本文分析了吹氮合金化熱力學及動力學原理，結(jié)合目前重鋼的V-N合金化鋼種，提出了LF和VD爐吹氮合金化生產(chǎn)工藝控制條件，簡要地對吹氮合金化精煉工藝路線選擇進行了探討，對煉鋼廠吹氮合金化生產(chǎn)含氮鋼具有一定借鑒意義。

 

研究表明，氮對微合金化鋼中的碳氮化物的析出起重要作用，尤其是在釩微合金化的鋼中，氮被認為是一種有價值的合金化元素。在現(xiàn)行轉(zhuǎn)爐、電弧爐、精煉爐（RH、LF、VD、VOD）等冶煉工藝中，氮合金化主要通過兩種途徑來實現(xiàn)，一種是加入氮化合金（包括喂氮化合金包芯線），如氮化釩鐵、氮化錳鐵、氮化鉻鐵、氮化硅鐵；另一種是直接吹氮氣合金化。由于氮化合金價格昂貴，合金化時氮的收得率較低，鋼中氮含量不易控制，另外某些氮化合金雜質(zhì)含量較高，污染鋼液。因此，煉鋼廠可以充分利用氧氣廠分離空氣獲取氧氣資源得到的豐富且廉價的氮氣作原料，通過向鋼液吹氮進行氮合金化，對提高釩微合金化鋼的性能，大幅度降低生產(chǎn)成本是非常有效的。

 

1鋼水增氮熱力學及動力學

 

1.1鋼水增氮熱力學

 

標準狀態(tài)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(fā)過程，從熱力學的研究可知，鋼液中的[N]不是 直接溶解進入，而是以原子、化合態(tài)形式存在于鋼液中的。影響氮在鋼液中溶解度的因素有三個：溫度（T）、氮分壓（PN2）和鋼液中合金元素的含量[j]與氮的活度相互作用系數(shù)ejN。

 

在常壓（PN2取0.79）、不同溫度條件下，根據(jù)表1計算出鋼種HRB400、HRB500、Q420B（T）在成分控制中限時鋼液中的理論氮的溶解度見表2所示。按照重鋼的成分控制要求，HRB400、HRB500、Q420B（T）這三個鋼種在煉鋼溫度控制范圍內(nèi)，理論氮溶解度差異并不大，但都大于其要求氮含量。從熱力學分析可見，在常壓下HRB400、HRB500、Q420B（T）三個鋼種完全可通過吹氮進行合金化實現(xiàn)氮控要求。

 

表1 鋼液中元素與[N]的活度相互作用系數(shù)

 

表 2 常壓不同溫度條件下鋼液中理論氮的溶解度       %

 

 

結(jié)合VD對真空度的控制特點，針對鋼種Q420B（T），在底吹氮流量、鋼水溫度一致的前提下，根據(jù)對不同真空度時鋼水中氮的理論溶解度進行計算，結(jié)果表明，改變真空度導致的PN2變化是影響真空條件下鋼中氮理論溶解度的主要因素。

 

1.2鋼水增氮動力學

 

鋼液中的[O]是活性元素，它們能和N原子在鋼液表面爭奪活性點，優(yōu)先吸附。鋼液中溶解的w[O]高時，能降低氮在鋼液中的溶解速率。僅當它們的濃度低時，鋼液內(nèi)[N]的擴散才是限制環(huán)節(jié)。氮氣流量雖然不直接影響鋼液吸氮速度，但它影響著鋼液的攪拌強度和鋼液中氮氣泡的彌散程度，顯然鋼液中氮氣泡的彌散程度越高，氮氣與鋼液的界面就越大，鋼液吸氮的速度也越快。

 

2工藝控制

 

2.1 LF吹氮工藝

 

1）化學成分控制

 

重鋼的HRB400、HRB500和Q420B（T）鋼種中添加的[V]元素與氮形成V-N化合物，相互作用系數(shù)為負值，可提高氮的溶解度。經(jīng)理論計算可知，Q420B（T）僅加入V就可以使鋼中氮的溶解度提高8ppm。有研究認為：既然合金元素對氮在鋼中的溶解度和增氮速率有較大的影響，因此，在實際鋼液吹氮氣合金化之前，應當首先加入鋼種所需的合金，至少先加入能增大氮溶解度和提高增氮速度的合金元素（錳鐵、釩鐵）后，再進行吹N2合金化。

 

