转炉顶底复合吹炼技术均采用顶吹O2，底部吹入气体可以是N2、Ar、O2、CO2、CO等。考虑工艺和成本，现有的顶底复吹转炉绝大多数底吹工艺为N2/Ar切换，即采用冶炼前期底吹N2，后期切换为Ar的模式。
目前要求钢厂降低生产成本的压力越来越大。N2成本远低于Ar，如能实现全程底吹N2冶炼，则不但能降低冶炼成本，还可以简化操作工艺。为此，笔者曾在唐钢150t顶底复吹转炉上进行了冶炼低氮钢工业试验，得出顶低复吹转炉可以采用全程底吹N2工艺进行冶炼等结论，并根据钢液脱氮、吸氮热力学和动力学研究的理论对全程底吹N2工艺进行了讨论，为确定合理的低氮钢生产工艺提供依据。
为进一步验证上述结论，笔者又在安阳钢厂150t顶底复吹转炉上重复了该项试验，并对该项试验方法进行了改进，以便更好地探讨转炉冶炼时钢液的增氮和脱氮规律。
一、试验条件和试验方法
（一）试验条件
150t顶底复吹转炉实际出钢量为160t左右，顶吹氧枪为4孔或5孔拉瓦尔喷头，氧气压力为0.9MPa，供氧强度（标准状态，文中未特别注明的气体流量及强度单位均为标准状态单位）在2.8 m3·min-1·t-1左右，纯吹氧时间为14～15min。
底吹供气装置采用8块透气砖。底吹气体为N2和Ar，流量可在0～800 m3·t-1之间调节，按实际出钢量160t计算，底吹N2和Ar强度可换算为0～0.08m3·min-1·t-1。
转炉冶炼采用分阶段定量装入法，废钢比为18%～22%。终渣碱度控制在2.8～3.2。铁水中
[N]约为0.0060%。
（二）试验方法
1、氮氩切换试验
氮氩切换试验钢种为船板A。试验方案为：转炉冶炼开始后顶吹O2，底吹N2，吹氧一定时间后底吹气体切换为Ar。设置不同的切换时间点，切换时间点按吹氧时间设定，每种切换模式下试验3炉。氮氩切换试验参数见表1。
表1 氮氩切换试验参数
N2、Ar切换时间点 | 底吹N2、Ar流量/（m3·h-1） | 底吹N2、Ar强度（m3·min-1·t-1） |
吹氧7min 吹氧10min 吹氧13min | 250 250 250 | 0.028 0.028 0.028 |
2、恒流量全程底吹N2试验
试验钢种为船板A。试验方案为：每炉钢冶炼过程中底吹N2流量恒定，由小到大分别设置5个底吹N2流量，每个流量下试验3炉，共试验15炉。
各钢厂转炉冶炼过程中一般底吹供气强度为0.02～0.05 m3·min-1·t-1，可确保冶炼过程平稳，同时获得明显的冶金效果。如底吹供气强度再增加，将使冶炼控制变得困难。因此本文试验中设定的恒流量全程底吹N2强度不超过0.05 m3·min-1·t-1，试验参数见表2、3。
表2 底吹N2流量以冶炼终点钢液 [N]的影响（一）
炉号 | 设定底吹N2流量/( m3·h-1) | 设定底吹N2强度/( m3·min-1·t-1) | 实际底吹N2流量/( m3·h-1) | 实际底吹N2强度/( m3·min-1·t-1) |
1481 1482 1483 | 180 | 0.020 | 191 218 196 | 0.021 0.024 0.022 |
1484 1485 1486 | 225 | 0.025 | 252 240 248 | 0.028 0.027 0.028 |
1487 1488 1489 | 270 | 0.030 | 279 289 288 | 0.031 0.032 0.032 |
1490 1491 1506 | 360 | 0.040 | 360 360 412 | 0.040 0.040 0.045 |
1507 1508 1509 | 450 | 0.050 | 439 460 454 | 0.049 0.051 0.050 |
表3 底吹N2流量以冶炼终点钢液 [N]的影响（二）
炉号 | 实际底吹N2强度平均值/( m3·min-1·t-1) | 1倒样 | 1倒样 | 2倒样 |
1481 1482 1483 | 0.022 | 12 12 11 | 11.7 | 10 12 － |
1484 1485 1486 | 0.028 | 10 10 8 | 9.3 | － － - |
1487 1488 1489 | 0.032 | 10 10 12 | 10.7 | 10 - - |
