超低氮钢转炉终点氮含量控制

摘要：在钢铁行业，氮是一种普遍存在的杂质元素，对钢材的性能有重要影响。高氮含量会引起钢材的硬化、脆化、塑性下降、可焊接性及可焊性等问题。为此，对压力容器钢和管线钢等特殊用途的钢材提出了“超低氮钢”的要求。转炉炼钢是我国钢铁行业最主要的一种冶炼方式，其终点含氮量的有效控制是目前国内外研究的热点。

关键词：超低氮钢；转炉；含量控制

随着工业的进步和技术的进步，对钢材的品质和纯度提出了更高的要求。含 氮量对钢铁材料的力学性能有很大的影响，特别是在以镀锌钢板为代表的深冲用低碳钢中，氮的存在会导致屈服、强度、硬度增加，而塑性降低，冲击韧性下降。除众所周知的奥氏体不锈钢之外，低合金钢和铁素体合金钢两大类钢主张以氮代碳，对其他的钢种又提出超低氮含量的要求。

一、超低氮钢的定义及其重要性

在当今世界，超低氮钢已成为衡量一国冶金技术水平高低的主要指标。超低氮钢，顾名思义，是一种氮含量非常低的钢材，它的含氮量一般都在50 ppm以下，有时甚至低于20 ppm。超低氮钢是一种创新的高性能钢材，它在多个高端工业领域展现出了巨大的应用潜力。这种钢材不仅在汽车行业中有着广泛的应用，能够显著提升车体的耐腐蚀性和整体安全性能，而且在航空航天领域，超低氮钢的强韧特性也被证明是制造关键零部件的理想选择。此外，它在船舶制造以及高端建筑结构中同样具有不可忽视的作用，为这些行业带来了新的材料解决方案，从而推动了相关技术的进步和创新[1]。

二、超低氮钢的冶炼工艺特点

超低氮钢熔炼技术的特征是严格控制氮的含量。在此过程中，为了改善钢的性能与品质，需要采取一系列的措施来减少含氮量。具体来说，超低氮钢的冶炼工艺在原料选择上就十分严格，需尽量减少含氮原料的使用。通过对造渣方式、底吹方式、出钢碳含量及出钢时间的优化，能够有效实现转炉终点含氮量的控制。比如，在冶炼过程中，通过优化造渣方式、底吹模式、出钢碳含量和出钢时间等参数，来降低转炉终点氮含量。此外，在精炼工艺的优化过程中，我们还需要采取一系列的措施来提高精炼效率和产品质量。对于LF精炼过程，应当采用埋弧操作技术，这种技术能够有效地控制电弧，从而保证精炼过程的稳定性和均匀性。通过埋弧操作，可以进一步减少钢液中的杂质含量，特别是对于降低氮含量有着显著的效果。此外，在铸造工艺中，还需要注意防止钢液与空气的接触，防止产生过多的氮气[2]。超低氮钢的冶炼工艺特点如表1所示。

表1：超低氮钢的冶炼工艺特点

三、超低氮钢脱氮力学分析

钢液脱氮的热力学公式为

式中：分别是反应式（3）

钢液中氮含量、钢液表面氮含量、钢中其他元素含量、钢中其他溶质的交互作用系数。根据动力学机制：（1）氮在钢液中通过边界层向CO气泡表面扩散；（2）在气泡与钢液的交界处发生化学反应；（3）反应产生的氮分子扩散进入气泡内部，并随着气泡上升排出。

从脱氮热力学和动力学条件可以看出，钢液温度、氮气分压、钢液成分以及氮气在钢液中的扩散速度是决定钢液脱氮效率的重要因素。在钢液中，随着钢液温度的升高，氮气在钢液中的溶解度减小，有利于脱氮反应的进行；同时，氮分压的下降还可以促进钢液中氮向气相的转移，从而达到脱氮的目的；在钢液中加入铝、钛等元素后，可与氮气生成稳定的氮化物，从而加快脱氮进程；另外，氮气在钢液中的扩散速度也是动力学条件中的重要因素。铁水脱碳是转炉冶炼的核心环节，该工艺既要脱碳又要脱氮。从热力学上分析，脱除炭可提高钢液中的氧活度，进而改变钢液中的氧化还平衡，进而对氮气溶解及脱除速度产生影响。此外，脱碳还会改变钢液的表面张力、粘度，从而对氮气在钢液中的扩散行为产生重要影响。在反应动力学方面，由于碳的快速氧化，会在钢液中形成大量的气泡，并将氮气带到钢液中，促进氮气的去除，因此，脱氮速度将会直接影响氮气的脱氮率[3]。

