼液中氮的溶解度也越大。另外，LF爐鋼水脫氧脫硫良好，鋼水表面氧、硫表面活性阻礙鋼水吸氮作用基本消失，在吹氬過程，鋼水一旦裸露就有吸氮的風險。

統計高鈦焊絲鋼在LF爐加熱不同時間后的鋼水氮含量變化情況，分別在LF加熱10、15、20、25、30 min情況下各取4個試樣，取平均值進行分析，如圖3所示。

圖3 LF加熱時間對鋼水增氮的影響Fig.3 Effect of Heating Time in LF Process on Increased Nitrogen in Molten Steel

由圖3看出，LF增氮量隨著加熱時間的延長而增加。LF在送電加熱時，在電弧作用下，鋼水表面形成凹坑，電弧直接加熱凹坑部位鋼水，鋼水就會發生持續增氮現象。

3.6 連鑄澆鑄對鋼水增氮的影響

連鑄澆鑄過程增氮是由于保護澆鑄不好，LF爐處理后鋼水中的氧、硫元素低，在澆鑄過程鋼水的密封性被破壞，與空氣接觸，而氮又易與鈦元素結合，導致鋼水增氮。增氮的主要環節是鋼包至中間包，中間包至結晶器，關鍵點有：鋼包下水口與長水口的接縫處、中包液面、中包滑動水口機構和結晶器液面。

4 采取的措施

4.1 控制轉爐出鋼碳含量

ER70S-G成分要求見表3。

表3 ER70S-G成分要求（質量分數）Table 3 Composition Requirements for ER70S-G(Mass Fraction) %

依據表3所示的高鈦焊絲鋼成品碳含量范圍，考慮到合金增碳和LF爐處理過程增碳，轉爐出鋼碳越低，鋼水中的氮含量就越高。因此要控制轉爐出鋼碳范圍，減少低碳出鋼。由于在合金化過程和LF加熱過程增碳量約為0.018%，出鋼碳不可高于0.045%，否則會造成成品碳含量增高的風險；如果出鋼碳低于0.035%，則出鋼前鋼水中的含氮量將大于25×10-6，不利于成品氮的控制。確定轉爐最佳出鋼碳含量范圍在0.035%～0.045%。

4.2 調整轉爐補吹時間

生產高鈦焊絲鋼要求轉爐高溫低磷出鋼，一拉成功率不可能達到100%，仍有需要補吹再次處理。補吹后鋼水氮含量與終點碳有關，碳含量越低，氮含量越高，補吹前將鋼水中的碳控制在0.08%～0.12%，補吹時間控制在60 s以內，既利于終點調整，又可加快生產速度。

4.3 提高轉爐渣量

在轉爐冶煉高鈦焊絲鋼末期，增氮最嚴重。可以通過提高氧氣流量，降低槍位的方法達到快速脫碳的目的，降低冶煉末期鋼水增氮時間。吹煉末期加入白灰及菱鎂石，提高冶煉渣量，渣量提高后加快了熔渣與鋼水之間傳氧的速率，同時熔渣厚度提高后，可以更好覆蓋住鋼水表面，減輕吸氮程度。

4.4 控制出鋼過程增氮

高鈦焊絲鋼是不含鋁鋼，成品Ti范圍為0.16%～0.22%，高鈦鈦鐵既是強脫氧合金也是成分合金。高鈦鈦鐵在轉爐合金化的過程全部加入，再到精煉進行微調。因為高鈦鈦鐵含氮量較高，雖然在精煉爐加入的合金收得率會比轉爐加入高20%左右，但是鋼水在低氧氛圍下，高鈦鈦鐵中的氮收得率也會提高，如果大量的高鈦鈦鐵在精煉加入，精煉加熱時間延長及精煉后期頻繁調鈦，均會導致鋼水持續增氮，機前絮流的風險也在增加。

