转炉冶炼N80顶吹N2后搅拌技术研究

万雪峰

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）



转炉冶炼N80顶吹N2后搅拌技术研究

万雪峰

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

摘要：通过对转炉冶炼N80顶吹N2进行后搅拌的工业试验研究，探讨了顶吹N2对熔池温度及成分的影响。结果认为，顶吹强度4.0～4.5 m3/（t·min）的N2，喷吹时间≤1.5 min时，熔池平均增氮量仅为0.000 033％，平均增氮速率为0.000 01％ /min；对碳含量有一定的影响，平均脱碳速率为0.005％ /min；对磷含量影响明显，平均脱磷速率为0.002 2％ /min；温降较大，平均温降速率为15.4℃/min；顶吹N2前后炉渣中铁的氧化物含量未出现明显的规律性变化。

关键词：转炉；顶吹；氮气；搅拌

万雪峰，博士，高级工程师，2007年毕业于东北大学钢铁冶金专业。E-mail：lisa77947@sina.com

氮一般被视为钢中杂质元素，易饱和固溶于钢中，其氮化物(FexN)析出易导致钢材时效和蓝脆现象，硬度提高，但韧性、深冲性、导电性和焊接性下降，氮甚至极易与钢中的钛、铝等元素形成棱角夹杂物，影响拉拔性能［1-2］。但对于耐热钢、不锈钢及石油套管钢N80来说，氮又作为廉价的有益元素而被刻意添加［3-4］。因此，针对不同的使用意图，氮也被有目的地加以区分和利用。本文针对转炉冶炼N80时利用氮气进行顶吹后搅拌，在进一步促进渣-金平衡的同时，研究对熔池温度及成分的影响。

1　试验过程及结果

在100 t顶吹转炉上进行冶炼N80顶吹N2搅拌熔池工业试验。试验炉次均采用N80正常操作(供氧制度、造渣制度等均不改变)，吹氧脱碳结束后测温，取钢、渣样。炉体摇正后顶吹N2，N2压力、流量随实况(0.8～1.0 MPa，4.0～4.5 m3/(t·min))调整，喷吹时间设定在0.5、1.0、1.5 min，枪位控制在1.8～2.4 m之间。吹N2结束后测温，取钢、渣样。试验检测结果如表1、2所示。

表1　点吹N2前后钢液成分及温度变化

表2　点吹N2前后炉渣变化

2　结果分析

2.1顶吹N2对氮含量的影响

根据西华特(Sieverts)定律，氮在钢液中的溶解按下式进行：

氮在钢液中的溶解度与温度及其分压的关系如下式所示：

式中，KΘN为标准状态下反应平衡常数；α［N］为钢液中氮的活度；fN为钢液中氮的活度系数；ω［N］为钢液中氮的质量分数，％；PN2为氮的平衡分压，取0.79；T为熔池温度，取1 650℃。

则计算得ω［N］=0.063％，即此条件下钢液中氮的理论饱和溶解度为0.063％。

本次试验中，喷吹氮气前后熔池中氮含量变化如图1所示。由图1可以看出，尽管供氮强度已达到4.0～4.5m3/(t·min)，但实际增氮量却极其微弱，最多炉次仅增加0.000 3％，平均增氮量0.000 033％，平均增氮速率仅0.000 01％ /min，与理论饱和溶解度0.063％相差甚远。分析认为，尽管高温钢液吸氮能力很强，但当强大的N2流冲击到钢液表面时，所形成的“凹坑”表面被急剧降温，氮在钢液中的溶解度剧烈下降，“凹坑”表面的激冷层形成阻隔增氮的保护层；而飞溅的钢液滴吸收N2的溶解速率远没有钢液与O2的反应吸收速率高。另外，考虑温降问题，试验过程喷吹时间较短，仅为0.5～1.5 min。因此，钢液氮含量并没有像想象得那样剧烈增加，而是基本未变。

图1　顶吹N2前后钢液氮含量变化

2.2顶吹N2对碳含量的影响

顶吹N2前后钢液中碳含量变化如图2所示。由图2可知，碳含量总体呈微降趋势，最大降幅0.019％，平均下降0.005％，下降速率平均为0.005％ /min。分析认为，由于转炉吹炼N80末期，即ω［C］≤0.10％时，熔池碳氧尚未平衡，钢液中活度氧及渣中氧化铁过剩，在顶吹N2搅拌情况下，进一步促进了碳氧平衡。因此，碳含量呈微降趋势。

