一、研究的背景與問題
2020年，中國宣布實(shí)行“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值。鋼鐵行業(yè)是我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)領(lǐng)域和責(zé)任主體。近年來，隨著碳排放政策和碳交易市場的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)鋼種和生產(chǎn)方式已無法滿足新的要求。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，鋼鐵企業(yè)亟需進(jìn)行新鋼種開發(fā)、傳統(tǒng)鋼種改良以及冶煉新技術(shù)突破，以加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，扎實(shí)推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。
降低鐵水比，加強(qiáng)廢鋼資源循環(huán)利用，是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。低鐵水比冶煉帶來了熱量不足、過氧化、冶煉時(shí)間延長及鋼水增氮等一系列問題，這些因素增加了鋼水成分控制的難度。氮在低合金鋼中通常作為有害元素被限制，其在冶金中的作用和價(jià)值被忽略。研究表明，氮元素可通過形成氮化物，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度以及硬度。
諸多鋼種對(duì)高效精準(zhǔn)控氮提出了嚴(yán)格要求，如取向硅鋼氮的窄成分控制(±0.0005%)、超高氮(0.02%~0.03%)螺紋鋼開發(fā)、高牌號(hào)無取向硅鋼的超低氮控制(≤0.0015%)等。由于成分波動(dòng)、空氣難以隔絕、增氮速率不穩(wěn)定等因素影響，鋼中氮含量難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定控制，嚴(yán)重制約了高端鋼種開發(fā)和傳統(tǒng)鋼種改良。面對(duì)來自資源與環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)控氮，成為鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品升級(jí)、綠色轉(zhuǎn)型亟待解決的問題。
立項(xiàng)前，東北大學(xué)特殊鋼研究所研發(fā)了加壓冶煉關(guān)鍵裝備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；開發(fā)出分階段控制壓力的氮含量精確控制方法；闡明了氮對(duì)奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼組織與性能的影響機(jī)制，開發(fā)了新一代航空高氮不銹軸承鋼等系列新品種，引領(lǐng)和示范我國高氮鋼發(fā)展。
自2016年起，為解決氮微合金化在低合金鋼中應(yīng)用的系列難題，漣鋼與東北大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)等單位產(chǎn)學(xué)研合作，以高品質(zhì)鋼氮微合金化設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)控制關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用為目標(biāo)，通過基礎(chǔ)研究、制造技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用集成創(chuàng)新，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效精準(zhǔn)穩(wěn)定控氮技術(shù)體系，成功研制出系列高效精準(zhǔn)控氮取向硅鋼、超高氮螺紋鋼、超低氮無取向硅鋼等鋼種并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為冶金行業(yè)綠色低碳發(fā)展創(chuàng)造了條件，同時(shí)為拓展氮微合金化應(yīng)用范圍做出了重要貢獻(xiàn)。