钢中氮的来源及控制
魏国立减感油墨（酒钢宏兴炼轧厂）
【摘 要】通过调查钢中含氮量异常增高的原因 ,从铁水开始 ,研究了炼钢生产过程中 ,转炉冶炼、精炼过程及连铸生产对钢水含氮量的影响。得出在钢包炉底吹过程中吹入氮气或脱氧良好的钢水与空气直接接触 ,才能使钢水的含氮量异常增高。按照这一结论 ,查出钢中异常氮含量是由于精炼过程透气砖结冷钢后用氮气强吹或精炼周期不足导致精炼过程大氩气量操作所致。 【关键词】气泡 氮气电离 吸氮
1.前言
酒钢炼轧厂炼钢工序现有2座600吨混铁炉，3座50吨氧气顶吹转炉,3座60吨LF炉，3台4机 4 流方坯弧形连铸机，两台一机一流板坯弧形连铸机。从2008年元月份一炼钢3座精炼炉相继投产使用以来，在生产45#和50#钢的过程中出现了多炉皮下气泡质量事故，对生产造成很大影响。通过对各个环节参数和化检验数据分析，发现出现质量问题的炉次钢中氮平均高达69.
7ppm，造成气泡的主要原因是钢中氮含量过高所致。
2.1 转炉冶炼对氮含量的影响
转炉冶炼的铁水与废钢的装入量变化不大 , 氧气纯度约 99.5%, 吹炼终点钢液的溶解氧较高( 一般大于 300—600×10-6) ,吹炼过程无底吹 N2 搅拌 , 所以转炉吹炼终点钢液中的 [ N]波动较小，平均为 13.1×10-6（见下图）。值得注意的是 , 比利时 C Marque 等人认为补吹可使钢增氮5×10-6～20×10-6 。
从动力学条件看 , 炉渣的性质与钢液反应界面是吸氮的限制环节。从热力学计算看 , 空气中氮的分压高及钢液中氮的溶解度高决定了钢水有很好的吸氮条件。在 1 873 K 时 , 由西华特定律计算出钢液Q235B在大气中 [ N] 的饱和溶解度高达 0.035% , 因此钢液在冶炼的各个环节都有很强的吸氮趋势 , 只有控制好炼钢各环节 , 才能最大限度防止钢液吸氮。转炉吹炼时炉内的氮主要是由铁水带入，约占总入炉氮 76%,在转炉冶炼中 ,由于熔池发生激烈的 C - O 反应 ,产生大量的 CO 气体 ,能够带走部分钢中溶解的氮。
吹炼前期 由于采用纯氧吹炼氮分压气较低开吹后金属中下降。
吹炼中期 随着脱碳速度增加金属中下降熔池含碳时脱碳速度达到高峰熔池内金属激烈沸腾金属中降至较低值。
吹炼末期 渣中氧化铁含量增加炉渣起泡空气不再被吸人转炉工作空间由于钢中氧含量增高，氮的熔解度下降,氮含量进一步降低,拉碳时氮分别为和说明转炉内氮在钢中的溶解度很小。
氮在钢中的溶解遵循西华特定率，其溶解的氮是由下列环节组成：
N2＝2N(g) （1），
N(g)＋Q＝[N] ( 2 )，
取样分析结果表明 , 出钢过程增氮量约为 4.5×10-4%。理论研究和生产实践表明 :钢液溶解 w (O ) 对吸氮过程影响极大 ,钢液不脱氧时 ,吸氮速度很小 ,钢液 w (N)几乎不会增加 ,原因是氧、硫是表面活性物质 ,它们在表面富集 ,占据了一部分可吸附氮的表面位置 ,从而阻碍了氮在这些位置上的吸附。氧、硫在钢液中的浓度越高 ,占据表面位置的分数就越多 ,吸氮过程就越慢。对于冶炼Q235B钢 ,转炉出钢时加入铝锰铁进行预脱氧 ,使钢中 w (O)迅速下降。钢液中的 w (O ) 由冶炼终点时的 400 ×10-6～500 ×10-6迅速降低到进入 L F 炉时的 35 ×10-6以下 ;经过 L F 炉精炼 ,钢水中的 w (O) 又进一步降低到 10 ×10-6以下。因此，为了减少出钢过程中的吸氮量 , 预脱氧不采用深脱氧工艺是适宜的。
