超低碳铝镇静钢冶炼过程氮含量的控制

工程科学学报，第38卷，增刊1：219-223,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:219-223,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.036:http://journals.ustb.edu.cn 超低碳铝镇静钢冶炼过程氮含量的控制 王 敏区，张超杰”，蔡小峰”，张思源”，郭昭桥》 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)浙江省先进钢铁材料工程技术研究中心，杭州310022 ☒通信作者，E-mail:worldmind(@163.com 摘要针对企业治炼超低碳铝镇静钢过程中增氮量高、波动大及控制不稳定的问题，采用工艺数据统计和现场取样的手 段，系统梳理了冶炼过程钢液脱氮和增氮的主要环节和影响因素.转炉脱碳期和真空处理是脱氮的主要环节，碳氧期的总脱 碳量高则终点氮含量低；转炉底吹N2/A切换点在吹炼70%以前对终点氮含量影响不大：VD在无氧条件下脱氮有利，RH则 在有氧条件下脱氮有利.控制钢中溶解氧>200×10-6则出钢过程增氮可控制在5×10~6以下：炉料的氮带入是真空精炼环 节增氮的重要因素，最高达11×106：采用密封垫+吹Ar的保护方式，增氮量最低为1×10~6 关键词低碳钢：治炼：脱氮：真空处理：二次氧化 分类号TF762*.28 Nitrogen control of ultra-low-carbon Al-killed steel in a smelting process WANG Min,ZHANG Chao-jie”,CAl Xiao-feng”,ZHANG Si-yuan'”,GUO Zhao-qiao 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Advanced Iron and Steel Engineering Technology Research Center of Zhejiang Province,Hangzhou 310022,China Corresponding author,E-mail:worldmind@163.com ABSTRACT Based on the fact of high nitrogen pick-up,large nitrogen fluctuation and poor control in some steel works,the main aspects of nitrogen removal and nitrogen pick-up in an ultra-ow-carbon Al-killed steel smelting process were summarized by analyzing the process data and sampling.The main sections for nitrogen removal are BOF decarburization period and vacuum treatment.High decarburization amount can lower the nitrogen content at the BOF endpoint.There is just a limited effect of switching between nitrogen and argon on the final nitrogen content at the BOF endpoint before the point of 70%oxygen blowing.Free oxygen is favorable for deni- trification by promoting the reaction of carbon and oxygen under the RH mode,in contrast under the VD mode.When free oxygen in liquid steel is controlled above 200x10,the nitrogen absorption during tapping can be controlled within 5x 10.The nitrogen introduction of fumnace charge is the important factor of nitrogen pick-up during the vacuum refining process,and it is up to1110. The minimum of nitrogen pick-up can reduce to 1 x 10by adopting gasket sealing and argon blowing protection simultaneously. KEY WORDS low carbon steel:smelting:nitrogen removal:vacuum treatment:reoxidation 氮对钢材具有两面性，一方面氮作为强化元素可原子，得到无间隙原子的纯净基体来保证钢的深冲性 以提高钢材强度网，另一方面钢中氮会降低热轧材能可.