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、利用熱/動(dòng)力學(xué)計(jì)算了氮在鋼中溶解度和滲氮?jiǎng)恿W(xué)，同時(shí)開發(fā)了氮在鋼中溶解度的測定裝置，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了不同鋼種冶煉條件下鋼中可溶解氮含量的精準(zhǔn)預(yù)測；通過假定條件的“過飽和”計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了氮在鋼冷卻相變過程中存在形式的預(yù)判。
1.1氮在鋼中的溶解度模型
為了解鋼水中氮的可溶解量，開發(fā)了氮在鋼中溶解度的測定裝置，如圖1所示。裝置配備Pt/Pt-Rh（鉑銠）熱電偶測溫系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程溫度的精準(zhǔn)控制。安裝真空泵和充氣系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)高真空度以及從真空向目標(biāo)氣氛的切換。裝置可在氮?dú)鈿夥障聦?shí)現(xiàn)合金熔煉、鋼液傾轉(zhuǎn)澆鑄。另外，裝置配備了多次取樣裝置，能檢測滲氮過程中鋼中氮含量變化。
圖12kg容量的加壓感應(yīng)爐示意圖
圖2不同氮?dú)鈮毫ο氯垠w中氮含量變化
圖3鋼液在1600℃、(a)33、(b)66和(c)100kPa條件下的氮含量實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比
1.2氮在鋼中存在形式計(jì)算與分析
為了解冷卻相變過程中，各相中氮的溶解度及氮在鋼中存在形式，通過Thermo-Calc模擬計(jì)算了體系中氮含量過飽和條件下鋼的平衡相圖。圖4和圖5分別為體系中氮含量過飽和取向硅鋼、螺紋鋼在600℃~1600°C之間的平衡相圖。由圖4和圖5可知，鋼中氮幾乎全部會(huì)進(jìn)入析出物，或以氣態(tài)形式溢出。當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，鐵素體中氮溶解度很低。值得注意的是，圖5中，奧氏體作為過渡相，可在冷卻過程中暫存一定量的氮（約0.03%），待含氮析出相開始析出時(shí)，為析出相供氮，起到“傳遞”氮作用。
圖4取向硅鋼各相氮溶解度
圖5螺紋鋼各相氮溶解度
2、建立了智能煉鋼模型，實(shí)現(xiàn)了鋼水和渣中氧含量標(biāo)準(zhǔn)化控制；研發(fā)出RH增氮速率計(jì)算模型，有效解決了工業(yè)化生產(chǎn)條件下RH鋼水增氮速率穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了鋼水增氮速率1~3ppm/min精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。開發(fā)了氬站鋼包底吹+RH環(huán)流管聯(lián)合吹氮工藝，實(shí)現(xiàn)了增氮時(shí)間縮短約5min，氮控制精度±5ppm。
2.1標(biāo)準(zhǔn)頂渣改質(zhì)技術(shù)
氧、硫等表面活性元素占據(jù)鋼水表面活性點(diǎn)，顯著降低鋼水增氮速率。RH鋼水硫含量相對(duì)穩(wěn)定，因此鋼水氧含量穩(wěn)定控制是增氮速率穩(wěn)定的關(guān)鍵。由于渣金反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，要實(shí)現(xiàn)鋼水氧含量的穩(wěn)定控制，必須實(shí)現(xiàn)渣的標(biāo)準(zhǔn)控制。為實(shí)現(xiàn)渣環(huán)境控制，建立轉(zhuǎn)爐-精煉一體化煉鋼模型，如圖6所示。
