中间包覆盖渣中B2O3和Al2O3对钢液氮含量的影响

中间包覆盖渣中B2O3和Al2O3对钢液氮含量的影响黄小东1，戴逸1，廖直友2,王世俊2，王海川2（1中冶连铸技术工程股份有限公司马鞍山分公司2安徽工业大学）（该文章在《连铸》杂志上2007年第三期发表）摘要：常压下，选用CaO-SiO2-Al2O3碱性渣系作为基础渣系，通过改变渣中B2O3和Al2O3含量，来分析其对钢液氮含量的影响作用。通过对实验结果的分析得知，虽然，渣中B2O3和Al2O3对钢液脱氮作用不是太明显，但是，熔渣中B2O3和Al2O3对钢液都有较好的保护作用，可以较好阻止大气中的氮气进入钢液中。关键词：钢液；氮含量；Al2O3含量；B2O3含量；中图分类号：TF701文献标识码：AInfluenceofB2O3AndAl2O3inCoveringSlagintheTundishonNitrogenContentinLiquidSteelHUANGXiao-dong1,DAI-yi1,LIAOZhi-you2,WANGShi-jun2,WANGHai-chuan2(1ContinuousCastingTechnologyEngineeringCo.,LidofChina,Ma’anshanBranch)(2AnhuiUniversityoftechnology)Abstract:Undertheconstantatmosphere,inordertostudytheinfluencerulesofB2O3andAl2O3inthefluxonnitrogencontentinliquidsteel,thebasicslagsystemofCaO-SiO2-Al2O3waschosenasabasicingredientintheexperiment,Byanalyzingexperimentresults,thoughB2O3andAl2Ointhemoltenslagdonothavemuchstrongeffectonremovalofliquidsteel,theyareabletobetterprotectmoltensteelfromabsorbingnitrogenfromtheatmosphere.Keywords:liquidsteel;nitrogencontent;contentofB2O3;contentofAl2O3前言提供合乎连铸要求的钢液，既可以保证连铸工艺操作的顺行又可确保铸坯的顺利进行。为此，钢液除了应该具有合适的温度外，更应该确保钢液成分的稳定性和降低钢液的夹杂物含量[1]。然而，由于大气中的氮气百分含量较高（78％），所以，只要钢液裸露于大气中就会吸入大量的氮并溶解于钢液中，造成钢液中的氮含量较高[2]。氮在部分钢种（15MnVN等）可作为合金元素，促进微合金元素的强化作用，提高钢材的强度外；氮在钢液中一般被视为有害元素。钢中的氮含量较高时，可以使钢材产生时效脆化，可以降低钢的冲击韧性，也可以引起钢的冷脆等不利的因素。可见降低钢液中的氮是非常有益的[3]。因此在钢包精炼时为了阻止钢液裸露于空气中吸氮，通常在钢液面加一层熔渣起保护作用。本文着重研究常压下熔渣B2O3和Al2O3含量对钢液氮含量的影响规律。1.无渣覆盖的条件下钢液中氮含量的理论计算钢液在没有渣覆盖的条件下，钢液中溶解的氮含量将达到一个的最大平衡溶解度。由于自由状态的氮原子在液态钢液中溶解遵循西华特定律：1/2N2=[N]（1）ΔG0=3602+23.86TJ/mol（2）lgKN=－188.1/T－1.246（3）式中ΔG0和KN分别是氮气溶解的标准吉布斯自由能和标准平衡常数。由平方根定律：[%N]=NNfK×P2/12N（4）式中[%N]、Nf和和2NP分别是氮气在钢液中的最大理论溶解度、活度系数和氮气分压。