治炼过程钢液增氮的环节非常多，诸如原辅料 的力学性能和冷轧材的成型性能.对大部分产品的引入，非稳态浇注导致的界面裸露和吸气、电极加热 而言，氮是有危害的.如超低碳无间隙原子钢(F钢) 过程的电离增氮，而脱氮的手段却很有限.因此，治炼 要求钢中碳、氮含量控制在极低水平(C+N≤30× 氮含量有要求的钢种时，治炼过程控制要求非常高， 10),然后通过合金元素Ti、Nb来固定剩余的C、N 本文通过在F钢和管线钢上开展的大量实验结合各 收稿日期：201601-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404018)：钢铁治金新技术国家重点实验室基金资助项目(41614014)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 219--223，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 219--223，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 036; http: / /journals． ustb． edu． cn 超低碳铝镇静钢冶炼过程氮含量的控制 王 敏1) ，张超杰1) ，蔡小峰1) ，张思源1) ，郭昭桥2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 浙江省先进钢铁材料工程技术研究中心，杭州 310022  通信作者，E-mail: worldmind@ 163． com 摘 要 针对企业冶炼超低碳铝镇静钢过程中增氮量高、波动大及控制不稳定的问题，采用工艺数据统计和现场取样的手 段，系统梳理了冶炼过程钢液脱氮和增氮的主要环节和影响因素． 转炉脱碳期和真空处理是脱氮的主要环节，碳氧期的总脱 碳量高则终点氮含量低; 转炉底吹 N2 /Ar 切换点在吹炼 70% 以前对终点氮含量影响不大; VD 在无氧条件下脱氮有利，ＲH 则 在有氧条件下脱氮有利． 控制钢中溶解氧 ＞ 200 × 10 － 6则出钢过程增氮可控制在 5 × 10 － 6以下; 炉料的氮带入是真空精炼环 节增氮的重要因素，最高达 11 × 10 － 6 ; 采用密封垫 + 吹 Ar 的保护方式，增氮量最低为 1 × 10 － 6 ． 关键词 低碳钢; 冶炼; 脱氮; 真空处理; 二次氧化 分类号 TF762 + . 28 Nitrogen control of ultra-low-carbon Al-killed steel in a smelting process WANG Min1)  ，ZHANG Chao-jie1) ，CAI Xiao-feng1) ，ZHANG Si-yuan1) ，GUO Zhao-qiao2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Advanced Iron and Steel Engineering Technology Ｒesearch Center of Zhejiang Province，Hangzhou 310022，China  Corresponding author，E-mail: worldmind@ 163． com ABSTＲACT Based on the fact of high nitrogen pick-up，large nitrogen fluctuation and poor control in some steel works，the main aspects of nitrogen removal and nitrogen pick-up in an ultra-low-carbon Al-killed steel smelting process were summarized by analyzing the process data and sampling． The main sections for nitrogen removal are BOF decarburization period and vacuum treatment． High decarburization amount can lower the nitrogen content at the BOF endpoint． There is just a limited effect of switching between nitrogen and argon on the final nitrogen content at the BOF endpoint before the point of 70% oxygen blowing． Free oxygen is favorable for deni￾trification by promoting the reaction of carbon and oxygen under the ＲH mode，in contrast under the VD mode． When free oxygen in liquid steel is controlled