利用FactSage軟件繪制渣系四元相圖，根據(jù)相圖將渣系向低熔點(diǎn)區(qū)域調(diào)整，如圖7所示。通過檢測轉(zhuǎn)爐下渣成分與渣量，優(yōu)先采用硅脫氧，利用煉鋼模型計(jì)算改質(zhì)劑用量，實(shí)現(xiàn)渣厚80~90mm，渣成分：CaO:27%~36%，Al2O3:18%~27%，SiO2:36%~45%，MgO:6%~8%，F(xiàn)eTOT≤2%穩(wěn)定控制。標(biāo)準(zhǔn)改質(zhì)方案實(shí)施后，RH工位渣厚適中，流動(dòng)性良好，如圖8所示，渣中全鐵穩(wěn)定低于2%。
圖6轉(zhuǎn)爐-精煉一體化煉鋼模型
圖7渣四元相圖
圖8實(shí)施前后頂渣狀況
2.2RH增氮速率控制技術(shù)
為解決RH環(huán)流管吹氮增氮速率穩(wěn)定控制難題，利用ANSYS軟件的FLUENT模塊，采用DPM+VOF模型對(duì)RH環(huán)流管吹氮過程進(jìn)行建模，開發(fā)RH增氮模型，分析RH環(huán)流管吹氮穩(wěn)態(tài)時(shí)氮?dú)馀莘植紶顟B(tài)。以氮?dú)鈮毫?、氮?dú)饬髁繛樽宰兞浚?jì)算出氮?dú)馀荼砻娣e和平均濃度。真空槽內(nèi)氮?dú)鉂舛劝?mol/m3計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
化學(xué)反應(yīng)速率與氮?dú)鉂舛龋娣e成正比。由數(shù)值模擬計(jì)算得出，其他條件相同條件下，高壓增氮速率為低壓的1.65倍，高壓吹氮可有效提高鋼水增氮速率。
圖9RH環(huán)流管吹氮?dú)鈹?shù)值模擬結(jié)果
(a)流量110m3/h，壓力0.6MPa；(b)流量160m3/h，壓力0.9MPa
2.3高效精準(zhǔn)控氮技術(shù)
基于現(xiàn)場實(shí)踐，建立了取向硅鋼系列鋼種增氮速率與增氮時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示，y為增氮速率，ppm/min，x為增氮時(shí)間，min。
圖10典型硅鋼增氮速率與增氮時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系
基于以上研究結(jié)果，結(jié)合創(chuàng)新點(diǎn)3鋼包底吹氮技術(shù)，項(xiàng)目開發(fā)了Ar(氬站)鋼包預(yù)吹氮+RH精準(zhǔn)吹氮聯(lián)合控氮工藝，Ar預(yù)吹氮粗調(diào)，高壓快速增氮，RH細(xì)調(diào)，保障氮控制精度±5ppm，實(shí)現(xiàn)了RH工序控氮時(shí)間縮短約5min。
3、開發(fā)了超高氮螺紋鋼鋼包底吹增氮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼水高效穩(wěn)定增氮。提出了氮?dú)饪总堉茝浐霞夹g(shù)，解決了超高氮帶來的缺陷控制難題。開發(fā)了含氮析出物梯級(jí)誘導(dǎo)析出技術(shù)，利用先析出相誘導(dǎo)主強(qiáng)化相析出，解決了性能波動(dòng)難題。
3.1超高氮螺紋鋼鋼包底吹增氮技術(shù)
為解決鋼包底吹氮增氮速率穩(wěn)定控制難題，利用ANSYS軟件的FLUENT模塊，采用DPM+VOF模型對(duì)鋼包底吹氮過程進(jìn)行建模，開發(fā)鋼包底吹增氮模型，分析鋼包底吹氮穩(wěn)態(tài)時(shí)氮?dú)馀莘植紶顟B(tài)。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖11所示。
圖11底吹氮?dú)鈹?shù)值模擬結(jié)果
(a)流量400L/min，壓力0.35MPa；(b)流量2000L/min，壓力1.3MPa
化學(xué)反應(yīng)速率與濃度，反應(yīng)面積成正比。對(duì)離散氣泡信息進(jìn)行采集，可知在相同時(shí)刻下，其他外部條件相同情況下，高壓下增氮速率約是低壓下增氮速率的10.4倍，高壓底吹有利于快速增氮。通過鋼包底吹增氮，鋼中氮含量最高達(dá)0.03%（突破了螺紋鋼氮含量常規(guī)限定）。
3.2超高氮螺紋鋼氣泡與裂紋缺陷控制技術(shù)