图2　顶吹N2前后钢液碳含量变化

2.3顶吹N2对磷含量的影响

顶吹N2前后钢液中磷含量变化如图3所示。由图3可知，磷含量呈下降趋势，最大降幅达0.004％，平均0.002 3％，下降速率平均为0.002 2％ /min。分析认为，试验炉次渣系中平均ω(FeO)=21.3％，R=3.2。根据Healy G W公式，与之相平衡的钢液中磷含量为0.004％ ～0.006％。顶吹N2前单渣法钢液中磷含量均在平衡含量之上，在顶吹N2搅拌情况下，钢液中的活度氧、渣中(FeO)和(CaO)等脱磷要素的动力学条件得到改善，脱磷反应被进一步发展，磷含量得到降低。

图3　顶吹N2前后钢液磷含量变化

2.4顶吹N2对钢液温度的影响

由于3号实验吹氮气引起温降幅度与其他炉次及常识严重不符，暂不考虑。统计其他炉次的温降与吹氮量的关系如式(4)所描述，预测值与实际值的关系如图4所示。以式(4)预测的温降与实际相比，误差均在5℃之内，温降速率平均为15.4℃/min。可见，温降与氮耗有很强的线性关系。

图4　顶吹N2后钢液温降变化

2.5顶吹N2对炉渣的影响

顶吹N2最可能引起炉渣成分变化的就是Fe的氧化物，对ω(TFe)、ω(FeO)及ω(Fe2O3)进行顶吹N2前后的对比，如图5所示。

图5　顶吹N2前后炉渣成分变化

根据钢液中碳含量微降及磷含量降低的趋势可以推测，渣中ω(TFe)、ω(FeO)及ω(Fe2O3)应相应降低，但检测结果表明，3大成分均未发现明显的升或降的变化趋势。分析认为，对于100 t钢液，每变化0.005％的碳含量，需要消耗0.03 t的FeO(假设脱碳反应全部为［C］+(FeO)=CO+［Fe］)，按钢、渣量比值为10：1计算，渣中FeO量约1.44 t，0.03/1.44=2％，即渣中FeO仅会有2％的变化量，如此小的变化幅度很难通过有限炉渣取样得到验证。另外，转炉渣为泡沫渣，1.8～2.4 m的吹氮枪位只会对与钢液接触的炉渣底层起到搅拌作用，漂浮在上部的炉渣很难被翻滚到下部参与脱碳反应，而人工取样又恰恰取的是顶部炉渣样。因此，顶吹N2前后的炉渣检验结果并未体现任何规律性变化。

3　结论

(1)顶吹N2时间0.5～1.5 min，供氮强度4.0 ～4.5 m3/(t·min)，钢液均未出现明显的增氮现象，最大增氮量仅为0.000 3％，平均增氮量为0.000 033％，平均增氮速率0.000 01％ /min；

(2)顶吹N2前后的炉渣中铁的氧化物含量未出现明显的规律性变化；

(3)顶吹N2对钢液进行搅拌的平均脱碳速率为0.005％ /min，平均脱磷速率为0.002 2％ /min，平均温降速率为15.4℃/min。因此，根据终点的高温高磷炉况，可顶吹N2进行脱磷控温，而不必加料点吹O2进行脱磷控温。

参考文献

［1］朱志鹏. 120 t转炉冶炼82B钢的氮含量控制实践［J］.钢铁研究，2013，44(6)：44-46.

［2］简龙. RH-TB精炼对低氮钢种脱氮的影响［C］∥2007全国RH精炼技术研讨会论文集，北京：中国金属学会，2007.

［3］张勇. 80 t转炉-LF-VD-CC流程冶炼N80-1石油套管钢的工艺实践［J］.特殊钢，2010，31(5)：31-35.

［4］高淑荣.转炉开发N80级非调质石油套管钢的实践［J］.天津冶金，2006(4)：10-11.

(编辑许营)

修回日期：2015-03-20

Study on Stirring Technology for Sm elting M olten Steel for N80 Oil Casing in Converter by Top-blow ing N2

W an Xuefeng
(Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China)

Abstract：Based on the industrial experimental study on top-blowing N2into the converter for smelting molten steel for the N80 oil casing by post stirring method,the effect of top-blowing N2on the temperature ofmolten bath and compositions is discussed.It is concluded that the average content of increasing nitrogen in the molten bath is only 0.000 033％ and the average rate of increasing nitrogen is 0.000 01％ /min when the intensity of top-blowing N2is 4.0～4.5 m3/(t·min), which has certain influence on the content of carbon while the average decarbonizing rate is 0.005％ /min but has remarkable influence on the content of phosphorus while the average dephosphorizing rate is 0.002 2％ /min.On the other hand,the temperature drop is relatively large for the temperature in the bath by post stirring method,indicating that the average temperature drop rate is 15.4℃/min.However the content of iron oxide in the slag has no remarkable,obvious, regular change before or after top-blowing N2.

Key words：converter;top-blowing;N2;stirring

中图分类号：TF729

文献标识码：A

文章编号：1006-4613（2016）01-0012-04