一、研究的背景与问题

2020年，中国宣布实行“碳达峰、碳中和”战略，力争2030年前二氧化碳排放达到峰值。钢铁行业是我国“双碳”目标实现的重点领域和责任主体。近年来，随着碳排放政策和碳交易市场的不断推进，传统钢种和生产方式已无法满足新的要求。在“双碳”战略目标下，钢铁企业亟需进行新钢种开发、传统钢种改良以及冶炼新技术突破，以加快发展新质生产力，扎实推进高质量发展。

降低铁水比，加强废钢资源循环利用，是钢铁工业实现绿色低碳发展的重要途径。低铁水比冶炼带来了热量不足、过氧化、冶炼时间延长及钢水增氮等一系列问题，这些因素增加了钢水成分控制的难度。氮在低合金钢中通常作为有害元素被限制，其在冶金中的作用和价值被忽略。研究表明，氮元素可通过形成氮化物，细化晶粒，提高强度以及硬度。

诸多钢种对高效精准控氮提出了严格要求，如取向硅钢氮的窄成分控制(±0.0005%)、超高氮(0.02%~0.03%)螺纹钢开发、高牌号无取向硅钢的超低氮控制(≤0.0015%)等。由于成分波动、空气难以隔绝、增氮速率不稳定等因素影响，钢中氮含量难以实现精准稳定控制，严重制约了高端钢种开发和传统钢种改良。面对来自资源与环境的严峻挑战，如何实现高效精准控氮，成为钢铁工业产品升级、绿色转型亟待解决的问题。

立项前，东北大学特殊钢研究所研发了加压冶炼关键装备，填补了国内空白；开发出分阶段控制压力的氮含量精确控制方法；阐明了氮对奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢组织与性能的影响机制，开发了新一代航空高氮不锈轴承钢等系列新品种，引领和示范我国高氮钢发展。

自2016年起，为解决氮微合金化在低合金钢中应用的系列难题，涟钢与东北大学、西安建筑科技大学、武汉科技大学等单位产学研合作，以高品质钢氮微合金化设计与精准控制关键技术开发及应用为目标，通过基础研究、制造技术开发和应用集成创新，形成了具有自主知识产权的高效精准稳定控氮技术体系，成功研制出系列高效精准控氮取向硅钢、超高氮螺纹钢、超低氮无取向硅钢等钢种并实现了产业化，为冶金行业绿色低碳发展创造了条件，同时为拓展氮微合金化应用范围做出了重要贡献。

二、解决问题的思路与技术方案

1、利用热/动力学计算了氮在钢中溶解度和渗氮动力学，同时开发了氮在钢中溶解度的测定装置，验证了计算结果，实现了不同钢种冶炼条件下钢中可溶解氮含量的精准预测；通过假定条件的“过饱和”计算法，实现了氮在钢冷却相变过程中存在形式的预判。

1.1 氮在钢中的溶解度模型

为了解钢水中氮的可溶解量，开发了氮在钢中溶解度的测定装置，如图1所示。装置配备Pt/Pt-Rh（铂铑）热电偶测温系统，能实现实验过程温度的精准控制。安装真空泵和充气系统，能实现高真空度以及从真空向目标气氛的切换。装置可在氮气气氛下实现合金熔炼、钢液倾转浇铸。另外，装置配备了多次取样装置，能检测渗氮过程中钢中氮含量变化。

图1 2kg容量的加压感应炉示意图

图2?不同氮气压力下熔体中氮含量变化

?

图3?钢液在1600℃、(a)33、(b)66和(c)100 kPa条件下的氮含量实测值与计算值对比

1.2 氮在钢中存在形式计算与分析

为了解冷却相变过程中，各相中氮的溶解度及氮在钢中存在形式，通过Thermo-Calc模拟计算了体系中氮含量过饱和条件下钢的平衡相图。图4和图5分别为体系中氮含量过饱和取向硅钢、螺纹钢在600℃~1600°C之间的平衡相图。由图4和图5可知，钢中氮几乎全部会进入析出物，或以气态形式溢出。当温度低于600℃时，铁素体中氮溶解度很低。值得注意的是，图5中，奥氏体作为过渡相，可在冷却过程中暂存一定量的氮（约0.03%），待含氮析出相开始析出时，为析出相供氮，起到“传递”氮作用。

?