1490 1491 1506 | 0.042 | 12 14 18 | 13.0 | - - - |
1507 1508 1509 | 0.050 | 18 16 18 | 17.5 | - 20 18 |
3、变流量全程底吹N2试验
为探讨转炉全程底吹N2冶炼时钢液增氮主要发生在哪个时期，以及不同时期底吹N2流量对于终点钢液氮含量的影响，进行了变流量全程底吹N2试验：以转炉冶炼吹氧12min时为切换点，切换点前后设置不同的N2流量，分别采用前期底吹N2流量大、后期底吹N2流量小和前期底吹N2流量小、后期底吹N2流量大2种模式，每一种模式下试验3炉，共试验6炉。试验钢种为Q235B。
设定的变流量全程底吹N2试验参数见表4、5。
表4 变流量全程底吹N2模式对冶炼终点钢液 [N]的影响（一）
炉号 | 设定底吹N2流量/( m3·h-1) | 设定底吹N2强度/( m3·min-1·t-1) | 实际底吹N2流量/( m3·h-1) | 实际底吹N2强度/( m3·min-1·t-1) |
1510
1511
1512 | 前期180 后期450 | 前期0.020 后期0.050 | 前期186 后期423 前期210 后期426 前期220 后期456 | 0.021 0.047 0.023 0.047 0.024 0.051 |
1513
1514 | 前期450 后期180 | 前期0.050 后期0.020 | 前期447 后期180 前期420 后期180 | 0.050 0.020 0.047 0.020 |
表5 变流量全程底吹N2模式对冶炼终点钢液 [N]的影响（二）
炉号 | 实际底吹N2强度平均值/( m3·min-1·t-1) | 1倒样 | 2倒样 |
1510
1511
1512 | 前期0.023 后期0.048 | 12
16
12 | － － － |
1513
1514 | 前期0.048 后期0.020 | 16
18 | 18
－ |
（三）取样和测试方法
为排队转炉出钢、精炼以及连铸过程对钢液氮含量的影响，本文仅分析转炉终点样的氮含量。为了解转炉冶炼时补吹对转炉出钢氮含量的影响，转炉冶炼每一次停止吹氧倒炉均取样分析氮含量。
从现场取回的样品用线切割机加工成 4mm圆棒试样，送有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心分析N质量分数，分析方法是惰气脉冲-红外-热导法。
二、试验结果
（一）N2、Ar切换点对冶炼终点钢液 [N]的影响
氮氩切换试验结果见图1，其中N2、Ar切换点为7min时少1炉数据。
图1的试验结果表明：当底吹N2、Ar强度为0.028 m3·min-1·t-1时，出钢前钢液终点氮质量分数均为0.0010%左右，与顶底复吹转炉全程底吹小流量N2时钢液终点出钢样 [N]相当，说明氮氩切换时间点对转炉冶炼终点出钢样 [N]影响很小。
（二）底吹N2流量对冶炼终点钢液 [N]的影响
现场试验时发现底吹N2流量偏离表2、3中的设定值。根据仪器测量的底吹N2流量实际值和冶炼终点钢液 [N]记录在表2、3中，钢液终点碳质量分数均为0.1%左右。表2、3中凡有2倒样的炉次补吹1次。
表2、3中有15炉钢数据，每3炉为1组，将每一组的实际底吹N2强度取平均值，再将相应的1倒样 [N]也取平均值，然后根据各组实际底吹N2强度平均值和相应的1倒样 [N]平均值画出图2，可以显示出底吹N2强度对钢液终点 [N]的影响规律。
铁水中的氮质量分数在0.0060%左右。从表2、3和图2可以看出，当底吹N2强度不超过0.032 m3·min-1·t-1时，转炉冶炼终点出钢样 [N]为0.0010%左右，铁水中的氮大部分被脱去；即使当底吹N2强度增大到0.050 m3·min-1·t-1，转炉钢液终点出钢样 [N]均不超过0.0020%，铁水中的氮大部分仍被脱去，但与供氮强度不超过0.032 m3·min-1·t-1时相比钢液终点氮含量有明显的增加。可见本文试验中150t顶底复吹转炉底吹小流量N2时（＜0.032 m3·min-1·t-1）冶炼后期无需将N2切换为Ar。
（三）变流量全程底吹N2模式对冶炼终点钢液 [N]的影响
根据仪器测量的底吹N2流量实际值和冶炼终点钢液 [N]数值记录在表4、5中，其中前期底吹N2流量大、后期底吹N2流量小的模式少1炉数据。表4、5中凡有2倒样的炉次补吹1次。吹氧12min时变换氮气流量。