above 200 × 10 － 6，the nitrogen absorption during tapping can be controlled within 5 × 10 － 6 ． The nitrogen introduction of furnace charge is the important factor of nitrogen pick-up during the vacuum refining process，and it is up to 11 × 10 － 6 ． The minimum of nitrogen pick-up can reduce to 1 × 10 － 6 by adopting gasket sealing and argon blowing protection simultaneously． KEY WOＲDS low carbon steel; smelting; nitrogen removal; vacuum treatment; reoxidation 收稿日期: 2016--01--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404018) ; 钢铁冶金新技术国家重点实验室基金资助项目( 41614014) 氮对钢材具有两面性，一方面氮作为强化元素可 以提高钢材强度［1--2］，另一方面钢中氮会降低热轧材 的力学性能和冷轧材的成型性能［3--4］． 对大部分产品 而言，氮是有危害的． 如超低碳无间隙原子钢( IF 钢) 要求钢中碳、氮含量控制在极低水平( C + N≤30 × 10 － 6 ) ，然后通过合金元素 Ti、Nb 来固定剩余的 C、N 原子，得到无间隙原子的纯净基体来保证钢的深冲性 能［5］． 冶炼过程钢液增氮的环节非常多，诸如原辅料 的引入，非稳态浇注导致的界面裸露和吸气、电极加热 过程的电离增氮，而脱氮的手段却很有限． 因此，冶炼 氮含量有要求的钢种时，冶炼过程控制要求非常高． 本文通过在 IF 钢和管线钢上开展的大量实验结合各

·220 工程科学学报，第38卷，增刊1 企业的具体数据，重点讨论低碳铝镇静钢在冶炼各环 切换模式实验数据得到大型转炉终点控制与氮含量的 节中氮的来源和控制措施，为相近钢种治炼控氮提供 关系 指导. 2结果分析与讨论 1实验方法 2.1转炉终点控制对氮含量的影响及控制 现场实验来自国内三个不同钢厂(A厂：100t转 转炉吹炼脱碳期会形成大量C0气泡，这些气 炉：B厂：210t转炉：C厂：300t转炉)，主要实验钢种 泡在钢液中起到类似“真空泵”的作用可以脱氮 为F钢和管线钢.A厂X70管线钢的工艺流程为 图1()表明随着转炉脱碳量的增加，转炉终点氮 BOF-LF→VD/RH→CC:B厂和C厂超低碳IF钢的 含量降低并趋于稳定.在相同脱碳量的情况下，随 工艺流程为BOF→RH→CC.针对A厂转炉出钢增氮 着入炉铁水硫含量的增加终点氮含量有增加的趋 高的问题，研究出钢脱氧方式（镇静出钢、半脱氧出 势.转炉的底吹状态和气体切换模式也会影响到 钢、沸腾出钢)与钢液增氮的关系：针对B厂治炼F钢 终点氮含量.图1(b)表明，吹氧量达到70%（体 时精炼环节增氮高的问题，通过密集取样跟踪RH及 积分数)前采用N,底吹与全程吹氩时的终点氮含 中间包不同阶段氮含量变化，确定氮的主要来源：针对 量相当，超过70%后随着底吹流量增大和N2/Ar切 C厂转炉终点氮含量波动大的问题，对200余炉终点 换点推迟，转炉终点氮含量增加明显.对于超低氮 氮含量进行测量跟踪并结合工艺数据进行归类分析， 钢的治炼，N2/Ar的切换点应不晚于吹氧70%的 同时综合刘文飞等在260t转炉进行的不同N2/Ar 节点 0.0045 a ·铁水S<0.005% 704 刘文飞等引6] 0.0040 ·铁水S=0.005%0.006% -O1 ◇-联吹流量13m·mim 0.0035 4铁水S-0.006%-0.007% 60 一0-底吹流量l6m·min ￥铁水S≥0.007% -。一底吹流量20mm·min 0.0030 50 。一底吹流量26m3·mim 0.0025 0 0 0.0020 0.0015 30 0.0010 0 0.0005 2.8 3.0 32 3.4 全程吹缸吹氧50%吹氧70%吹氧85%全程吹氮 转炉脱碳质量分数% 底吹NAr切换点 图1转炉终点氮含量与底吹气体模式()及脱碳量(b)的关系 Fig.I Relations of nitrogen content at the BOF endpoint with bottom-blowing modes (a)and decarburization amount (b) 出钢过程由于钢流的强烈冲击容易导致空气卷入 45 。本实验点 和钢液与空气接触吸氮.钢液的吸氮和脱氮受表面活 0 0凌天鹰等7引 35 性元素(S和O)含量影响，在S、0含量较低时反应为 0 30-8 级反应，当S、0含量较高时反应会转变为二级反 25 应，其吸氮和脱氮速率也会极大地降低。图2表明，出 06。 钢过程保证脱氧后钢中溶解氧>200×106，钢液增氮 1 10 量可控制在5×10-6以下. 5 ·8和888888 2.2真空处理对氨含量的影响及控制 06100200300400500600700800 精炼环节有效脱氮的手段是真空处理，超低碳钢 钢中自由氧质量分数10 主要的精炼脱气装备为RH和VD.