图4 取向硅钢各相氮溶解度

?

图5 螺纹钢各相氮溶解度

2、建立了智能炼钢模型，实现了钢水和渣中氧含量标准化控制；研发出RH增氮速率计算模型，有效解决了工业化生产条件下RH钢水增氮速率稳定控制关键技术难题，实现了钢水增氮速率1~3 ppm/min精准稳定控制。开发了氩站钢包底吹+RH环流管联合吹氮工艺，实现了增氮时间缩短约5 min，氮控制精度±5 ppm。

2.1 标准顶渣改质技术

氧、硫等表面活性元素占据钢水表面活性点，显著降低钢水增氮速率。RH钢水硫含量相对稳定，因此钢水氧含量稳定控制是增氮速率稳定的关键。由于渣金反应持续进行，要实现钢水氧含量的稳定控制，必须实现渣的标准控制。为实现渣环境控制，建立转炉-精炼一体化炼钢模型，如图6所示。

利用FactSage软件绘制渣系四元相图，根据相图将渣系向低熔点区域调整，如图7所示。通过检测转炉下渣成分与渣量，优先采用硅脱氧，利用炼钢模型计算改质剂用量，实现渣厚80~90 mm，渣成分：CaO:27%~36%，Al₂O₃:18%~27%，SiO₂:36%~45%，MgO:6%~8%，FeTOT≤2%稳定控制。标准改质方案实施后，RH工位渣厚适中，流动性良好，如图8所示，渣中全铁稳定低于2%。

图6 转炉-精炼一体化炼钢模型

图7 渣四元相图

图8 实施前后顶渣状况

2.2 RH增氮速率控制技术

为解决RH环流管吹氮增氮速率稳定控制难题，利用ANSYS软件的FLUENT?？椋捎肈PM+VOF模型对RH环流管吹氮过程进行建模，开发RH增氮模型，分析RH环流管吹氮稳态时氮气泡分布状态。以氮气压力、氮气流量为自变量，计算出氮气泡表面积和平均浓度。真空槽内氮气浓度按2 mol/m³计算。数值模拟计算结果如图9所示。

化学反应速率与氮气浓度，面积成正比。由数值模拟计算得出，其他条件相同条件下，高压增氮速率为低压的1.65倍，高压吹氮可有效提高钢水增氮速率。

?

图9 ?RH环流管吹氮气数值模拟结果

(a)流量110 m³/h，压力0.6 MPa；(b) 流量160 m³/h，压力0.9 MPa

2.3 高效精准控氮技术

基于现场实践，建立了取向硅钢系列钢种增氮速率与增氮时间之间的对应关系，如图10所示，y为增氮速率，ppm/min，x为增氮时间，min。

图10 典型硅钢增氮速率与增氮时间对应关系

基于以上研究结果，结合创新点3钢包底吹氮技术，项目开发了Ar(氩站)钢包预吹氮+RH精准吹氮联合控氮工艺，Ar预吹氮粗调，高压快速增氮，RH细调，保障氮控制精度±5ppm，实现了RH工序控氮时间缩短约5min。

3、开发了超高氮螺纹钢钢包底吹增氮技术，实现了钢水高效稳定增氮。提出了氮气孔轧制弥合技术，解决了超高氮带来的缺陷控制难题?？⒘撕龀鑫锾菁队盏嘉龀黾际?，利用先析出相诱导主强化相析出，解决了性能波动难题。

3.1 超高氮螺纹钢钢包底吹增氮技术

为解决钢包底吹氮增氮速率稳定控制难题，利用ANSYS软件的FLUENT?？?，采用DPM+VOF模型对钢包底吹氮过程进行建模，开发钢包底吹增氮模型，分析钢包底吹氮稳态时氮气泡分布状态。数值模拟计算结果如图11所示。

?

