CAS 底吹氮氣冶煉高氮鋼的研究與應用

溫 瀚， 王少軍， 黃財德， 趙長亮

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

氮通常為鋼中的有害元素，比如汽車鋼板氮含量需要嚴格控制，盡量消除時效和保證金屬深沖性能。但對一些特殊鋼種如含氮馬口鐵而言，氮卻是一個重要的合金元素[1]：能夠促進晶內鐵素體形核，有效細化晶粒，提高金屬強韌性。目前冶煉含氮鋼種的主要工藝分兩類：合金增氮法和氣體增氮法[2]。合金增氮主要采用氮含量高的合金加入到鋼水中進行增氮，比如氮化錳，但收得率偏低并且生產成本較高，在工業生產中運用較少；氣體增氮法將氮氣吹入鋼液，彌散的氮氣泡顯著改善氣體氮合金化的動力學條件，氣泡可以增加氣-液接觸面積，縮短原子擴散距離，有效促進鋼液中氮含量接近平衡，其帶來的攪拌效應可使鋼液溫度和合金元素均勻化[3]。此外，氮氣作為制作氧氣的副產品，成本低廉，當前鋼鐵企業對生產成本要求日益嚴格，氣體增氮法逐漸被認知并擴大使用[4-5]。

氣體增氮常見的工藝為在RH 循環過程中采用氮氣作為環流氣，氮元素溶解到鋼水中增氮，國內很多鋼廠（如首鋼、鞍鋼等鋼廠）采用RH 環流增氮的工藝進行高氮鋼的冶煉，此工藝相對成熟穩定，增氮速率較為穩定，但RH 處理過程成本偏高，占用了RH 冶煉超低碳鋼的產能，首鋼京唐公司為進一步降低生產成本、釋放RH 產能， 決定開發CAS 底吹氮氣冶煉含氮鋼工藝。

與RH 利用提升氣體供氮不同，CAS 采用底吹供氮。在工藝開發初期由于缺乏底吹供氮經驗，經常出現增氮控制不穩定、氬氣壓力大導致鋼液裸露出現二次氧化等問題。為解決上述問題，京唐公司開展了底吹氮氣增氮工藝研究，通過理論分析和工業試驗研究了鋼水溫度、吹氮時間、氮氣壓力和氮氣流量對增氮的影響，并提出了合適的增氮技術工藝。

1 鋼水增氮理論

1.1 鋼水增氮熱力學分析

1.1.1 壓力的影響

標準狀態下，氮在鋼液中的溶解度很小，氮以原子和化合物的形式溶解在鋼中，鋼水吸氮是自發過程，冶煉過程中氮的的溶解反應為：

從式（1）可知，煉鋼溫度下（1 500～1 700 ℃），N2在鋼液中的溶解吉布斯自由能均ΔG＞0，反應不能自發進行，因此，鋼液中的［N］不是N2直接溶解進入，而是以原子、化合態形式存在于鋼液中的。

氮的溶解反應Sievert 定律[6]如下：

式中：w（N）為鋼中的理論飽和氮含量；fN為氮的活度系數；PN2為氮分壓，Pa；Pθ為標準壓力，Pa；KN為分壓105 Pa 時，1 600 ℃時N2=2［N］反應的平衡常數，由以上公式可以看出氮的溶解度隨壓力的提高而增大。

1.1.2 合金元素的影響

在合金鋼中，由于合金元素的影響，氮的活度系數fN≠1，通?？捎上率角蟮茫?/p>

式中：Σej，Nw為各元素與氮的相互作用系數；w（j）為各元素在鋼中的質量百分含量。

由式2 可以看出，合金元素增加會提高鋼中的氮含量。

1.1.3 溫度的影響

氮的溶解度還受溫度的影響，在不同溫度下氮的相互作用系數可由Chipman 所給的計算公式求出[7]：

由式3 可以看出，提高鋼液溫度有利于增氮。

1.2 鋼液增氮動力學分析

假定吸氮按氣體向鋼水表面的吸附、離解和向鋼中溶解的過程進行，即：

1）氣泡中氮氣由氣泡內部向氣泡一鋼液表面傳質。

2）在氣泡—金屬界面上的吸附化學反應為一級反應，N2=2[N]。

3）［N］在鋼液側邊界層中傳質。

冶煉過程中，由于氣泡很小，吹入的氮氣從氣泡內部向鋼液表面的傳質速度比界面反應速度要快得多，即認為步驟1）速度很快，不會成為增氮過程的限制性環節，增氮的動力學由［N］在鋼液側邊界層的傳質和界面上的化學反應混合控制，可由下式表示[8]：

式中：[N]e為氮氣泡與鋼液界面處濃度；[N]O為鋼液中原始氮濃度；w[N]為鋼液中實際氮濃度；ρ（Fe）為鋼液密度，kg/m3；A為傳質界面，m2；Rm為傳質系數；W為鋼液質量，kg；t為時間，s。