陈迪庆等图、宋景 图2出钢过程氧位与增氮的关系 凌和陈代兵网在100tVD炉中开展了真空保持时间和 Fig.2 Relationship between free oxygen and nitrogen pickup during BOF tapping 脱氮率关系的实验.图3建立了脱氮效率（即单位时 间的脱氮率)与VD真空时间的关系.可以看出，真空 可以推断VD真空所需时间.在确定钢液初始氮含量 在20mi内时，单位时间脱氮率随真空保持时间增加 和目标氮含量后，以某一真空保持时间（如l0min)进 有明显减小，表明真空脱氮效率在真空处理开始阶段 行估算.若计算值在区域1点A,说明目标需求脱氮效 达到最高，之后逐渐降低 率高于实际脱氮效率，则很难一次VD处理将氮含量 根据钢液初始氮含量条件和目标氮含量利用图3 降低到目标水平：若计算值在区域2点B,表明目标需

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 企业的具体数据，重点讨论低碳铝镇静钢在冶炼各环 节中氮的来源和控制措施，为相近钢种冶炼控氮提供 指导． 1 实验方法 现场实验来自国内三个不同钢厂( A 厂: 100 t 转 炉; B 厂: 210 t 转炉; C 厂: 300 t 转炉) ，主要实验钢种 为 IF 钢 和 管 线 钢． A 厂 X70 管 线 钢 的 工 艺 流 程 为 BOF→LF→VD /ＲH →CC; B 厂和 C 厂超低碳 IF 钢的 工艺流程为 BOF→ＲH→CC． 针对 A 厂转炉出钢增氮 高的问题，研究出钢脱氧方式( 镇静出钢、半脱氧出 钢、沸腾出钢) 与钢液增氮的关系; 针对 B 厂冶炼 IF 钢 时精炼环节增氮高的问题，通过密集取样跟踪 ＲH 及 中间包不同阶段氮含量变化，确定氮的主要来源; 针对 C 厂转炉终点氮含量波动大的问题，对 200 余炉终点 氮含量进行测量跟踪并结合工艺数据进行归类分析， 同时综合刘文飞等［6］在 260 t 转炉进行的不同 N2 /Ar 切换模式实验数据得到大型转炉终点控制与氮含量的 关系． 2 结果分析与讨论 2. 1 转炉终点控制对氮含量的影响及控制 转炉吹炼脱碳期会形成大量 CO 气 泡，这 些 气 泡在钢 液 中 起 到 类 似“真 空 泵”的作用可以脱氮． 图 1( a) 表明随 着 转 炉 脱 碳 量 的 增 加，转 炉 终 点 氮 含量降低并趋于稳定． 在相同脱碳量的情况下，随 着入炉铁水硫含量的增加终点氮含量有增加的趋 势． 转炉的 底 吹 状 态 和 气 体 切 换 模 式 也 会 影 响 到 终点氮 含 量． 图 1( b) 表 明，吹 氧 量 达 到 70% ( 体 积分数) 前 采 用 N2 底吹 与 全 程 吹 氩 时 的 终 点 氮 含 量相当，超过 70% 后随着底吹流量增大和 N2 /Ar 切 换点推迟，转炉终点氮含量增加明显． 对于 超 低 氮 钢的冶 炼，N2 /Ar 的 切 换 点 应 不 晚 于 吹 氧 70% 的 节点． 图 1 转炉终点氮含量与底吹气体模式( a) 及脱碳量( b) 的关系 Fig． 1 Ｒelations of nitrogen content at the BOF endpoint with bottom － blowing modes ( a) and decarburization amount ( b) 出钢过程由于钢流的强烈冲击容易导致空气卷入 和钢液与空气接触吸氮． 钢液的吸氮和脱氮受表面活 性元素( S 和 O) 含量影响，在 S、O 含量较低时反应为 一级反应，当 S、O 含量较高时反应会转变为二级反 应，其吸氮和脱氮速率也会极大地降低． 图 2 表明，出 钢过程保证脱氧后钢中溶解氧 ＞ 200 × 10 － 6，钢液增氮 量可控制在 5 × 10 － 6以下． 2. 2 真空处理对氮含量的影响及控制 精炼环节有效脱氮的手段是真空处理，超低碳钢 主要的精炼脱气装备为 ＲH 和 VD． 陈迪庆等［8］、宋景 凌和陈代兵［9］在 100 t VD 炉中开展了真空保持时间和 脱氮率关系的实验． 图 3 建立了脱氮效率( 即单位时 间的脱氮率) 与 VD 真空时间的关系． 可以看出，真空 在 20 min 内时，单位时间脱氮率随真空保持时间增加 有明显减小，表明真空脱氮效率在真空处理开始阶段 达到最高，之后逐渐降低． 根据钢液初始氮含量条件和目标氮含量利用图 3 图 2 出钢过程氧位与增氮的关系 Fig． 2 Ｒelationship between free oxygen and nitrogen pick-up during BOF tapping 可以推断 VD 真空所需时间． 在确定钢液初始氮含量 和目标氮含量后，以某一真空保持时间( 如 10 min) 进 行估算． 若计算值在区域 1 点 A，说明目标需求脱氮效 率高于实际脱氮效率，则很难一次 VD 处理将氮含量 降低到目标水平; 若计算值在区域 2 点 B，表明目标需 · 022 ·

