转炉冶炼过程中氮含量的控制研究与实践

张春亮，王建昌

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003）

氮在钢中的作用具有两面性。有利方面：氮作为间隙固溶元素，可大幅度提高钢的强度及时效沉淀强化作用，增加钢表面的硬度、强度、耐磨性及抗腐蚀性。不利方面：氮会大幅度提高钢的韧脆转变温度，甚至使钢产生低温回火脆性，某些氮化物还会导致钢的热脆，从这方面讲，氮是钢中的有害杂质。因此，除个别情况外，氮存在的有害性较大，应当尽可能地降低钢中w（N）。

太钢炼钢二厂在碳钢生产过程中经常出现转炉出钢增氮较多、成品氮高的问题。通过对生产过程进行分析，找出转炉出钢过程增氮是影响成品w（N）的主要因素，为了解决这一难题，开展了降低转炉出钢钢水增氮的研究和实践。

1 转炉终点w（N）影响因素分析

1.1 钢中溶解w（O）对脱氮的影响

通过统计南区冶炼冷轧硅钢DW60和Q450NQR1两个钢种出钢前后钢中w（N）的变化情况（见图1），得出：DW60转炉终点w（N）为13.5×10-6，出钢后为15.5×10-6，出钢过程增氮2×10-6；Q450NQR1转炉终点w（N）为20×10-6，出钢后w（N）为34×10-6，出钢过程增氮14×10-6，两者增氮差别较大。分析原因得出：由于冷轧硅钢出钢过程中不进行合金化，钢水中含有（质量分数）约700×10-6～900×10-6的溶解氧，氧是表面活性元素，会占据熔体表面上的活性点，致使能吸附氮原子的表面活性面积减小，减弱氮的溶解吸附；Q450NQR1钢在出钢过程中要进行脱氧合金化，采用铝锰铁脱氧，脱氧后溶解氧含量迅速降低，致使吸氮量增加，同时，在合金化过程中，合金中氮进入钢液，使得w（N）增加。

图1 转炉出钢过程增氮情况

1.2 转炉氮氩切换时间对增氮的影响

通过对转炉氮氩切换时间与终点w（N）的关系进行了分析，取低合金钢Q345R（转炉吹炼8 min后氮氩切换）和普碳钢Q235A（转炉吹炼8 min后氮氩切换）的转炉终点样钢中w（N）进行分析，分析结果如图2所示。

图2 不同氮氩切换时间转炉终点w（N）

由图2可知，转炉吹炼8 min后氮氩切换后转炉终点样钢中平均w（N）为13.5×10-6，转炉吹炼11 min后氮氩切换后转炉终点样钢中平均w（N）为27.3×10-6，相差13.8×10-6。分析得出：转炉冶炼过程氮氩切换时间对终点w（N）影响显著，对w（N）要求严格的重点品种必须在转炉吹炼8 min后进行氮氩切换。

1.3 转炉后吹对w（N）影响

取转炉纯铁YT01钢转炉后吹前后钢样，采用化学方法分析钢中w（N）及w（N）的变化趋势，分析结果如图3所示。

图3 转炉后吹前后钢中w（N）变化情况

由图3可知，转炉冶炼YT01后吹前后钢中w（N）变化明显，转炉后吹前终点平均w（N）为11×10-6，经过后吹，转炉w（N）平均为18×10-6，平均增氮7×10-6，各炉次w（N）增加量不同，最低增加1×10-6，最高为18×10-6，因此降低转炉后吹率，可降低转炉终点w（N）。

1.4 转炉出钢w（S）对增氮的影响

对同一钢种南北区冶炼过程中w（S）与w（N）的关系进行分析，结果如图4所示。分析可知：北区转炉终点w（S）较高，出钢后终点w（N）较低；南区转炉终点w（S）较低，出钢后w（N）较高。

图4 南北区冶炼过程w（S）对比

根据资料分析，硫和氧一样为表面活性元素，容易占据熔体表面上的活性点，致使能吸附氮原子的表面活性面积减小，减弱氮的溶解吸附。南区出钢前w（S）低，同时出钢采用先加铝强脱氧工艺，钢水中w（S）、w（O）都很低，增加了钢水吸氮能力。

2 控制转炉出钢增氮主要措施

2.1 规范转炉氮氩切换时间

规范转炉吹炼过程氮氩切换时间，重点品种在吹炼8 min进行氮氩切换，提高转炉终点命中率，减少转炉后吹次数。

2.2 控制出钢过程增氮

转炉出钢前钢包内吹氩吹扫2 min，将钢包内空气排尽。加强出钢口的维护，避免出钢口破损造成出钢过程钢液散流，从而减少出钢增氮。

2.3 合理控制钢中溶解w（O）及w（S）

针对不同钢种，要合理控制钢中溶解的w（O）及w（S）。对于超低碳钢种，控制转炉出钢时溶解的w（O）在600×10-6～700×10-6之间，降低转炉出钢增氮；对于低碳低硫钢种，转炉出钢过程并不需要控制较低的w（S），通过优化LF造渣工艺，提高脱硫率，从而降低转炉出钢增氮。同时严格控制LF底吹搅拌强度，避免底吹裸漏增氮。

2.4 连铸过程保护浇铸

严格控制连铸过程保护浇铸，长水口采用石墨垫圈，水口部位采用氩封保护，中包加入覆盖剂，并采用氩气覆盖钢液面，防止二次氧化。

3 结论

1）通过对转炉冶炼过程增氮分析，得出转炉出钢的溶解w（O）、w（S）对出钢增氮影响较大，w（O）、w（S）越高，出钢增氮越少；转炉后吹时间越长，增氮越多。

2）通过工艺优化，将超低碳钢IF钢转炉出钢增氮控制在3×10-6，低硫钢转炉出钢增氮控制在5×10-6，满足了钢种w（N）要求。