研究表明：氧是表面活性元素，會吸附在鋼液表面，阻礙鋼液吸氮和脫氮界面反應的進行。鋼液溶解氧含量對吸氮過程有決定性影響，其含量決定了鋼液吸氮速率的大小，當溶解氧含量大于某一臨界值后，鋼液吸氮過程將基本停滯。溶解氧低于20ppm的脫氧鋼液在底吹氮條件下，鋼液吸氮明顯；溶解氧大于200ppm的不脫氧鋼液在底吹氮氣條件下，鋼液中的氮基本不發(fā)生變化。隨著鋼中氧、硫含量的降低，傳質(zhì)系數(shù)增大，鋼液吸氮的阻力減小，提高了鋼液的增氮速率。隨著鋼中硫含量的增加，吸氮速率減慢，特別是鋼中硫含量達到0.06%時，鋼中氮含量基本不變。當鋼液中硫從0.025%降至0.002%時，氮的溶解速度可增加2.7倍。因此，為了提高氮向鋼液的溶解速度，在LF吹氮合金化生產(chǎn)Q420B（T）時，通過喂鋁線沉淀脫氧，造白渣促進鋼水脫氧良好，w[S]≤0.018 %。

 

2）鋼水溫度控制

 

鋼水中氮的溶解度與溫度的關(guān)系比較復雜，不同學者有不同解釋。實踐表明：在鋼液中氮壓力一定的前提下，鋼液中氮溶解度與溫度是成正比的，即隨著溫度的升高，鋼液中氮溶解度是增加的。對鋼種Q420B（T），通過數(shù)學計算（見表2）可知，溫度每提高50℃，鋼液中氮的溶解度提高2ppm。研究表明：冶煉溫度升高，能增大鋼液對氮的吸收速率。由于氮在鋼液中的溶解過程是吸熱反應，溫度的升高，有利于吸熱反應的進行；同時，冶煉溫度的提高，冶金熔體內(nèi)分子運動加劇，降低了鋼液的黏度，增加了鋼液的流動性，有利于傳質(zhì)過程的進行。所以，冶煉溫度的提高，為促進氮在鋼液中的溶解吸收提供了良好的熱力學和動力學條件，利于吹氮合金化進行。因此，提高LF爐處理過程溫度，使LF一次升溫結(jié)束溫度保持在1580℃以上，有利于鋼水快速增氮。

 

3）吹氮流量

 

采用底吹氮，氮氣泡在鋼液中的上浮時間將延長，彌散程度增大，鋼液吸氮的速度也將增大，鋼液達到相同的氮含量的時間將縮短。良好的氬氣攪拌是LF精煉的一大特色，不同的精煉功能要求有不同的鋼水攪拌強度，這與LF吹氮合金化過程中為了控制較窄的出站氮含量，盡量控制比較穩(wěn)定的氮氣流量形成矛盾。因此，精煉過程中，在保證正常供電的情況下，盡量提高吹氮氣流量，保持一定的（50-60Nm3/h）吹氮氣時間，以便高強度攪拌鋼液，從而迅速提高鋼液中的氮含量。

 

4）吹氮方式

 

研究表明：吹氮的前期階段鋼中增氮量較大，后期的增氮量則明顯降低，這主要是由于前期鋼水中氮含量較低，吹氮合金化效果非常明顯，隨著鋼水氮含量的增加，此時的增氮效果則隨之下降。LF爐吹氮氣合金化工藝，考慮到氬氣成本為1.45元/m3，氮氣成本為0.41元/m3，可按照現(xiàn)有爐機節(jié)奏（LF處理周期48±2 min）控制，采用LF全程吹氮氣合金化工藝，避免長時間吹氮，確保出LF鋼水氮含量不高于200 ppm的內(nèi)控要求。

 

2.2 VD吹氮工藝

 

1）真空度控制

 

根據(jù)熱力學原理和理論計算，真空度對鋼水氮含量有顯著影響�？梢酝茢啵琕D爐內(nèi)的真空度越高，真空罐內(nèi)的PN2越低，氮的溶解度越��；真空度越低，真空罐內(nèi)的PN2越高，氮的溶解度越大，鋼水吹氮氣增氮越明顯。根據(jù)VD、VOD和RH吹氮氣合金化生產(chǎn)實踐，VD爐生產(chǎn)Q420B（T）等含氮鋼時，真空度控制在10-20kPa，能夠滿足鋼水氮含量對真空度的控制要求。