王敏等：超低碳铝镇静钢治炼过程氮含量的控制 221 5.5 返回料，尽管如此，废钢的添加对于氮含量的稳定控制 5.0 A 。陈迪庆等 。术量凌等 4.5 仍有影响.这主要有两方面：(1)废钢自身的氮含量一 1-038+532×0g3 4.0 3.5 B --1=1.37+657×092 般都较钢液本身高，会导致钢液增氮：(2)废钢在RH 区城1 3.0 精炼时加入容易导致真空室吸气而增氮 2.5 图5表明：未加废钢的炉次，RH结束氮平均质量 2.0 0 1.5 分数17×10-，其中20×10-6以下的炉次占总炉次数 1.0 0.800 的89%：加废钢炉次氮平均质量分数在19×10-6，其 05 区域3 中20×10以下炉次较未加入废钢炉次低16%，且有 0 6810121416182022242628303234 10%的炉次氮质量分数超过25×10-6：考虑到后续过 真空保持时间/min 程的增氮，RH结束后氮质量分数>25×10-6的炉次可 图3VD真空保持时间与脱氮效率的关系 能超出目标控制.因此，RH过程的废钢加入不仅会整 Fig.3 Relationship between vacuum time and denitrification efficien- 体提高钢液氮含量，且会导致氮含量控制的稳定性 y 100。未加废钢炉次(100炉) 1(000 求脱氮效率与实际脱氮效率相当，VD可以一次将氮 90。-加废钢炉次(295炉。 90 含量降低到目标水平，但需要保证真空处理时间：若计 80 算值在区域3点C,则说明目标需求脱氮效率低于实 60 际脱氮效率，可以在较短的时间内达到目标水平 50 图4可以看出，在脱碳阶段由于钢液中存在激烈 40 的碳氧反应，C0气泡、Ar气泡的大量形成是脱氮的有 20 利条件，尽管钢液中高的自由氧一定程度上会阻碍钢 10 液脱氮，但在脱碳阶段氮含量总体在较低水平@。加 0 ≤13(13.1515.18118.20(20.22122.251>25 铝脱氧后，碳氧反应消失，单纯的循环对钢液脱氮有 R结束钢液中氨质量分数10 限，在无氧条件下钢液失去表面活性元素氧的保护，尽 图5废钢加入对RH结束氮含量分布的影响 管对脱氮有利，但缺乏反应界面.在脱氧阶段钢液中 Fig.5 Effect of scrap addition on nitrogen distribution at the RH end 氮含量并没有降低反而升高，这与合金加入时氮的引 图6也可以看出废钢加入对于钢液氮含量波动性 入和空气吸入相关.RH的脱氮在碳氧反应条件下更 的影响.未加废钢炉次RH结束氮含量波动范围较 有效，在无氧条件下其脱氮效果有限：说明对于RH脱 小，加入废钢炉次在RH结束后氮含量的波动明显变 氮过程，自发形核的C0气泡比提升气体的Ar气泡对 大，其质量分数最高可达到50×106.氮波动大的原 脱氮更有效，自发形核的气泡细小、弥散，其总的表面 因在于RH环节大量废钢加入且废钢自身含氮量不确 积远远大于提升气体A气泡表面，这可能是提升脱氮 定所致，同时废钢加入也可能造成异物带入和空气卷 效率的主要原因 入引起氮的波动.实际治炼过程中，氮不仅要控制到 26 较低的水平更重要的是过程的稳定性，否则铸坯质量 24r 一★RH脱碳 22 ◆RH脱隧 的稳定性无法保障。因此，合理控制过程温度，杜绝 20 ©-RH脱纯循环 。-R川脱氧纯循环 RH环节的废钢调温是防止RH环节出现氮波动的重 18 16 川列站氯含量之面 要一环.合金自身的洁净度也是钢液增氮的一个重要 14 12 来源，以B厂治炼F钢为例，在铝脱氧和钛合金化过 10 ★ 程中，钢液的整体增氮量在(1~11)×106 8 室育程 6 2.4二次氧化对钢液增氨的影响及控制 装买控 花复合金化价段装霜环阶段 2 连铸过程中，治金反应器（钢包、中间包和结晶 1到话051015202530354045505药60 器)之间通过水口连接，治金反应器与空气间的界面 RH处理时可/min 隔离则依靠覆盖剂和保护渣来实现。浇注过程的二次 图4不同RH处理阶段N含量的变化 氧化主要发生在水口接口处及界面处.接口处的二次 Fig.4 Change in nitrogen content during different RH stages 氧化主要取决于接缝处的保护方式：浇注过程中造成 反应器内界面裸露导致二次氧化的重要因素是非稳态 2.3炉料加入对氨含量的影响及控制 操作（开浇、换包、液面升降、拉速变化、水口结瘤等）， 为了降低废钢对于钢液洁净度的影响，超低碳钢 同时工艺参数合理与否，如长水口的进入深度、中间包 精炼过程调节温度的废钢一般均要求采用超低碳钢的 稳流器的设计、浸入式水口的浸入深度及出钢口设计

王 敏等: 超低碳铝镇静钢冶炼过程氮含量的控制 图 3 VD 真空保持时间与脱氮效率的关系 Fig． 3 Ｒelationship between vacuum time and denitrification efficien￾cy 求脱氮效率与实际脱氮效率相当，VD 可以一次将氮 含量降低到目标水平，但需要保证真空处理时间; 若计 算值在区域 3 点 C，则说明目标需求脱氮效率低于实 际脱氮效率，可以在较短的时间内达到目标水平． 图 4 可以看出，在脱碳阶段由于钢液中存在激烈 的碳氧反应，CO 气泡、Ar 气泡的大量形成是脱氮的有 利条件，尽管钢液中高的自由氧一定程度上会阻碍钢 液脱氮，但在脱碳阶段氮含量总体在较低水平［10］． 