釩氮微合金化技術(shù)中氮收得率影響因素分析

李 萍，周 昊，劉俊寶，李廣艷，李少帥，劉寧寧

（1萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104；2山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

釩氮合金在鋼鐵行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其加入到鋼中能起到細(xì)晶強(qiáng)化以及沉淀強(qiáng)化的作用，可以改善鋼的強(qiáng)度、韌性、成型性等綜合性能［1］。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)鋼中的氮含量較低時(shí)，加入鋼中的釩元素絕大部分以固溶形式存在于鋼中，不能充分發(fā)揮釩的析出強(qiáng)化作用；當(dāng)鋼中的氮含量適量時(shí)，形成合適的釩氮比，可促進(jìn)含釩鋼中碳氮化釩的析出，產(chǎn)生強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化效果，同時(shí)也可以細(xì)化鋼的鐵素體晶粒，改善含釩鋼的綜合力學(xué)性能，因此，釩氮微合金化鋼中氮含量的多少直接影響釩氮合金的強(qiáng)化效果［2-4］。

2 氮收得率影響因素

2.1 鋼液氧化性

鋼液氧化性直接影響釩氮合金收得率，鋼中氧含量主要受碳含量控制，碳含量越高，氧含量越低［5］。釩氮合金加入進(jìn)鋼液，若鋼液中氧含量過(guò)高，合金元素與鋼液和爐渣中的氧反應(yīng)生成相應(yīng)的氧化物進(jìn)入渣中，［N］元素由于局部溶解度飽和形成N2逸出，造成氮元素?zé)龘p。

圖1所示為鋼液氧含量（氧勢(shì)）對(duì)合金中氮元素收得率的影響，從圖中可以看出，當(dāng)氧含量從0.015%降低至0.006%時(shí)，氮的收得率從48%增加至57%。當(dāng)氧含量＜0.006%時(shí)，氮的收得率急劇增加。鋼液氧含量越高，氮的收得率越低，因?yàn)檠跏潜砻婊钚栽兀芨采w在鋼液表面，有效降低氮的傳質(zhì)系數(shù)，阻礙鋼液對(duì)氮的吸收，同時(shí)也會(huì)影響釩氮合金中氮元素的溶解，導(dǎo)致氮收得率下降［6］。

圖1 氧含量對(duì)氮收得率影響

圖2所示為合金加入時(shí)長(zhǎng)對(duì)收得率的影響，在高氧勢(shì)（［O］＞0.01%）條件下，合金加入時(shí)間越長(zhǎng)，釩的收得率越低，主要是鋼液、合金與氧接觸生成氧化物進(jìn)入渣中。

圖2 合金加入時(shí)長(zhǎng)對(duì)收得率影響

結(jié)合釩氮合金加入的生產(chǎn)工藝，可通過(guò)調(diào)整釩氮合金加入時(shí)機(jī)提高氮的收得率。脫氧合金化過(guò)程中，可先將氧含量脫至較低水平，再加入釩氮合金，減少釩的氧化損失和氮的氣化損失，穩(wěn)定提高氮收得率。

2.2 脫氧合金化順序

由于氧含量對(duì)氮的收得率影響較大，釩氮合金不同階段添加對(duì)氮收得率影響如表1所示。添加脫氧劑之后再添加釩氮合金，與釩氮合金與脫氧劑同時(shí)添加的方式相比，氮的收得率較高。若在出鋼前將釩氮合金加入包底，氮的收得率最低。說(shuō)明不同的脫氧合金化順序?qū)Φ盏寐视绊戄^大。釩氮合金在脫氧劑之后添加，可有效降低釩氮合金與鋼液中［O］反應(yīng)而造成的合金損失，有效提高合金元素收得率。釩氮合金加入鋼包底部由于鋼液未進(jìn)行脫氧處理，從而導(dǎo)致合金元素的反應(yīng)及氣化，釩的氧化產(chǎn)物進(jìn)入渣中，［N］結(jié)合為N2從鋼液中逸出，降低氮的收得率。

表1 釩氮合金添加順序?qū)Φ坑绊?/p>

2.3 加入時(shí)間與下渣量

釩氮合金較早加入，由于鋼中氧含量較高，會(huì)導(dǎo)致合金高溫熔化時(shí)N元素結(jié)合生成N2逃逸到空氣中，同時(shí)其中的合金元素與氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氧化物進(jìn)入渣中，導(dǎo)致釩氮合金收得率低，尤其是氮的收得率。

出鋼過(guò)程中，加入的合金部分與［O］反應(yīng)，部分進(jìn)入渣中，而出鋼下渣量越大，進(jìn)入渣中的合金量越大，造成整體合金收得率偏低。釩氮合金比重與爐渣接近，容易懸浮在爐渣中，燒損嚴(yán)重，進(jìn)一步影響氮元素收得率。因此，加入過(guò)程應(yīng)綜合考慮鋼中氧含量及爐渣覆蓋對(duì)釩氮合金收得率的影響。