中碳钢终点氧含量较低，脱氧使用Si-Ca-Ba，另外加入的SiFe、MnFe跟部分游离氧反应，导致氧含量迅速降低，利于钢水增氮。
2.2 LF精炼对氮含量的影响
浮油收集器
hxi钢包钢水进入 LF 工位进行全程底吹氩气搅拌 ,加入石灰和萤石并喂 Al 线强化脱氧 ,合金成分微调、喂 Si-Ca 线对钢液进行钙处理等工艺过程。在 LF 炉精炼前期 , 钢液中氮含量较低(约 30×10- 6)时, 无论大气中氮的分压多高, 大气中的氮都不能穿过渣层而进入钢液，但是转炉出钢后 ,加入脱氧剂脱氧 ,钢中w (O)迅速下降 ,使钢液吸氮趋势明显增大。随着加入的增碳剂和铁合金不断熔入钢液中 ,钢液中的 w (N )仍在不断上升 ,此过程 w (N)增加近 10 ×10-6 。氧化性钢液不增氮 ,而脱氧钢液则明显吸氮。
在精炼前期，加入大量渣料，由于加入的渣料没有化开形成较大的间隙，形成钢液吸氮的通道，化渣过程氩气量较大，致使脱氧良好的钢液不断与空气接触，加快了吸氮的速度；另外在电极加热时，电弧最高温度可以达到6000℃。电弧作用到钢液上时，这部分钢液较其它部位的钢液温度高，超过 2300℃。而当钢液温度超过 2130℃时，发生如下反应：
N2＝2N(g) （1），
N(g)＋Q＝[N] (2)
在渣界面存在大量被电离的[N]，随着氧、硫在钢中的浓度急剧下降，吸氮趋势加强。被电
离的[N]在裸露区域被钢液吸入，钢液中氮含量增加。渣料完全融化后，渣子覆盖在钢水表面；氩气压力降低，避免吹开渣层，这样隔绝了氮气跟钢水的接触，避免了[N]的吸入。
精炼结束后，进行成分的微调和Ca处理过程中，会造成一定的增氮量,，喂线Ca-Si过程增氮，主要是由于Ca气化形成Ca气泡将钢液面吹开,造成裸露的钢液从空气中吸氮而产生的; Ca-Si线本身的增氮。Q235B在精炼处理结束后，喂入Ca-Si线后钢液中的氮有的炉次略有升高,有两炉没有变化，说明所用线中的氮对钢液增氮影响较小，喂线后发现部分炉次钢液增氮严重。由于进站硫高，为了脱硫用铝进行深脱氧的钢液，在精炼处理完成后，钢中氧含量较低，Ca-Si线在喂入过程由于喂线速度不合理，导致钢液面翻动大，钢液裸露后吸氮。喂线速度过快， 喂线过程中的增氮严重。如果渣层较厚线穿过渣层进人钢液而不把钢液面吹开，就有可能避免裸露钢液吸氮，这就是部分炉次喂线过程钢液没有增氮的原因。
另外，LF 炉渣碱度的控制也不容忽视 , 有研究表明 ：LF 炉渣碱度不宜大于 1.9, 否则渣的熔点升高 , 可能会有部分炉渣未完全熔化造成炉渣结构松散而存有空隙 , 使钢液吸氮的可能性增加。
2.3 连铸浇铸对氮含量的影响
连铸过程中为了防止钢包钢流和中间包钢流的二次氧化和吸氮 ,普遍采用保护浇注技术。连铸机连铸过程钢包到中间包之间的钢水保护采用大包长水口加氩气密封和中间包加覆盖剂保护钢液。中间包到结晶器的保护采用浸入式水口加连铸保护渣对钢液进行保护浇注 ,防止二次氧化和吸氮。由于该保护措施使得钢液与空气完全隔离 ,钢液从中间包到结晶器二次氧化和吸氮现象很弱 ,基本上不增氮。综上，连铸过程增氮主要发生在钢包到中间包之间的环节上,保护浇注系统的完善程度决定了，该阶段的保护工作是连铸段防止增氮的主要任务。