加 铝脱氧后，碳氧反应消失，单纯的循环对钢液脱氮有 限，在无氧条件下钢液失去表面活性元素氧的保护，尽 管对脱氮有利，但缺乏反应界面． 在脱氧阶段钢液中 氮含量并没有降低反而升高，这与合金加入时氮的引 入和空气吸入相关． ＲH 的脱氮在碳氧反应条件下更 有效，在无氧条件下其脱氮效果有限; 说明对于 ＲH 脱 氮过程，自发形核的 CO 气泡比提升气体的 Ar 气泡对 脱氮更有效，自发形核的气泡细小、弥散，其总的表面 积远远大于提升气体 Ar 气泡表面，这可能是提升脱氮 效率的主要原因． 图 4 不同 ＲH 处理阶段 N 含量的变化 Fig． 4 Change in nitrogen content during different ＲH stages 2. 3 炉料加入对氮含量的影响及控制 为了降低废钢对于钢液洁净度的影响，超低碳钢 精炼过程调节温度的废钢一般均要求采用超低碳钢的 返回料，尽管如此，废钢的添加对于氮含量的稳定控制 仍有影响． 这主要有两方面: ( 1) 废钢自身的氮含量一 般都较钢液本身高，会导致钢液增氮; ( 2) 废钢在 ＲH 精炼时加入容易导致真空室吸气而增氮． 图 5 表明: 未加废钢的炉次，ＲH 结束氮平均质量 分数 17 × 10 － 6，其中 20 × 10 － 6以下的炉次占总炉次数 的 89% ; 加废钢炉次氮平均质量分数在 19 × 10 － 6，其 中 20 × 10 － 6以下炉次较未加入废钢炉次低 16% ，且有 10% 的炉次氮质量分数超过 25 × 10 － 6 ; 考虑到后续过 程的增氮，ＲH 结束后氮质量分数 ＞ 25 × 10 － 6的炉次可 能超出目标控制． 因此，ＲH 过程的废钢加入不仅会整 体提高钢液氮含量，且会导致氮含量控制的稳定性． 图 5 废钢加入对 ＲH 结束氮含量分布的影响 Fig． 5 Effect of scrap addition on nitrogen distribution at the ＲH end 图 6 也可以看出废钢加入对于钢液氮含量波动性 的影响． 未加废钢炉次 ＲH 结束氮含量波动范围较 小，加入废钢炉次在 ＲH 结束后氮含量的波动明显变 大，其质量分数最高可达到 50 × 10 － 6 ． 氮波动大的原 因在于 ＲH 环节大量废钢加入且废钢自身含氮量不确 定所致，同时废钢加入也可能造成异物带入和空气卷 入引起氮的波动． 实际冶炼过程中，氮不仅要控制到 较低的水平更重要的是过程的稳定性，否则铸坯质量 的稳定性无法保障． 因此，合理控制过程温度，杜绝 ＲH 环节的废钢调温是防止 ＲH 环节出现氮波动的重 要一环． 合金自身的洁净度也是钢液增氮的一个重要 来源，以 B 厂冶炼 IF 钢为例，在铝脱氧和钛合金化过 程中，钢液的整体增氮量在( 1 ～ 11) × 10 － 6 ． 2. 4 二次氧化对钢液增氮的影响及控制 连铸过程中，冶金反应器( 钢包、中间包和 结 晶 器) 之间通过水口连接，冶金反应器与空气间的界面 隔离则依靠覆盖剂和保护渣来实现． 浇注过程的二次 氧化主要发生在水口接口处及界面处． 接口处的二次 氧化主要取决于接缝处的保护方式; 浇注过程中造成 反应器内界面裸露导致二次氧化的重要因素是非稳态 操作( 开浇、换包、液面升降、拉速变化、水口结瘤等) ， 同时工艺参数合理与否，如长水口的进入深度、中间包 稳流器的设计、浸入式水口的浸入深度及出钢口设计、 · 122 ·

·222 工程科学学报，第38卷，增刊1 50 5 。开浇炉 。-未加废钢炉次 45 ·连浇的 ·加废钢护次 5 01/ 40 35 30 g20 25 25 20 a 20 15 50 50100150200250300350400450 炉数 101520253035404550 图6RH结束氮含量的波动 RH处理结束氨质量分数10 Fig.6 Fluctuation of the nitrogen content at RH end 图8开浇炉与连浇炉氮含量对比 覆盖剂的性能和厚度都会引起反应器界面不同程度裸 Fig.8 Comparison of nitrogen content between the first heat and se- 露而造成二次氧化 quence heats 图7对比了钢包下水口与长水口连接处不同保护 长水口的浸入式开浇都可以有效降低开浇阶段非稳态 方式对钢液二次氧化的影响.可以看出，在注流无密 浇注对钢液的二次氧化. 封保护时钢液增氮平均达到21×10-6，最高达到31× 106:接缝处采用吹Ar保护后增氮大幅度降低，平均 3结论 增氮为8×10-6：若接缝处同时采用密封垫和吹Ar的 (1)转炉吹炼过程脱碳量增加，转炉终点氮含量 保护浇注，增氮量最低为1×106.几种模式对钢液防 降低并趋于稳定；采用半脱氧出钢方式，控制钢中溶解 止二次氧化的效果依次为：吹氩+密封垫保护>吹氩 氧质量分数大于200×10-6，出钢过程钢液增氮量可 保护>密封垫保护>无密封保护.二次氧化增氮的另 以控制在5×10-以下；当溶解氧质量分数低于200× 一个重要方面来自浇注过程非稳态操作（开浇、换包、 10-6时，钢液的增氮随自由氧降低显著增加. 液面升降、拉速变化、水口结瘤等)导致的液面裸露和 (2)真空VD和RH的脱氮有一定差异性：VD脱 吸气.图8对比了某厂多个浇次开浇炉和连浇炉次浇 氮主要依靠底吹A气泡的“真空泵”效应和高真空度 注过程的增氮 条件下的气相脱氮，无氧条件的钢液对VD脱氮有利. 