2.4 合金添加方式的影響

合金類型和應(yīng)用方式?jīng)Q定了合金的不同添加方式，從而影響合金收得率，具體如表2所示。合金的密度、粒度等決定合金添加方式：當(dāng)合金粒度過(guò)大時(shí)，容易沉入鋼中且不易熔化，造成成分不均勻；粒度過(guò)小時(shí)，容易進(jìn)入渣中，影響收得率。釩氮合金添加方式一定程度影響了氮的收得率且容易存在氮含量波動(dòng)，因?yàn)殁C氮合金在高溫條件下迅速熔化，蒸汽壓低而形成N2進(jìn)入周圍氣氛中，導(dǎo)致進(jìn)入鋼中的氮元素減少，降低氮的收得率。

合金添加在鋼液與鋼渣界面上，部分合金進(jìn)入渣中，部分合金進(jìn)入鋼液，減少鋼液對(duì)氮元素的有效吸收。而當(dāng)合金添加在鋼液亮面時(shí)，可有效促進(jìn)氮元素進(jìn)入鋼液，提高氮的收得率。結(jié)合表2中3種加入方式對(duì)釩氮合金收得率的影響分析，建議可通過(guò)投料方式進(jìn)行氮的預(yù)合金化，并在LF精煉后期通過(guò)喂入氮線（如氮化錳線等）的方式進(jìn)行成分精確調(diào)整。

表2 合金加入方式及特點(diǎn)

2.5 釩氮合金種類

不同合金料或同一合金料中有效合金元素含量不同，造成合金元素收得率不穩(wěn)定。典型釩氮合金成分如表3所示。研究表明，VN16合金中氮含量高于VN12，更有利于鋼中增氮，主要是VN16合金比VN12合金氮含量高，在鋼液氮含量不飽和情況下，可有效提高氮的傳質(zhì)，促進(jìn)氮溶解平衡反應(yīng)向右進(jìn)行，提高氮的收得率，同時(shí)兩種合金中釩的含量相差不大，且釩的收得率在90%以上，對(duì)釩收得率影響可忽略不計(jì)。

表3 典型釩氮合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

同樣生產(chǎn)工藝下，原料中碳（石墨、焦炭）含量不同，對(duì)釩氮合金產(chǎn)品中氮含量影響不同，如表4和表5所示。主要由于V能與C反應(yīng)生成VC，而VC又容易與N生成V（C，N）化合物，在一定程度上提高了釩氮合金產(chǎn)品氮含量；因此，釩氮合金氮含量不同也是氮收得率不穩(wěn)定因素之一，應(yīng)嚴(yán)格把控釩氮合金產(chǎn)品質(zhì)量，選擇氮含量較高的釩氮合金產(chǎn)品。

表4 原料質(zhì)量配比%

表5 釩氮合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

當(dāng)采用氮化釩鐵合金化時(shí)，釩收得率較氮化釩高，主要由于氮化釩鐵釩含量相對(duì)較低，燒損量少，比重大，更容易沉入鋼液中，同時(shí)氮化釩鐵中含有Si、Al脫氧元素，可降低合金周圍局部鋼液氧含量，提高收得率。

2.6 鋼液釩含量

鋼液釩含量對(duì)氮收得率也有一定影響，圖3為鋼液釩含量與氮收得率關(guān)系。釩含量越高，氮收得率也越高。V與O的親和力弱于Al、Ti、C、Si，在正常條件下，很容易進(jìn)入鋼液中，不同溫度、鋼液條件、渣量及正常氧勢(shì)（［O］＜0.005%）下，主要是V與N反應(yīng)生成VN進(jìn)入鋼中，提高合金中氮收得率。

圖3 鋼液釩含量對(duì)氮收得率影響

2.7 鋼液終點(diǎn)溫度

鋼液終點(diǎn)溫度和氧勢(shì)越高，合金收得率越低。圖4為高、低氧勢(shì)下鋼液溫度對(duì)釩氮合金氮收得率的影響。當(dāng)鋼中氧含量較低時(shí)，鋼液溫度變化對(duì)氮收得率影響不大；但鋼中氧含量較高時(shí)（［O］＞0.01%），鋼液溫度對(duì)氮收得率影響較大，溫度越高，氮收得率越低。

圖4 鋼液溫度對(duì)氮收得率的影響

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)冶煉過(guò)程中釩氮合金氮收得率進(jìn)行分析，明確了影響氮收得率的因素，可通過(guò)控制合理的鋼液氧化性、脫氧合金化順序、合金加入時(shí)間與下渣量、合金添加方式、合金種類、鋼液釩含量以及鋼液終點(diǎn)溫度等來(lái)穩(wěn)定氮收得率，提高釩氮微合金化效果，起到改善鋼材綜合性能并節(jié)約成本的作用。