式中lgNf=∑jNe][%j（5）其中jNe是相互作用系数，j为元素，如N、C、Cr等，[%j]为N、C、Cr等元素在钢液中的溶解质量百分含量。于是lg[%N]=lgNK＋1/2lgPN2－∑jNe][%j=－188.1/T－1.246+1/2lgPN2－∑jNe][%j（6）上式中各元素相互作用系数值取至文献[4]。表1列出了钢液中元素与[N]的活度相关作用系数，表2是Q235钢化学成分的取值。所以，∑jNe][%j=NNe[%N]＋CNe[%C]＋SiNe[%Si]＋MnNe[%Mn]＋SNe[%S]＋PNe[%P]=0×[%N]＋0.103×0.20＋0.047×0.25－0.021×0.50＋0.007×0.040＋0.045×0.040=0.02393∵在大气条件下进行实验，故PN2=P'2N/P0≈0.78∴在1550℃时lg[%N]=－188.1/1823－1.246＋1/2lg0.78－0.02393=－1.4271∴[%N]=0.0374经计算在没有渣覆盖钢液的条件下，氮在钢液中的最大理论溶解度为374×10-6。由此可见，在大气条件下，钢液中平衡氮含量是很高的。所以必须采取有效的措施进行控制，否则它将会对钢材的质量和性能造成不利的影响。表1钢液中元素与[N]的活度相互作用参数jNCSiMnPSjNe00.1030.047－0.0210.0450.007表2Q235钢化学成分的取值成分C/%Mn/%Si/%S/%P/%3含量0.200.500.250.0400.0402实验原料和方法实验所用的原料有钢样Q235和渣料，渣料是根据文献[5]的基础上配制的渣料，其主要成分是：CaO30～45%，SiO218～27%，Al2O314%，MgO6%，CaF22.7%，BaO18～31%，TiO25～20%及C5～30%。实验所使用的仪器是TM-0617*陶瓷纤维马弗炉，控温设备是P（BM）型8步斜坡PID温度程控制器。为了研究该覆盖渣的脱氮效果，在钢样融化过程中，必须让钢液充分吸氮，所以不采用氩气保护。3实验结果和讨论3．1实验结果实验结果如表3所示。零号渣样是无渣的实验结果，1、2、3、4、5是B2O3渣样的实验结果，6、7、8、9、10是Al2O3渣样的实验结果。表3实验后钢液的氮含量渣号012345678910[N]×10－4%61677365575376687569713．2没有渣覆盖钢液和有渣覆盖钢液的实验结果比较常压下，使用TM-0617*陶瓷纤维马弗炉将钢样加热至1550℃，保温45min、不使用渣覆盖钢液的实验条件下，得到实验结果是钢液氮含量为120×10-6，有覆盖剂覆盖钢液时实验得到的氮含量为61×10-6。比较可知，覆盖渣对防止钢液吸氮有着明显的作用，钢液表面有渣比无渣覆盖条件下钢中氮含量降低了近50%，从这一结果来看，CaO-SiO2-Al2O3合成渣系具有明显的防止钢液吸氮的作用。3．3覆盖渣中B2O3的变化对钢液氮含量影响由图1可知，随着渣中B2O3含量的增加，钢液氮含量呈线性降低。其原理可以通过熔渣脱氮的离子反应来分析，熔渣脱氮反应为：ONNO322332从该反应的动力学机理来看，增加渣系中的自由氧离子，可以促使该反应向右进行，使钢液脱氮。由于渣中B2O3的增加，可以向渣中提供一定量的自由氧离子，使熔渣脱氮反应向右进行，所以说随着渣中B2O3含量的增加，钢液氮有更多分机会转变成氮三价离子进入渣中，促进钢液脱氮，因此加入B2O3有利于钢液脱氮。但是在整个变化过程中，钢液中的氮含量都在50×10-6以上，其中2＃渣样的钢液氮含量高达73×10-6；其原因可能B2O3不是离子化4合物，向渣中的提供的自由氧离子不是很多，不能较大地促使熔渣脱氮反应的进行；所以，常压下，含B2O3的覆盖渣对钢液脱氮的作用并不是太理想。