从表4、5可以看出，前期底吹N2流量大、后期底吹N2流量小的模式转炉冶炼终点出钢样 [N]明显大于间期底吹N2流量小、后期底吹N2流量大的模式，说明钢液吸氮主要发生在转炉冶炼前期。
（四）补吹对冶炼终点钢液 [N]的影响
表2、3和表4、5的试验中共有6炉钢补吹1次，即转炉倒2次取样后出钢。将1倒样和2倒样的 [N]数据对比可以看出，150t转炉冶炼时补吹1次，对冶炼终点铅钢液 [N]影响较小。
三、分析及讨论
（一）顶底复史转炉冶炼时钢液的脱氮与吸氮
顶底复吹转炉冶炼过程中，同时存在着吸氮和脱氮过程，冶炼过程某一时刻钢液的 [N]，主要取决于此时的吸氮速度和脱氮速度之差。
在转炉吹氧脱碳过程中，存在着激烈的C-O反应，生成大量的CO气泡，钢液能通过CO气泡携带法脱氮，其脱氮的机理与真空脱氮的机理一样，都可以用西华特定律解释。
转炉吹氧脱碳过程中脱氮速度与脱碳速度的经验关系式，说明钢液脱氮速度与脱碳速度成正比。在转炉冶炼前期，碳氧反应逐渐激烈，脱碳速度逐渐增大，脱氮速度也逐渐增大。大量的碳氧化生成CO将熔池中的氮带出，脱氮量远大于吸氮量，因此碳氧反应可以有效脱氮。
转炉冶炼后期，碳氧反应逐渐减弱，脱碳速度逐渐降低，脱氮速度也逐渐降低，脱氮量逐渐减少。
采用顶底复合吹炼法，顶吹氧气停止后，由于底吹气体的搅拌及降低PCO数值两种作用，可以使脱碳反应继续进行。复吹转炉可脱碳至0.02%，停止吹氧后仍有C-O反应。可见，即使顶吹氧气停止后，由于仍然存在脱碳反应，此时转炉仍有脱氮功能。
目前，有关表面活性元素氧、硫等能显著地阻碍钢液吸氮的研究已经取得共识。当钢中 [o]≥0.02%时，钢液吸氮量很小。随着转炉冶炼过程的进行，钢液中 [C]越来越低，与之平衡的 [o]越来越高，当吹氧脱碳至钢液中 [C]≤0.2%时， [O]≥0.02%。转炉冶炼后期，钢液为氧化性，钢中溶解氧质量分数高，通常大于临界值0.02%，可以阻碍钢液吸氮，因此转炉冶炼后期吸氮速度也是逐渐减小的。只要底吹N2强度不超过一定限度，则钢液吸氮量就小于脱氮量，宏观表现就是铁水中的氮大部分被脱去，冶炼终点钢液为 [N]0.0010%左右。
由于绝大部分钢种对钢中氮含量要求不高，因此可以利用复吹转炉全程底吹N2的工艺进行冶炼，能够满足钢水质量要求。
（二）底吹N2强度对钢液终点 [N]的影响
钢液吸氮速度除受钢中氧、硫含量影响外，还受底吹N2强度的影响。增大底吹N2强度，也就是增加了气/液反应界面，加快吸氮反应速度。吸氮速度与底吹N2强度成正比。因此对特定转炉而言，脱氮速度的变化与脱碳速度的变化一致，有一定的限度，而吸氮速度却随底吹N2强度增加而不断增加。
使用不同的底吹N2强度时，对同一转炉吹氧制度相同，脱碳反应速度相同，而钢液脱氮速度与脱碳速度成正比，因此脱氮量也相同，但吸氮量不同。在转炉冶炼前期，钢液中碳含量高，氧含量低，当钢液中氧的质量分数<0. 02％时，钢液可以吸氮。若在转炉冶炼前期底吹大流量N2，则钢液吸氮量增多，因此随着底吹N2强度增大，冶炼终点钢液 [N]增高。如此可以解释图2的试验结果。
反之，若在转炉冶炼前期底吹小流量N2，则钢液吸氮量比在转炉冶炼前期底吹大流量N2时要小，即使在转炉冶炼后期底吹大流量N2，因钢液呈氧化性后不能吸氮，故出钢钢液终点［N］就比前期底吹N2流量大、后期底吹N2流量小的模式为低，这就可以解释表4、5的试验结果。
（三）补吹对钢液终点 [N]的影响
由于转炉冶炼后期钢液为氧化性，加上补吹过程中仍然有一定的碳氧反应存在，而且补吹时间也很短，故钢液在补吹过程中不增氮。
四、结论
（一）本文试验条件下，采用恒流量全程底吹N2工艺，当底吹N2强度不超过0.032 m3·min-1·t-1时，出钢前冶炼终点钢液氮质量分数为0.0010％左右，与氮氨切换工艺相当，氮氢切换点对转炉冶炼终点出钢样 [N]影响很小；当底吹N2强度超过0.032 m3·min-1·t-1随底吹N2强度增加出钢前冶炼终点钢液 [N]将逐渐增加。
（二）转炉冶炼时钢液吸氮主要发生在冶炼前期；转炉冶炼后期，钢液呈氧化性，钢液中的 [O]可以阻碍钢液吸氮。
（三）补吹对冶炼终点出钢样 [N]影响不大。
（四）顶低复吹转炉可以采用全程底吹N2工艺。
QQ交流群
