赵鑫淼

（太钢不锈股份有限公司炼钢二厂， 山西 太原 030003）

超纯铁素体不锈钢因其含有超低含量的碳和氮元素，减少了普通铁素体不锈钢因碳和氮元素产生的晶间腐蚀、低温冲击韧性、缺口敏感性和焊接等性能恶化的问题[1]，且有广泛的应用范围，主要应用在汽车制造、电器制造、装饰材料、厨房设施、化工设备和五金制品等方面。在超纯铁素体不锈钢的生产实践过程中，氮的控制较碳的控制难度更大，因此，本文结合太钢超纯不锈钢生产工艺，重点分析不锈钢炉控氮情况。

1 脱氮原理

1.1 脱氮热力学分析

对于超纯铁素体不锈钢冶炼过程，N 的溶解满足以下公式：

不锈钢中溶解了大量的合金元素，这些元素对氮的活度均有一定的影响，因而氮在钢中的溶解度与温度、氮气分压和合金元素的关系式可以表示为[2]：

式（1）—（5）中：KN为氮溶解反应平衡常数；PN2为氮气在大气中的分压； ［% N ］为一定大气压下氮在不锈钢的溶解度；fN为不锈钢中氮的活度系数；为溶解在不锈钢中j 元素对氮活度的作用系数；［% j ］为溶解在不锈钢中j 元素的质量分数。

因而随着氮分压的降低，钢液中氮的溶解度下降，反之，氮溶解度升高，要去除钢液中氮，应设法降低氮分压；氮在铁液中的溶解是吸热过程，随温度升高，氮的溶解度增加；降低温度有利于降低钢液中的氮溶解度；在炼钢温度下，钢液中w（N）远未达到平衡值，在大气条件下，钢液吸氮是自发进行的。目前脱氮的方法有两种，一种为降低系统N 分压，如VOD 法；另一种为稀释法，如K-OBM-S 法。

1.2 脱氮动力学分析

炼钢时脱氮与吸氮为液相传质-界面反应混合控制过程[3]。脱氮过程由以下3 个环节组成：钢液中的氮原子向钢-气相界面扩散；氮原子在气-液界面上吸附，并结合成气体分子再从界面脱附；脱附的氮分子扩散到气相中，吸氮过程是一个相反的过程。据研究表明，在高真空、低硫、低氧条件下，第一个环节为脱氮的限制环节，而气相侧的传质阻力和界面上的化学反应可以忽略，即脱氮动力学由氮原子向钢-气相界面扩散传质控制。一般认为脱氮反应为一级反应，其表达式为：

有研究表明，界面活性元素氧、硫含量对脱氮反应传质系数影响明显[4]，传质系数与氧、硫的关系可以表示为：

式（6）（7）中：kN为表观速度常数；A 为气-液相界面面积；V为液体体积；[%N]e为与气相平衡时钢液的

氮含量；[%N]为某一时刻钢液氮含量；fN为不锈钢中氮的活度系数；αo为钢液中氧的活度；αs为钢液中硫的活度。

从式中可以看出钢液中的w（O）、w（S）越高，碳氮传质值越低，脱氮越困难。

2 K-OBM-S 控氮分析

2.1 K-OBM-S 控氮关键影响因素分析

2.1.1 转炉吹炼影响

太钢三步法冶炼超纯铁素体不锈钢主要工艺路线：K-OBM-S→VOD→LF→CCM，氮的控制主要集中在K-OBM-S 和VOD 两个工序，实践及研究表明，K-OBM-S 供给VOD 的初始氮对VOD 结束最终的w（N）有重要的影响。K-OBM-S 和普通转炉不同，需要还原后出钢，炉底采用双层套管底枪，底吹搅拌强度更大。K-OBM-S 冶炼过程中，钢液脱氮主要依靠C-N 反应生成CO 气泡，氮通过CO 气泡携带出钢液，转炉冶炼过程脱氮过程符合图1 的变化趋势[5]。正常吹炼条件下，转炉出钢前w（N）较低，可以达到40×10-6～70×10-6。

图1 吹炼过程脱氮速度变化

2.1.2w（Cr）的影响

研究表明，随着钢水中的w（Cr）的增加，N 在钢水中的溶解度越高，脱氮更加困难；实践表明超纯铁素体不锈钢中在K-OBM-S 工序中w（N）随着w（Cr）的升高而升高，如图2 所示。对于Cr13 系、Cr17 系及Cr21 系转炉出钢前w（N）分别达到47×10-6、61×10-6和62×10-6，出钢平均增w（N）为：49×10-6、77×10-6、83×10-6，可以看出转炉出钢前w（N）已相对较低，转炉出钢增氮量大对转炉炉后w（N）的影响大。

图2 转炉出钢前后w（N）的变化

2.1.3 出钢口的寿命及钢水中w（Si）、w（S）的影响

通过研究发现，出钢增氮量与出钢口的寿命和钢水中的w（Si）、w（S）有关，对应的关系图如图3、图4和图5 所示。液与空气接触面积大，增氮量大。

图3 不同出钢口寿命出钢增氮情况

图4 转炉出钢增氮量受出钢w（Si）的影响

图5 转炉出钢增氮量受出钢w（S）的影响

图4 和图5 表明，随着钢水中w（Si）的降低和w（S）的升高，转炉出钢增氮量呈降低趋势，出钢w（Si）的变化对出钢增氮量的影响更加明显。钢水中w（Si）高低代表了钢水中的w（O）的高低，w（Si）越低，钢水w（O）越高。

2.2 改进措施及效果

为了降低炉后w（N），减轻VOD 脱氮压力，提升超纯铁素体不锈钢整体控氮水平，针对K-OBM-S工序重点从以下方面进行改进，采取将转炉出钢w（Si）精确控制在0.03%～0.08%，加强出钢口后期维护、扩大出钢口内径、减少出钢时间等措施，改进后的结果如图6 所示。

图6 改进后转炉w（N）的控制

图3 表明，出钢口寿命对钢液的w（N）影响明显，出钢口前期和后期较中期增氮量大，主要由于出钢口前期出钢时间长，出钢过程钢液与空气接触时间长，增氮量大；出钢口后期出钢过程钢液散流，钢

从图6 可以看出，经过改进后，超纯铁素体不锈钢Cr13 系、Cr17 系和Cr21 系转炉出钢后的w（N）明显降低，出钢w（N）分别为84×10-6、97×10-6、102×10-6，转炉出钢增氮量相比改进前分别降低5×10-6、49×10-6、40×10-6，Cr17 系和Cr21 系降低出钢增氮量效果明显。

3 结论

1）K-OBM-S 炉后w（N）对超纯不锈钢w（N）的控制有重要影响，K-OBM-S 控氮的关键点主要集中在如何减少出钢增氮量上。

2）K-OBM-S 出钢增氮量受出口钢寿命及钢水中的w（Si）、w（S）影响明显。

3）通过控制钢水w（Si）、扩大出钢口内径、加强出钢口维护，可以有效减少转炉出钢增氮，从而降低炉后w（N）。