為解決超高氮螺紋鋼氣孔缺陷控制難題，提出了螺紋鋼極限氮含量控制技術(shù)。利用奧氏體中氮溶解度大的特點(diǎn)，回溶冷卻過程δ鐵素體中因飽和而溢出的氮?dú)馀荨．?dāng)溫度降至析出物析出溫度，回溶的氮最終進(jìn)入析出物，提升析出強(qiáng)化能力的同時(shí)，避免飽和氮造成的缺陷。超高氮螺紋鋼出現(xiàn)的表面微裂紋、橫肋縱裂紋、爛鋼缺陷是阻礙氮在低合金鋼中生產(chǎn)應(yīng)用的最大障礙，如圖12所示。針對(duì)這一難題，開發(fā)了晶界脆性控制技術(shù)，降低鋼中Al、Nb、Ti元素含量，降低晶界脆性。改進(jìn)后金相組織無氣孔，點(diǎn)焊冷彎性能合格，如圖12所示。
圖12高氮螺紋鋼裂紋及消除
3.3超高氮螺紋鋼含氮析出物梯級(jí)誘導(dǎo)析出技術(shù)
為解決氣溫變化等因素導(dǎo)致的螺紋鋼性能波動(dòng)問題，開發(fā)了超高氮螺紋鋼含氮析出物梯級(jí)誘導(dǎo)析出技術(shù)，提高鋼中氮含量(N≥0.02%)，同時(shí)添加微量Nb(≤0.005%)，利用Nb(C、N)析出溫度比V(C、N)高的優(yōu)勢(shì)，誘導(dǎo)V(C、N)快速穩(wěn)定析出。微鈮螺紋鋼屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差可由15Mpa降低至7.5Mpa，性能穩(wěn)定性顯著提升。性能穩(wěn)定性的提高，降低了性能保障合金的使用量，實(shí)現(xiàn)了合金成本降低約10元/噸。
4、開發(fā)了低鐵水比鐵水脫氮技術(shù)，利用碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO脫除鐵水中的氮；開發(fā)了低鐵水比轉(zhuǎn)爐控氮工藝，通過調(diào)節(jié)供氧與底吹強(qiáng)度，保持熔池液面低氮分壓，持續(xù)利用氣泡脫氮；優(yōu)化了RH爐合金工藝，利用鋼水瞬時(shí)局部高鋁條件脫氮，實(shí)現(xiàn)了75%低鐵水比條件下鋼水氮含量≤0.0015%。
4.1鐵水預(yù)處理脫氮技術(shù)
在KR脫硫的同時(shí)創(chuàng)新性的開發(fā)出鐵水預(yù)處理脫氮工藝：
圖13廢鋼烘烤裝置
圖14氮化鈦析出溫度
（1）鐵包中加入廢鋼，采用氧燃槍鐵包廢鋼烘烤技術(shù)將鐵包廢鋼升溫至約1100℃，兌入鐵水，利用廢鋼烘烤產(chǎn)生的氧化物與鐵水碳反應(yīng)生成CO，脫除鐵水中氮，廢鋼烘烤裝置如圖13所示。采用鐵包廢鋼烘烤技術(shù)后，鐵水氮由0.0068%降低至0.0053%。
（2）鐵包加入適量廢鋼降低了鐵水溫度，促使鐵水中氮化鈦的析出，顯著降低了鐵水的氮含量。溫度對(duì)鐵水中TiN析出的影響如圖14所示，顯而易見低溫有利于TiN的形成。
4.2低鐵水比轉(zhuǎn)爐控氮技術(shù)
低鐵水比冶煉會(huì)造成鐵水熱量不足，吹煉后期熔池液面氣體減少，容易引起空氣倒灌。為保持熔池液面低氮分壓，促進(jìn)CO/CO2氣泡脫氮，采用環(huán)縫式透氣磚、大供氧強(qiáng)度氧槍噴頭、氧槍低槍位模式。
（1）轉(zhuǎn)爐采用環(huán)縫式底吹透氣磚（圖15），利用其自動(dòng)增壓防堵功能提高底吹穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)爐底吹分階段調(diào)整流量，冶煉前期和后期采用1200m3/min大底吹流量，脫碳期采用450~600m3/min較小底吹流量，保持熔池液面低氮分壓，防止空氣倒灌，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定脫氮。
（2）高效氧槍供氧技術(shù)，供氧強(qiáng)度達(dá)到4.56m3/(t·min)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。同時(shí)采用低氧槍槍位（圖16），快速熔化廢鋼，提高脫碳效率，實(shí)現(xiàn)氮的快速穩(wěn)定脫除。
圖15環(huán)縫式透氣磚
圖16高效供氧吹煉模式
4.3RH合金脫氮技術(shù)
（1）改變無取向硅鋼脫氧合金化工藝，把先加鋁塊再加硅鐵合金化工藝改成先加硅鐵再加鋁塊工藝。加鋁塊的時(shí)候一次全部加入，提升鋼水局部區(qū)域鋁含量，充分利用RH出站至中包鋼水的溫度降低，促使氮化鋁的析出（圖17），實(shí)現(xiàn)高鋁電工鋼從RH出站到中間包鋼水氮含量的進(jìn)一步降低（圖18）。