0 方案1：无密封保护 RH则在存在激烈碳氧反应时更容易脱氮，有氧条件 35 方案2：密封垫保护 方案3： 吹Ar保护 对其脱氮更有利. 方案4：吹A+密封垫保护 (3)精炼过程采用废钢调温时会导致钢液增氮和 25 氮波动加大，同时合金自身洁净度也会极大地导致钢 液增氮，炉料本身的氮带入是H精炼环节增氮的重 15 要因素 (4)保护浇注模式效果依次为吹氩+密封垫保 护>吹氩保护>密封垫保护>无密封保护.注流无密 方案1 方案2方案3 方案4 封保护时钢液增氮平均达到21×10-6，采用密封 对比方案 垫+吹Ar的保护方式，增氮量最低为1×106 图7不同保护浇注方式下钢液增氮对比山 Fig.7 Comparison of nitrogen pick-up under different protective modes 参考文献 [Li J Y,Zhao P,Yanogimoto J,et al.Effects of heat treatment on 图8可以看出，开浇炉次平均增氮为4.4×106， the microstructures and mechanical properties of a new type of ni- 最高达到18×10-6；连浇炉次平均增氮仅2.2×10-6， trogen-containing die steel.Int J Miner Metall Mater,2012, 最高增氮7×106.开浇阶段，由于中间包液位低，浇 19(6):511 令 Zhang R H,Zhou Z A,Guo M W,et al.Hot deformation mecha- 注区在巨大湍流冲击下容易形成裸露区，裸露区的钢 nism and microstructure evolution of an ultra-high nitrogen auste- 液很容易被空气二次氧化而增氮.避免开浇过程的过 nitic steel containing Nb and V.Int J Miner Metall Mater,2015, 度增氮，最重要的就是降低由于开浇导致的钢液面与 22(10):1043 空气接触，如中间包浇注前的氩气填充、浇注区配置湍 B] Sureshkumar P R,Pawar D R,Krishnamoorthy V.How to make 流抑制器、中间包加盖密封、高碱度中间包覆盖剂以及 N2 listen to you in steel making!Int J Sci Eng Res,2011

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 6 ＲH 结束氮含量的波动 Fig． 6 Fluctuation of the nitrogen content at ＲH end 覆盖剂的性能和厚度都会引起反应器界面不同程度裸 露而造成二次氧化． 图 7 对比了钢包下水口与长水口连接处不同保护 方式对钢液二次氧化的影响． 可以看出，在注流无密 封保护时钢液增氮平均达到 21 × 10 － 6，最高达到 31 × 10 － 6 ; 接缝处采用吹 Ar 保护后增氮大幅度降低，平均 增氮为 8 × 10 － 6 ; 若接缝处同时采用密封垫和吹 Ar 的 保护浇注，增氮量最低为 1 × 10 － 6 ． 几种模式对钢液防 止二次氧化的效果依次为: 吹氩 + 密封垫保护 ＞ 吹氩 保护 ＞ 密封垫保护 ＞ 无密封保护． 二次氧化增氮的另 一个重要方面来自浇注过程非稳态操作( 开浇、换包、 液面升降、拉速变化、水口结瘤等) 导致的液面裸露和 吸气． 图 8 对比了某厂多个浇次开浇炉和连浇炉次浇 注过程的增氮． 图 7 不同保护浇注方式下钢液增氮对比［11］ Fig． 7 Comparison of nitrogen pick-up under different protective modes 图 8 可以看出，开浇炉次平均增氮为 4. 4 × 10 － 6， 最高达到 18 × 10 － 6 ; 连浇炉次平均增氮仅 2. 2 × 10 － 6， 最高增氮 7 × 10 － 6 ． 开浇阶段，由于中间包液位低，浇 注区在巨大湍流冲击下容易形成裸露区，裸露区的钢 液很容易被空气二次氧化而增氮． 避免开浇过程的过 度增氮，最重要的就是降低由于开浇导致的钢液面与 空气接触，如中间包浇注前的氩气填充、浇注区配置湍 流抑制器、中间包加盖密封、高碱度中间包覆盖剂以及 图 8 开浇炉与连浇炉氮含量对比 Fig． 8 Comparison of nitrogen content between the first heat and se￾quence heats 长水口的浸入式开浇都可以有效降低开浇阶段非稳态 浇注对钢液的二次氧化． 3 结论 ( 1) 转炉吹炼过程脱碳量增加，转炉终点氮含量 降低并趋于稳定; 采用半脱氧出钢方式，控制钢中溶解 氧质量分数大于 200 × 10 － 6，出钢过程钢液增氮量可 以控制在 5 × 10 － 6以下; 当溶解氧质量分数低于200 × 10 － 6时，钢液的增氮随自由氧降低显著增加． ( 2) 真空 VD 和 ＲH 的脱氮有一定差异性; VD 脱 氮主要依靠底吹 Ar 气泡的“真空泵”效应和高真空度 条件下的气相脱氮，无氧条件的钢液对 VD 脱氮有利． ＲH 则在存在激烈碳氧反应时更容易脱氮，有氧条件 对其脱氮更有利． ( 3) 精炼过程采用废钢调温时会导致钢液增氮和 氮波动加大，同时合金自身洁净度也会极大地导致钢 液增氮，炉料本身的氮带入是 ＲH 精炼环节增氮的重 要因素． ( 4) 保护浇注模式效果依次为吹氩 + 密封垫保 护 ＞ 吹氩保护 ＞ 密封垫保护 ＞ 无密封保护． 