田宝生 田艺玄

本文通过分析氮对冷轧料综合负面影响及钢液增氮的机理，明确限制性环节和关键性控制要素，提出采取吹炼终点高拉碳工艺，提高终点碳温一次命中率，降低终点钢中[O]，充分利用吹炼末期氮氩切换技术，降低钢中氮含量，保障钢中[N]≤35×10^-6。

钢中氮含量高时，随着时间的延长氮会在α-Fe 中逐渐以微细弥散的 Fe₄N 质点析出，导致钢的时效性、屈服点延伸和兰脆，降低钢的韧性和塑性，降低钢的冷加工性能，恶化钢的冲击韧性、深冲性能等。与钢中钛、铝等元素形成带棱角而性脆的夹杂物，不利于钢的冷热变形加工，过高时甚至会导致钢宏观组织疏松甚至形成气泡。因此，必须采取有效措施降低钢中氮含量。

优质钢一般要求[N]≤60×10^-6，SPHC 钢要求[N]≤35×10^-6，IF 钢冷轧板要求[N]≤25×10^-6，对于含硼钢，控制[N]＜20×10^-6 可获得较好的强度和低温韧性。德龙钢铁有限公司品种结构以冷轧料（热轧卷板）为主（占比 85%以上，DC03、加硼 SPHC、Q195L 等），执行转炉钢渣洗直上工艺，钢水氮含量波动幅度大（16×10-6-55×10-6），工序能力不足（Cpk＜1.0），难以稳定控制。

经高频率、大样本容量抽检，连铸工序（保护浇注）平均增氮量＜4×10^-6，不是增氮的主要原因，本文重点讨论复吹转炉钢的增氮量控制。

1 钢液增氮机理

1.1 钢液吸氮的热力学行为

氮在钢中溶解时，伴随着双原子分子的解离过程，是吸热反应，如式（1）。

（1/2）N₂=[N] （1）

根据质量作用定律，得到其平衡常数，如式（2）。

由上式可知，钢液中氮的溶解度与氮气的分压力、钢液温度和钢中的成分及 e_nj 相关。

另外，C、Mn、Si、P、S、Ni、Al、Cu 元素的存在，可降低氮在钢中的溶解度，[C]、[Al]元素影响最大，所以低碳钢氮溶解度在纯铁中的溶解度为 0.044%（1600℃时），在铁水中由于受到含碳量的影响，氮的溶解度约为 0.01%（ PN₂=0.1Kpa、1600℃时）。

1.2 氮的动力学行为

转炉脱碳的同时能有效地脱氮，一般认为，脱碳能够脱氮的原因是由于脱碳时生成大量的 CO气泡，相当于一个小真空室，其中氮的分压极低，钢液中的[N]很容易进入气泡中，从而被携带走。

根据动力学机制：①钢液中的氮通过钢液边界层扩散到 CO 气泡表面；②在气泡/钢液界面上发生化学反应；③反应生成的氮分子扩散到气泡内部，并随之上浮排出。

冶炼后期，碳-氧反应减弱，脱碳速度降低，脱氮量减少，非碳氧区钢液与氮接触，会导致钢液增氮。因此，在吹炼中期末，转炉复吹的氮氩开始切换时间与供气强度的优化设置尤为关键。

2 影响因素与控制措施

2.1 氧气纯度

要求氧气纯度≥99.5%，在氧气主管道上，加装在线氧气纯度检验仪随机监控，防止氧气纯度不达标或氮氧互窜。

2.2 入炉铁水比

提高入炉铁水比相当于提高了铁水中的碳含量，加剧了碳氧反应，增加了 CO 的生成量，对吹炼中前期脱氮有利。在吹炼终点碳含量相同的条件下，入炉铁水比越高，氮含量越低。

2.3 吹炼终点炉内外压差

转炉吹炼末期开始，CO 生成量降低，炉内压力可能小于炉外压力。特别是在吹炼终点，由于氧枪提枪的操作会引起空气卷入，导致钢水增氮。在吹炼结束时，关闭供氧末端阀门，当氧枪中残留氧气完全吐出即压力表值为零时，提枪至待吹位，使炉内压力大于炉外压力，避免提枪过程中导致的增氮。

2.4 炉渣流动性

综合溅渣护炉与钢水纯净度的需要，控制（FeO）10%-14%之间。吹炼末期造泡沫渣，能够阻断钢水与空气的接触防止增氮。当吹炼至ω（C）<0.3%时容易发生增氮，因此有必要在 ω（C）>0.3%时造泡沫渣。在吹炼至 ω（C）≈0.5%时，添加氧化铁皮 2kg/t 或者矿粉 1-3kg/t 或 在吹炼至 80%时，添加 CaCO3 使泡沫渣高度控制在炉口和出钢口之间，从而达到阻断钢水与大气接触的目的。