另外由于B2O3加入基础渣中，可以降低熔渣熔点，有利于熔渣形成较均匀的粉状层、烧结层、熔融层；同时由于B2O3只有在氧分压低于0.121×10-6Pa的还原气氛中，才能和标准压力下的氮气发生反应[6]，由此可知，在常压下，含B2O3的渣系虽然对钢液的脱氮效果不是太明显，但是对钢液却有较好的保护作用。图1渣系中B2O3含量变化与钢液中氮含量的关系3．4覆盖渣中Al2O3的变化对钢液氮含量影响由图2可知，随着渣中的Al2O3含增加，钢液氮含量先降低；当渣中Al2O3含量增加到21％时，钢液的氮含量开始随Al2O3含量的增加而增大。在整个变化过程中钢液的氮含量都比较高，一般都高于68×10-6左右。由此可见含Al2O3的覆盖渣对钢液有一定的保护作用，可以较有效地防止空气中的氮进入钢液中，但相对基础渣系而言，它保护作用要稍微差些。另外，由于熔渣的中Al2O3的增加会使熔渣的氮容量有所增加，同时渣中的Al2O3与钢液中的氮也具有一定的亲合力，能与氮反应生成AlN进入渣中。其反应式为：NAONOAl2232l232由于该反应可知，渣中的Al2O3的加入对钢液的脱氮会起一定的促进作用，由于这两种原因才出现开始钢液中的氮含量随着Al2O3增加而有所降低。但是随着其含量不断地增加，由于Al2O3的熔点很高，进而使得熔渣的熔点增高，这就不利于熔渣较好的熔化，不利于渣形成较好熔融层，造成渣有较多的孔隙，使得空气中的氮进入钢液的机率增加，即出现图中的随着Al2O3的含量增加，钢液氮含量增加的情况；另外由于渣钢分配比[7]：21514832/fOAlAlNNNaaCKKKL由该式也可以得出如果渣中的Al2O3的活度越大，分配比就会降低，钢液中的氮脱出的机会就减少；又由于渣中Al2O3含量如果太大就会使熔渣的碱度降低，这对于钢液脱氮是不利的。因此熔渣中的Al2O3含量不应太大，一般控制16％比较时宜。468101214505560657075[N]/10-4%B2O3含量(%)5图2渣系中含量变化与钢液中氮含量的关系4结论（1）以CaO-SiO2-Al2O3为基础渣系的覆盖渣具有明显的防止钢液增氮的作用，但脱氮能力不明显。（2）钢液中的氮含量虽然随着覆盖渣中的B2O3的含量增加呈线性降低，但是B2O3对钢液脱氮的作用不是太明显，钢液中的氮含量都较高（50×10-6）；对钢液有一定的保护作用，可以较好防止大气中的氮气进入钢液中。（3）钢液中的氮含量随着覆盖渣中的Al2O3的含量增加呈二次回归曲线变化。在整个变化过程中钢液氮含量较高（68×10-6）；覆盖渣中Al2O3含量在16％左右时，钢液氮含量达到最小值是68×10-6。当渣中Al2O3含量大于16％时，氮含量有开始增加，所以渣中Al2O3在16％时，对钢液脱氮起一定的作用。参考文献：[1]王雅贞,张岩,刘术国.新编连续铸钢工艺及设备[M].冶金工业出版社,北京,2003:141.[2]高海潮.钢中氢、氮、氧的来源及其控制对策[J].炼钢，2000，16(2)：38-53.[3]张庆国.氧含量影响钢液吸氮的理论研究[J].炼钢，2003，19（6）：25-28.[4]黄希枯.钢铁冶金原理[M].冶金工业出版社，北京：55.[5]么秋扬，范光前.防止中间包等离子加热过程增氮的保护渣研制[J].钢铁钒钛，1999，20(4)：13-17.[6]王世俊，黄小东，王海川等.钢包渣中的氧化物与氮反应的热力学研究（一）[J]，安徽工业大学学报.2006，23（1）：1～4.[7]凌天鹰，蒋国昌.CaO-SiO2-Al2O3熔渣脱氮的理论探讨[J].钢铁研究，1990(2)：35～39.1516171819202122236870727476[N]/10－6Al2O3含量(%)