由式4 可以看出，擴大氮氣的傳質界面、增加吹

氮的時間均能促進鋼液增氮。

2 底吹增氮生產試驗

2.1 設備改造

在CAS 原有的吹氬管路上增加了氮氣管路，利于進行氬氣和氮氣的切換，對鋼包進行底吹氬氣或氮氣。

2.2 試驗方案

試驗鋼種選擇為SPHC，此鋼種對N 含量要求的范圍比較寬，鋼種主要化學成分要求見表1。試驗爐次鋼水氮含量按照w（N）=（30～60）×10-6控制。

表1 試驗鋼種SPHC 主要化學成分要求 %

試驗工藝路線為：KR 脫硫→常規轉爐冶煉→CAS→板坯連鑄機。CAS 主要性能參數見表2。

表2 CAS 主要性能參數

2.3 試驗跟蹤與分析

2.3.1 CAS 吹氮時間與增氮量的關系

在底吹氮氣壓力為1.3 MPa，氮氣流量為600 L/min 的條件下，鋼液增氮如圖1 所示：

從圖1 看，隨著吹氮時間的增加鋼液增氮量總體呈線性增加，但是增氮速率隨吹氮時間的增加逐漸降低。

圖1 吹氮時間與增氮量的關系

2.3.2 鋼水溫度與增氮速率的關系

在底吹氮氣壓力為1.3 MPa，氮氣流量為600 L/min 的條件下，選取5 爐同鋼種鋼水，分別將CAS 吹氮前的溫度分別控制在1 620 ℃、1 610 ℃、1 600 ℃、1 590 ℃、1 580 ℃、1 570 ℃，吹氮時間控制在8 min，取吹氮前后的鋼樣進行N 成分分析，統計計算情況如圖2。從圖2 可以看出：增氮速率隨溫度降低呈下降趨勢。

圖2 鋼液溫度與增氮速率的關系

2.3.3 CAS 吹氮時間與增氮量的關系

在底吹氮氣壓力分別為1.3 MPa 的條件下，試驗5 爐，吹氮流量分為300 L/min、400 L/min、500 L/min、600 L/min、800 L/min 五擋進行吹氮試驗，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統計其增氮速率如下頁圖3。

從圖3 可以看出，隨著氮氣流量的提高，鋼水增氮速率呈上升趨勢，但是當氮氣流量超過800 L/min時，易造成CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的潔凈度。從增氮速率來看，氮氣最佳流量為500～600 L/min。

圖3 CAS 底吹氮氣流量與增氮速率的關系

2.3.4 CAS 氮氣壓力與增氮速率的關系

在氮氣流量為600 L/min 的前提下，試驗4 爐，氮氣壓力分別調整為1.0 MPa、1.3 MPa、1.5 MPa、1.7 MPa 進行吹氮試驗，取吹氮前后的鋼樣檢查氮含量，統計其增氮速率如圖4。

圖4 CAS 底吹氮氣壓力與增氮速率的關系

從圖4 可以看出，隨著氮氣壓力的提高，鋼水增氮速率呈上升趨勢，主要原因是底吹壓力高更易吹通，氣體充分與鋼包內鋼液接觸，但是當氮氣壓力超過1.7 MPa 易造成鋼液噴濺和CAS 罩鋼液裸露造成二次氧化，影響鋼水的純凈度和質量。從統計的增氮速率來看，氮氣最佳壓力為1.7 MPa。

3 生產效果

通過試驗總結出最佳的底吹氮氣壓力和流量，穩定鋼水的到站溫度，使用CAS 工藝底吹氮氣冶煉高氮馬口鐵，氮含量控制合格率達到100%，氮含量控制區間[（45±5）×10-6]的準確率，由工藝試驗前的50%提高到95%，大大提高了底吹氮氣冶煉高氮鋼的處理能力，并且降低了生產成本。

4 結論

1）底吹氮氣增氮量與吹氮時間整體呈線性關系，吹氮時間越長鋼液氮含量越高，但是隨著增氮時間的增加，吹氮速率逐漸減慢。

2）底吹氮氣與鋼液溫度有一定的關系，溫度越高，增氮速率越快。

3）底吹氮氣壓力和流量對增氮速率影響明顯，底吹氮氣壓力和流量的提高有利提高增氮速率，但是當氮氣壓力大于1.7 MPa 流量高于800 L/min，易造成鋼液裸露導致鋼液二次氧化，影響鋼液的純凈度。

4）通過工藝試驗，總結出合適的底吹氮氣壓力和流量，底吹氮氣氮含量的控制水平大大提高，能夠滿足批量冶煉含氮鋼種的能力，大大降低了生產成本。