調整金屬錳和低磷錳鐵粒的使用比例，優先使用含氮量少的合金。雖然低磷錳鐵粒合金的含氮量相對于金屬錳少很多，但前者含碳量約為1.0%，金屬錳的含碳量約為0.05%，所以使用0.8～1.0 t低磷錳鐵粒，剩余錳采用金屬錳配加。此舉可控制合金增碳量，又可減少合金帶入的氮含量。

在轉爐出鋼合金化過程中，先加入弱脫氧合金，保持前半鋼中脫氧不完全，出鋼1/2之后，加入高鈦鈦鐵。出鋼鋼流要靠近大罐一側，減小對鋼水面的沖擊面積，減少液面劇烈波動。在出鋼過程的前1/2時間里，向鋼水中添加白灰小粒覆蓋劑，氮原子在氣-液之間傳質變為氣-渣-液三者之間傳質，避免鋼水與空氣直接接觸，可以起到保護出鋼的作用。依據出鋼硫含量選擇白灰小粒的加入量，二者的關系見表4。

表4 出鋼硫含量與白灰小粒加入量的關系Table 4 Relationship between Content of S during Tapping and Amount of Adding Quicklime with Small Size

另外，出鋼口的外口必須規則，不能結瘤，避免出鋼流散。出鋼時間長鋼水增氮嚴重，出鋼時間短擋渣效果差，影響鋼水純凈度。確定出鋼時間控制在 3.5～4.0 min，

4.5 控制LF爐處理過程增氮

根據LF爐不同處理階段，合理采用短弧操作或長弧加泡沫渣操作，減少LF增氮。保證入LF爐溫度在1 580℃以上，控制純處理周期35～40 min，既滿足了頂渣改質的需要，又避免了長時間加熱造成的增氮。

高鈦焊絲鋼成品硫有下限要求，若大氬氣攪拌時間長，無法保證成分合格，同時LF爐增氮較多，最高達到25×10-6；若攪拌時間短，頂渣改質不充分，機前澆鑄困難。根據入爐硫含量合理控制攪拌時間，才能確保成分合格，也能促進鋼水中夾雜物上浮，防止機前絮流。入LF爐硫含量與攪拌時間關系見表5。依據入LF爐鋼水硫含量，選擇不同攪拌時間，避免鋼水長時間裸露。

表5 入LF爐硫含量與攪拌時間的關系Table 5 Relationship between Content of S in Molten Steel Poured into LF and Stirring Time

4.6 控制機前保護澆鑄措施

良好的保護澆鑄是控氮的有效手段。加強鋼包長水口與下水口處的密封效果，提高機前機械手上頂壓力，由原來的0.4 MPa提高至0.9 MPa，由氣動改為液壓控制。長水口氬氣控制在20%～30%，觀察機前澆注口處是否“翻花”，控制中包液面穩定。在換罐過程中，將密封碗放平，水口對中。在操作上，套上水口必須一次掛正面，防止碰壞密封碗，破壞長水口氬氣密封效果。

5 取得的效果

采取上述措施后，轉爐出鋼前后鋼水增氮量由原來的 13.5×10-6降低到 10×10-6以下，LF 增氮量可控制在15×10-6以內，機前澆鑄過程增氮量可穩定控制在5×10-6以內。ER70S-G成品氮含量可穩定控制在50×10-6以下，鋼種成材率由95.8%提高至100%，能夠穩定生產高鈦焊絲鋼ER70S-G品種。

6 結語

為了降低高鈦焊絲鋼鑄坯氮含量，鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠采取了控制轉爐出鋼碳含量范圍，出鋼過程采用半鋼弱脫氧方式合金化，同時在鋼水表面添加覆蓋劑保護出鋼；提高鋼水入LF溫度，減少LF加熱時間；控制LF吹氬攪拌時間，避免長時間氬氣攪拌鋼水導致的增氮；控制機前鋼包長水口與下水口的密封性，確保中間包液面穩定等措施。采取上述措施后，ER70S-G鋼種成品氮含量可穩定控制在50×10-6以下，鋼種成材率由95.8%提高至100%，能夠穩定生產高鈦焊絲鋼ER70S-G品種。