 

2）吹氮方式

 

實踐證明：使用氮氣攪拌，雖然氮的分壓很低，但在脫氮的同時，也在不斷向鋼液補充氮氣。相比之下，使用氮氣攪拌的脫氮量要比使用氬氣攪拌的小很多，有利于提高VD處理后鋼液的氮含量。考慮到氬氣與氮氣成本差異較大，在VD爐吹氮氣合金化工藝時，控制適當?shù)恼婵斩龋�真空處理過程可全程吹氮氣。對于VD爐真空處理復壓后，后續(xù)鈣處理過程和軟吹采用氬氣還是氮氣攪拌鋼水，需要結(jié)合真空處理結(jié)束時鋼中氮含量，來決定是否采取常壓吹氮氣補氮操作。

 

3工藝路線選擇探討

 

3.1 LF工藝路線

 

通過上述理論計算和分析，在常壓下適當調(diào)整精煉工藝，LF全程吹氮合金化生產(chǎn)HRB400、HRB500、Q420B（T）是完全可行的，控制鋼水在[N]=0.0100%-0.0200%目標范圍內(nèi)可以實現(xiàn)。對于某些通過氮合金化能夠改善鋼材力學性能，同時對鋼水氫含量要求不是很苛刻的鋼種，采用LF工藝路線吹氮合金化是一種有效的生產(chǎn)方式，甚至采用CAS或吹氬站工藝路線吹氮氣合金化也是不錯的選擇。

 

3.2 LF-VD工藝路線

 

研究表明：LF-VD、LF-RH和RH工藝路線吹氮氣合金化生產(chǎn)含氮鋼，真空度按“兩段式”控制，即第一階段通過控制適當真空時間，在高真空度下脫除鋼中的氫；第二階段通過控制適當真空時間，在低真空度下吹氮氣增氮，完全可以實現(xiàn)吹氮氣合金化生產(chǎn)含氮鋼。因此，對于某些通過氮合金化能夠改善鋼材力學性能，同時對鋼水氫含量要求苛刻的鋼種，采用LF-VD或VD-LF工藝路線吹氮合金化是一種有效的生產(chǎn)方式。

 

4結(jié)論

 

1）在常壓和一定真空度下，重鋼的HRB400、HRB500和Q420B（T）氮溶解度大于該鋼種目標氮含量要求，從熱力學分析看，LF、VD工藝路線向鋼水吹氮合金化是可行的；

 

2）在鋼液吹氮氣合金化之前，應先加入能增大氮溶解度和提高增氮速度的合金元素后，再進行吹氮合金化；在LF吹氮合金化生產(chǎn)Q420B（T）時，通過喂鋁線沉淀脫氧，造白渣使鋼水脫氧良好，鋼水中的硫≤0.018%；

 

3）對Q420B（T）鋼種，溫度每提高50℃，鋼液中氮的溶解度提高2ppm。提高LF爐處理過程溫度，使LF一次升溫結(jié)束溫度保持在1600 ℃以上，有利于鋼水快速增氮；

 

4）LF或VD精煉過程中，在保證正常供電和不溢渣的情況下，保持一定的大流量（50-60 Nm3/h）吹氮氣時間達到高強度攪拌鋼液，迅速提高鋼液中的氮含量；

 

5）LF吹氮氣合金化工藝時，可按照現(xiàn)有爐機節(jié)奏（LF處理周期48±2 min）控制，采用LF全程吹氮氣合金化工藝，避免長時間吹氮，確保出LF鋼水氮含量不高于200ppm的內(nèi)控要求；VD爐真空處理過程可全程吹氮氣，鈣處理過程和軟吹采用氬氣還是氮氣攪拌鋼水，需要結(jié)合真空處理結(jié)束時鋼中氮含量，決定是否采取常壓吹氮氣補氮操作；

 

6）VD爐生產(chǎn)Q420B（T）等含氮鋼時，真空度控制在10-20kPa，能夠滿足鋼水氮含量對真空度控制要求；

 

7）對鋼水氫含量要求苛刻的鋼種，采用LF-VD或VD-LF工藝路線吹氮合金化是一種有效生產(chǎn)方式；而對鋼水氫含量要求不高的鋼種，采用LF工藝路線吹氮合金化是一種有效生產(chǎn)方式，甚至采用CAS或吹氬站工藝路線吹氮氣合金化也是不錯的選擇。