（2）RH爐采用大流量循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氮的進(jìn)一步脫除。在75%低鐵水比下，氮含量降至≤0.0015%。鐵水比低于寶鋼、遷鋼等先進(jìn)鋼鐵企業(yè)，居國內(nèi)領(lǐng)先地位。
圖17電工鋼凝固過程中氮化鋁析出溫度
圖18高鋁鋼鋁和鋼水中氮含量關(guān)系
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1.利用熱/動(dòng)力學(xué)計(jì)算了氮在鋼中溶解度和滲氮?jiǎng)恿W(xué)，同時(shí)開發(fā)了氮在鋼中溶解度的測定裝置，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了不同鋼種冶煉條件下鋼中可溶解氮含量的精準(zhǔn)預(yù)測；通過假定條件的“過飽和”計(jì)算法，提出了氮在鋼冷卻相變過程中存在形式判據(jù)。
2.建立了智能煉鋼模型，實(shí)現(xiàn)了鋼水和渣中氧含量標(biāo)準(zhǔn)化控制；研發(fā)出RH增氮速率計(jì)算模型，有效解決了工業(yè)化生產(chǎn)條件下RH鋼水增氮速率穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了鋼水增氮速率1~3ppm/min精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。開發(fā)了氬站鋼包底吹+RH環(huán)流管聯(lián)合吹氮工藝，實(shí)現(xiàn)了增氮時(shí)間縮短約5min，氮控制精度±5ppm。
3.開發(fā)了超高氮螺紋鋼鋼包底吹增氮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼水高效穩(wěn)定增氮。提出了氮?dú)饪总堉茝浐霞夹g(shù)，解決了超高氮帶來的缺陷控制難題。開發(fā)了含氮析出物梯級(jí)誘導(dǎo)析出技術(shù)，利用先析出相誘導(dǎo)主強(qiáng)化相析出，解決了產(chǎn)品性能波動(dòng)難題。
4.開發(fā)了低鐵水比鐵水脫氮技術(shù)，利用碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO脫除鐵水中的氮；開發(fā)了低鐵水比轉(zhuǎn)爐控氮工藝，通過調(diào)節(jié)供氧與底吹強(qiáng)度，保持熔池液面低氮分壓，持續(xù)利用氣泡脫氮；優(yōu)化了RH爐合金工藝，利用鋼水瞬時(shí)局部高鋁條件脫氮，實(shí)現(xiàn)了75%低鐵水比條件下鋼水氮含量≤0.0015%。
四、應(yīng)用情況與效果
經(jīng)過多年的努力，本項(xiàng)目開發(fā)的高品質(zhì)鋼高效穩(wěn)定氮微合金化關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于湖南華菱漣源鋼鐵有限公司及相關(guān)下游企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了高性能、高效率、低成本系列取向硅鋼、螺紋鋼、無取向硅鋼的大批量工業(yè)化生產(chǎn)。近三年（2022-2024年），已累計(jì)生產(chǎn)銷售各類高質(zhì)量取向硅鋼169.4萬噸、無取向電工鋼335.2萬噸，超高氮螺紋鋼557.2萬噸，新增銷售額434億元，新增利潤11.6億元。
產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、變壓器、橋梁建筑、電機(jī)等領(lǐng)域，有效促進(jìn)了我國鋼鐵結(jié)構(gòu)材料品質(zhì)的躍升，提高了我國鋼鐵工業(yè)及相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品的國際競爭力，推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步，為我國制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。
信息來源：湖南華菱漣源鋼鐵有限公司
