转炉炼钢氮控机理研究

金柱元，邵 华

（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276806）

氮对于大多数钢种是一种有害元素，尤其氮化物的析出，会导致钢材产生时效和蓝脆现象，造成钢材的屈服极限、强度极限和硬度提高，韧性、塑性、深冲、热加工和焊接等性能下降，还易造成铸坯产生开裂和引起晶间腐蚀。尤其对于含钛钢种，氮还会与钢种钛、铝等元素形成脆性夹杂，聚集在晶界上，导致带钢边裂并且影响成品疲劳性能。部分客户对产品氮含量有极为苛刻的要求，各钢厂对氮含量越来越重视，对氮的研究也越来越深入。

1 转炉炼钢过程控氮机理分析

1.1 氮在钢中溶解热力学分析

在一定温度下，氮在钢液中发生溶解，可表示为：

氮在钢水中溶解属于双原子解离过程，其溶解度与氮气分压的平方根成正比，服从华西特定律[2]：

式中：KN为氮在钢中溶解的平衡常数；PN2为钢液表面氮的分压，Pa；

大气中氮气的分压为0.78 Pa，在1 600 ℃时氮在钢水中最大溶解度350×10-6，远大于低氮钢的氮含量，所以高温下钢水吸氮是自发的[3]。

1.2 转炉脱氮机理分析

在转炉强烈脱碳的过程中，产生大量的CO 气泡，而这些气泡对于溶解的氮来说相当于一个小的真空室，所以溶解于钢中的气体可随CO 气泡排除减少，所以转炉是一个脱氮容器。

设CO 气泡的体积为VCO，那么气泡带走的氮气的物质的量为[4]：

根据平方根定律：

联立两式进行积分和得出脱碳量与钢水中氮的含量的变化规律：

式中：w[C]0为初始碳含量，%；w[C]为终点碳含量，%；w[N]0为初始氮含量，%；w[N]为终点氮含量，%；为氮气的质量。

因此，脱氮与脱碳密切相关。炉内产生的CO 量是影响转炉脱氮的关键，因为CO 量增加后不仅提供了脱氮的反应界面，而且还降低了氮的分压，更有利于脱氮反应的进行[5]。

2 转炉终点氮含量影响因素分析

2.1 铁水氮含量对终点氮含量的影响分析

铁水中的氮含量w[N]一般≤100×10-6，通过上述脱氮方程研究不同氮含量的铁水对转炉终点氮的影响，如图1 所示。

图1 铁水氮与终点氮的关系

设定铁水碳含量为4.5%，终点碳（质量分数）为0.05%，终点温度为1 600 ℃，研究在无外来氮源的情况下铁水氮含量对钢水终点氮的影响。

在无外来氮源、铁水碳及终点碳含量相同的情况下，铁水氮含量升高，钢水终点氮含量增加，但铁水氮含量对钢水终点氮的影响很微弱，且终点氮含量很低，终点氮w[N]在2×10-6左右。而实际生产中转炉终点氮含量大于计算值，主要原因为转炉后期有外来氮源进入钢水，导致终点钢水氮含量升高。

2.2 脱碳量对氮含量的影响分析

当铁水[C]含量固定，终点[C]含量的变化即是脱碳量的变化，CO 气泡产生量的变化。以铁水中w[C]=4.0%、w[N]=0.010 0%为初始值，分析脱碳过程中脱碳量与钢水氮含量的关系，如图2 所示。

图2 铁水中氮含量与脱碳量的关系

通过图2 可以看出，铁水中大多数[N]在碳氧反应爆发期（集中在前中期）时随着CO气泡被迅速排出。随着钢水中氮含量的降低，脱氮速率也随着下降，脱氮逐渐变的困难，即脱相同含量的氮所需CO 气泡量增加。

2.3 氧气纯度对终点氮的影响分析

转炉氧气中含有少量的氮气，国标中w（O2）≥99.3%，日钢内控w（O2）≥99.6%，实际控制水平在99.85%～99.96%之间。氧气中氮气含量升高，会导致炉内氮气分压PN2升高，不利于脱氮反应的进行。通过求解各个阶段炉内气体含量，进而求出氮气分压，利用华西特方程可分析氧气中氮含量对钢水氮含量的影响。

以转炉终点w[C]为0.010%为前提，分析不同氧气纯度对终点平衡氮的影响，如图3 所示。可以得出，氧气纯度对钢水终点氮有较大的影响，氧气纯度每提高0.1%，转炉终点氮w[N]可降低（3～5）×10-6左右。

图3 氧气纯度对平衡氮的影响

2.4 终点碳含量对终点氮含量的影响分析

铁水中的氮大量在碳氧爆发期被快速去除，随着冶炼的进行，单位时间内炉内CO 气泡生产减少，脱氮开始变得困难，而由氧枪带入氮气的分压逐渐升高（吹炼过程氧气纯度不变），所以冶炼终点脱氮速率小于增氮速率。

以氧气纯度99.9%为前提，分析终点碳对终点氮的影响，如图4 所示。

图4 终点碳含量对平衡氮的影响

随着终点碳含量的降低，终点氮含量升高。尤其在高废钢比条件下，转炉热不平衡，为保出钢温度，转炉过吹严重，导致终点碳低氮高现象。在点吹情况下，由于炉内CO 分压降低，炉口微正压不能保证，点吹时容易带入空气进行转炉，炉内氮气分压异常，终点氮控不稳定。

3 结论

1）铁水氮在碳氧反应区被快速去除，对终点钢水氮含量无较大影响。

2）随着钢水[N]含量的降低，脱氮变的困难；钢水氮w[N]由100×10-6降低至20×10-6需消耗0.35%的碳，由20×10-6降低至10×10-6，需消耗0.78%的碳。

3）在终点碳含量相同的条件下，氧气纯度对终点氮的影响较大；氧气纯度提高0.1%，终点氮含量w[N]降低3×10-6～5×10-6。

4）在氧气纯度相同的条件下，随着终点碳含量的降低，终点氮升高；终点碳w[C]降低0.01%，终点氮w[N]升高1×10-6～4×10-6。