2.5 吹炼终点碳含量

终点氮含量随转炉终点碳含量的升高呈明显下降趋势。这是因为转炉冶炼过程中，钢液脱氮主要是依靠 C-O 反应生成的 CO 气泡将氮携带出钢液。吹炼开始，氧气射流冲击钢液面，形成的火点（凹坑）是主要的反应区，熔池中硅先氧化，碳氧反应还未开始，脱氮速率很小。

随着吹炼的进行，火点区温度升高，钢液中碳氧反应增强，熔池产生大量 CO 气泡，将钢液中的氮脱除。在火点区温度下，钢液中氧、硫对脱氮的影响完全可以忽略，火点区虽然存在吸氮现象，但由于碳反应生成的 CO 量多，其压力大于外界空气压力，使空气难以与钢液接触，脱氮量大于吸氮量，脱氮速度迅速增大，到某一时刻达到最大值。

随着碳氧反应强度的降低，生成的 CO 量减少，外部空气压力大于 CO 压力，这时空气就有可能与火点区的钢液接触，造成钢液的吸氮，脱氮速度逐渐降低，在某时刻脱氮速度变为负数，意味着此时钢液内脱氮变为增氮。所以在满足工艺成分要求的前提下，采取吹炼终点高拉碳工艺有助于控制增氮量。

2.6 转炉一倒 C-T 双命中率

后吹时，氧气射流将转炉内熔渣吹开，点火区钢液面裸露，造成点火区钢液的吸氮速度大于CO 气泡的脱氮速度，钢液在点火区从气相中吸氮，从而造成钢水增氮。补吹时间越长、次数越多，增氮量越大，通常增氮 5×10^-6-20×10^-6。

2.7 脱氧顺序

出钢时氮由气-液界面向液相传质是钢液增氮的限制性环节。钢液表面活性元素（如氧、硫等）占据气-液界面上可吸附氮的空位，阻碍氮分子形成，并阻止空气中的氮气向钢液中溶解扩散，减少钢水二次氧化和吸氮的几率。

通过建立炉后小平台钢水氧活度与出钢过程增氮量的对应关系，根据下降趋势找出氧活度的临界值（一般≥50×10^-6），采取先合金化后脱氧的工艺操作，稳定控制钢水增氮量。

2.8 出钢控流

出钢过程的吸氮主要包括以下几方面：出钢时出钢口形状不好，造成出钢散流，使得钢液与空气的接触面积增加，增大了钢液吸氮的反应面积，造成一般增氮 3×10^-6-8×10^-6。出钢时需做到规圆、不散流，控制出钢时间 3-6min；出钢过程伴随着钢液的脱氧，钢液中氧含量的降低，会造成反应界面上的表面活性元素的浓度降低，增加了钢液吸氮的速率，同时，由于出钢过程钢液与空气直接接触，加大了反应界面，也会造成钢液的吸氮。

2.9 出钢时钢包底吹氩流量

吹氩搅拌起到强化钢水流动、均匀成分和温度、去除夹杂物的作用，但过大的吹氩量会造成钢液大面积的裸露，无形中使钢水液面与大气接触面积增加，造成钢液自发吸氮（如图 1），尤其是炉后强脱氧钢水，吸氮更为敏感，一般增氮量在 2×10^-6-6×10^-6。

2.10 其他操作

1）转炉内有钢水且转炉在零位时，用氮气吹扫烟道或进行泡沫渣吹扫压渣会造成钢水增氮。

2）在吹炼末期大幅度窜枪或底吹供气强度太大，会造成钢水大翻，使钢水增氮。

3 冶金效果分析

通过工艺调整，在冶炼冷轧料的生产中，转炉出钢时的[N]平均为 0.0018%，钢包的[N]平均为 0.0022%，最大不超过 0.0025%，转炉出钢过程平均增氮 0.0007%，钢中[N]得以有效控制。工艺调整后工序能力评价如图 2 所示，冷轧料质量水平得到可靠保证（热轧卷板成品氮含量 Cpk 为1.29）。

4 结论

1）保证氧气纯度≥99.5%；

2）在条件允许的前提下，适当提高入炉铁水比，提高整体碳含量，在吹炼前期，尽可能多地利用剧烈碳氧反应和 CO 气泡带出钢中氮；

3）保持吹炼终点炉内正压，转炉吹炼在接近终点时，脱碳反应已明显减弱，钢液容易吸氮，此时，应降低氧枪枪位，加强熔池搅拌（≮40s），容易得到较低的钢水氮含量。保证底吹效果，充分利用吹炼末期氮氩切换技术，降低钢中氮含量；

4）控制终渣（FeO）在 10%-14%，避免返干；

5）尽可能采取吹炼终点高拉碳工艺，提高终点碳温一次命中率，杜绝后吹、补吹，降低终点钢中［O］，避免增氮；

6）在脱氧合金化过程中，脱氧剂采用先弱后强的方式加入；

7）根据出钢口大小，适当调整装入量，合理控制出钢时间。圆流出钢，同时控制钢包底吹氩流量和时间，杜绝暴吹、大面积裸吹等现象。