注流无密 封保护 时 钢 液 增 氮 平 均 达 到 21 × 10 － 6，采 用 密 封 垫 + 吹Ar 的保护方式，增氮量最低为 1 × 10 － 6 ． 参 考 文 献 ［1］ Li J Y，Zhao P，Yanogimoto J，et al． Effects of heat treatment on the microstructures and mechanical properties of a new type of ni￾trogen-containing die steel． Int J Miner Metall Mater，2012， 19( 6) : 511 ［2］ Zhang Ｒ H，Zhou Z A，Guo M W，et al． Hot deformation mecha￾nism and microstructure evolution of an ultra-high nitrogen auste￾nitic steel containing Nb and V． Int J Miner Metall Mater，2015， 22( 10) : 1043 ［3］ Sureshkumar P Ｒ，Pawar D Ｒ，Krishnamoorthy V． How to make N2 listen to you in steel making! Int J Sci Eng Ｒes，2011， · 222 ·

王敏等：超低碳铝镇静钢治炼过程氮含量的控制 223· 2(10):1 (陈迪庆，李小明，胡忠玉.100tVD精炼对钢液脱气和去除 4]Fruehan R J,Martonik L J.The rate of absorption of hydrogen in- 非金属夹杂的作用.炼钢，2004,20(5)：18) to iron of nitrogen into Fe-Cr and Fe-Ni-Cr alloys containing 8]Song J L.Chen D B.Effect of 100 ton VD refining process in sulfur.Metall Trans B,1981,12(2)379 Hengyang Steel on IN],[O]and non-inclusions /Proceedings 5]Wang M,Bao Y P,Cui H,et al.Surfacecleanliness evaluation in of China Special Steel Annual Meeting.Qingdao,2009:227 Ti stabilized ultra low carbon (Ti-IF)steel.Ironmaking Steel- (宋景凌，陈代兵.衡钢100吨钢包VD炉精炼工艺对钢液 making,2011,38(5):386 门、[O)及非金属夹杂物的影响分析/1全国特殊钢治炼学术 [6]Liu W F,Li C,Wang F L,et al.Influence of nitrogen-argon 年会论文集.青岛，2009：227) changing over type bottom blowing on controlling end-point content 9]Wang M,Bao Y P,Zhao L H,et al.Difference analysis in steel of nitrogen in molten steel smelted by 260 t combined blown con- cleanness between two RH treatment modes for SPHC grade./S// verter.Angang Technol,2011(2):16 lnt,2015,55(8):1652 (刘文飞，李超，王富亮，等.260t复吹转炉氮氩切换对终点 [10]Liu Z J.Yi L G,Hu M H,et al.Brief analysis of effectiveness 氮含量的影响.鞍钢技术，2011(2)：16) of shielding practice in continuous casting of billets for pipe-roll- Chen DQ,Li X M,Hu Z Y.Effect of 100t VD refining on degas- ing purpose.Steel Pipe,2011,40(3):41 sing and removal of non-metal inclusions.Steelmaking,2004,20 (刘志军，易良刚，胡茂会，等.浅析管坯连铸钢流的保护浇 (5):18 注效果.钢管，2011,40(3)：41)

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