连铸开浇时第一包钢水进入中间包开始阶段属于敞开浇铸 ,钢水会吸氮。连铸机长水口如密封不良 ,将会象一个抽气泵一样把空气从接缝处吸入。为防止在接缝处吸入空气 ,可以在接缝处通入 Ar气 ,使长水口顶部形成正压区 (约 0 . 7 M Pa) ,基本可避免吸氮。
为了检验保护浇注系统对增氮的影响，通过在Q235B对加装保护浇注和没有加装保护浇注的中包样气体数据对比，两者增氮差异在5-12×10经纬360-6之间，还不能造成铸坯皮下气泡。
3.炼钢过程中氮含量变化
在调查过程中 ,出现异常的炉次，转炉冶炼过程的终点样、吹氩站的出站样、LF炉进站样
气体含量正常；LF出站样氮含量异常增高。下图50＃钢生产过程“转炉 —LF 炉 —成品”钢样含氮量变化。
图2 50＃钢生产过程含氮量变化（质量分数） ×10-6
转炉终点 吹氩站 出站 LF前样 LF后样 注流样 成品
13～22 15～28 23～35 23～36 57～85 62～92 57～71
由雷击测试上图可见,钢水含氮量在转炉终点样、吹氩站的出站样正常；LF炉进站样稍有增加，LF炉出站样钢水氮含量异常增高。含氮量异常主要发生在 LF精炼过程中，其它环节的增氮量比较正常，因此本次钢中氮含量发生异常与铁水、炼钢用固体辅料、保护浇注等环节没有关系 ,可能与精炼的吹氩操作和钢包底吹气体有关。
4.造成钢中氮含量异常增高的原因
4.1 精炼的吹氩操作和钢包底吹气体分析：
通过对炼钢发生的钢中含氮量异常结果调查可知 ,异常发生在 LF 精炼过程中 ,底吹气体造
成的可能性最大。在生产实际过程中存在两种可能导致钢液增氮：1、在精炼前期大气量操作，由于加入大量渣料没有化开，存在较大的间隙，形成钢液吸氮的通道，化渣过程氩气量较大，致使脱氧良好的钢液不断与空气接触，另外在渣界面存在大量被电离的[N]，随着氧、硫在钢中的浓度急剧下降，钢液大量增氮；2、由于钢包吹氩系统存在问题、品种钢钢水温度太低导致透气砖结冷钢等原因造成的吹氩效果差，无法满足前期化渣需要，岗位使用中压氮气，随着[S]含量降低，脱氧良好的钢液大量吸氮。因此需要对出现气泡的异常炉次使用的钢包和吹氩操作进行调查。
4.2 实际调查结果：
调查过程发现出现异常的炉次，操作过程存在以下现象：1、透气砖使用后期，透气性比较差，岗位在前期化渣过程使用氮气；2、钢包使用正常，钢水进站温度低于1500℃，在前期升温过程使用氮气；3、钢包吹氩系统正常，钢水温度正常，精炼周期短进站硫高，精炼过程大氩气量操作。因此，钢中的氮主要来源于吹氮或精炼前期吸氮。
5.措施和效果：
根据调查取得的结果，针对不同的原因，采取了相应的控制措施。具体措施如下 :(1)、精炼使用的钢包必须保证底吹氩系统无漏点，透气砖反烧良好；（2）、进精炼炉的钢水温度必须高于各钢种液相线20℃，保证透气砖部位不结冷钢；（3）、进精炼硫高的钢水，必须保证精炼周期，严禁前期大气量操作。在采取了以上措施后，尚未出现氮气造成皮下气泡的事故发生。
竹炭颈椎枕
参考文献
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