四、超低氮钢转炉终点氮含量控制策略

（一）转炉冶炼过程中的氮含量控制

在转炉炼钢这一复杂流程中，氮气的精确控制是关键，其关键在于精密的生产流程与先进的设备条件。一方面，从源头上严格把控原料中的氮含量是基础。具体而言，冶炼过程中应选择含氮量低的废钢和铁水作为基础材料，这样可以有效减少冶炼初期的氮含量。此外，通过铁水的预处理步骤，运用恰当的技术手段去除氮成分，可以进一步减少氮的初始浓度。另一方面，吹氧操作是转炉炼钢的一个重要工序，其运行模式的选取直接影响着钢液的含氮量。为防止含氮气体在钢液中混入过多的氮，宜选择低氮氧枪，并采取科学、合理的氧气喷射方式。这种方法不但能够提高熔炼效率，而且能够有效地降低吸氮量。另外，炉渣的组成及数量对氮气吸附的影响也很大。通过对钢渣组成进行优化，即提高氧化钙含量、添加适量氧化镁等，可有效地增强钢渣对氮的吸附力，减少氮在钢液中的溶解度。但在实际生产过程中，要对吹炼终点温度进行适当的控制，因为高温会使氮气在钢液中溶解度增大，从而使钢液中的氮含量升高[4]。

（二）精炼过程中的氮含量控制

目前，在钢铁的精炼生产中，对钢液中的氮素进行有效的控制，主要是采用真空法和转炉脱氮工艺。采用真空处理技术，可使钢液中的氮分子快速逸出，达到大幅减氮的目的。为了达到理想的脱氮效果，必须对各种工艺条件进行严格控制。例如：一般要求将真空度维持在0.1kPa以内，以降低钢液中的氮分压，促进氮的逃逸；处理时间通常不低于10分钟，这段时间足以使氮有足够的机会从钢液中扩散出去；处理温度控制为1580~1600℃，此温度可使钢液具有良好的流动性，同时也利于氮的扩散与析出。通过对各工艺参数的精细调控，达到高效、稳定的脱氮效果，进而提升钢铁产品的品质与性能。同时，通过对钢液进行真空处理，可以有效地消除钢液中的其他有害气体及杂质，使钢液的纯净度得到进一步提高，为钢液的后续加工及使用提供高质量的原材料。

在LF精炼炉操作中，应特别注意减少氮的吸入。因此，建议采用低氮型覆盖剂和保护渣，这类材料能显著减少钢液与氮气的直接接触，进而降低钢液吸收氮气的比率。同时，在焊接过程中，使用了自动埋弧焊，该工艺不需要外加氧，直接通过电弧加热，不会引起氧化反应。此外，采用非氧化性造渣工艺，该技术能有效地抑制氧化渣的生成，并降低氧、氮的掺混，从而达到防止钢液氮污染的目的。

在RH精炼炉中，运行主要集中于对钢液进行去除气体以及对合金进行精细调整，以达到除去钢液中氮等气体的目的。采用真空循环除气技术可大幅降低钢液中气相含量，实现对合金成分的精准调控，实现钢铁材料性能的最优调控[5]。

（三）连铸生产环节的氮含量控制

在连铸生产中，准确地控制钢液的含氮量是非常重要的。因此，钢包和中间包在投入使用之前需进行充分烘干，以保证其内在的干燥状况，并将水汽及空气等杂质对钢液洁净度的影响降至最低。烘烤过程的严格程度是保证后续生产过程中氮气含量的保证。在中间包时，为了避免钢液中的氮被吸附，还应采用低氮含量的保护渣。此外，运用保护浇注技术，比如采用惰性气体例如氩气或氮气，能够有效地隔绝钢水与外界空气的直接接触，进一步减少氮污染的风险。在连铸工艺中，浸入式水口的材质选择至关重要，应选择低氮材料，并确保其表面光滑，以降低气泡的生成，避免氮的吸收。为了保持连铸过程中氮含量的控制，必须保持拉速和冷却条件的稳定，防止钢水在结晶器内停留时间过长，因为长时间停留可能会增加氮的溶解。最后，连铸坯表面的缺陷会直接影响氮的分布，因此必须采取措施减少这些表面缺陷。利用电磁搅拌和轻压技术可以显著提升钢水流动性，减少气泡的产生，有助于控制氮含量并提升产品质量[6]。

五、结束语

综上所述，通过强化转炉冶炼阶段的氮含量控制、精确调节精炼阶段的氮含量，并严格执行连铸生产过程中氮含量的监控，能够对超低氮钢转炉终点的氮含量进行精准地掌握。这些研究成果为钢铁制造行业提供了至关重要的技术支持，极大地促进了钢材品质的提升和生产效率的优化。展望未来，面对超低氮钢市场需求的持续攀升，钢铁企业必须持续投入于高效、环保的转炉冶炼技术研发，这将是确保企业长期发展和保持市场竞争力的关键策略。

参考文献：

[1]张彦龙,朱祎姮.大型转炉IF钢终点氧含量控制实践[J].山西冶金,2024,47(09):183-185.

[2]陈柏宇,齐志宇,王华东,等.260 t转炉终点余锰含量控制实践[J].鞍钢技术,2024,(04):57-60.

[3]张春亮,王建昌.转炉冶炼过程中氮含量的控制研究与实践[J].山西冶金,2021,44(05):59-60.

[4]宋波,贾宁.转炉工序氮含量控制工艺研究[J].冶金管理,2021,(15):3-4.

[5]曹盛.超低氮钢转炉终点氮含量控制[J].河北冶金,2015,(10):14-17.

[6]张艳龙.本钢超低氮钢生产工艺的研究[J].辽宁科技学院学报,2008,(02):6-7.