图11 底吹氮气数值模拟结果

(a)流量400L/min，压力0.35MPa；(b) 流量2000L/min，压力1.3MPa

化学反应速率与浓度，反应面积成正比。对离散气泡信息进行采集，可知在相同时刻下，其他外部条件相同情况下，高压下增氮速率约是低压下增氮速率的10.4倍，高压底吹有利于快速增氮。通过钢包底吹增氮，钢中氮含量最高达0.03%（突破了螺纹钢氮含量常规限定）。

3.2 超高氮螺纹钢气泡与裂纹缺陷控制技术

为解决超高氮螺纹钢气孔缺陷控制难题，提出了螺纹钢极限氮含量控制技术。利用奥氏体中氮溶解度大的特点，回溶冷却过程δ铁素体中因饱和而溢出的氮气泡。当温度降至析出物析出温度，回溶的氮最终进入析出物，提升析出强化能力的同时，避免饱和氮造成的缺陷。超高氮螺纹钢出现的表面微裂纹、横肋纵裂纹、烂钢缺陷是阻碍氮在低合金钢中生产应用的最大障碍，如图12所示。针对这一难题，开发了晶界脆性控制技术，降低钢中Al、Nb、Ti元素含量，降低晶界脆性。改进后金相组织无气孔，点焊冷弯性能合格，如图12所示。

?

图12 高氮螺纹钢裂纹及消除

3.3 超高氮螺纹钢含氮析出物梯级诱导析出技术

为解决气温变化等因素导致的螺纹钢性能波动问题，开发了超高氮螺纹钢含氮析出物梯级诱导析出技术，提高钢中氮含量(N≥0.02%)，同时添加微量Nb(≤0.005%)，利用Nb(C、N)析出温度比V(C、N)高的优势，诱导V(C、N)快速稳定析出。微铌螺纹钢屈服强度标准偏差可由15 Mpa降低至7.5 Mpa，性能稳定性显著提升。性能稳定性的提高，降低了性能保障合金的使用量，实现了合金成本降低约10元/吨。

4、开发了低铁水比铁水脱氮技术，利用碳氧反应产生的CO脱除铁水中的氮；开发了低铁水比转炉控氮工艺，通过调节供氧与底吹强度，保持熔池液面低氮分压，持续利用气泡脱氮；优化了RH炉合金工艺，利用钢水瞬时局部高铝条件脱氮，实现了75%低铁水比条件下钢水氮含量≤0.0015%。

4.1 铁水预处理脱氮技术

在KR脱硫的同时创新性的开发出铁水预处理脱氮工艺：

图13 废钢烘烤装置

图14 氮化钛析出温度

（1）铁包中加入废钢，采用氧燃枪铁包废钢烘烤技术将铁包废钢升温至约1100℃，兑入铁水，利用废钢烘烤产生的氧化物与铁水碳反应生成CO，脱除铁水中氮，废钢烘烤装置如图13所示。采用铁包废钢烘烤技术后，铁水氮由0.0068%降低至0.0053%。

（2）铁包加入适量废钢降低了铁水温度，促使铁水中氮化钛的析出，显著降低了铁水的氮含量。温度对铁水中TiN析出的影响如图14所示，显而易见低温有利于TiN的形成。

4.2 低铁水比转炉控氮技术

低铁水比冶炼会造成铁水热量不足，吹炼后期熔池液面气体减少，容易引起空气倒灌。为保持熔池液面低氮分压，促进CO/CO₂气泡脱氮，采用环缝式透气砖、大供氧强度氧枪喷头、氧枪低枪位模式。

（1）转炉采用环缝式底吹透气砖（图15），利用其自动增压防堵功能提高底吹稳定性。转炉底吹分阶段调整流量，冶炼前期和后期采用1200 m3/min大底吹流量，脱碳期采用450~600 m3/min较小底吹流量，保持熔池液面低氮分压，防止空气倒灌，实现持续稳定脱氮。

（2）高效氧枪供氧技术，供氧强度达到4.56 m³/ (t·min)，处于国内领先水平。同时采用低氧枪枪位（图16），快速熔化废钢，提高脱碳效率，实现氮的快速稳定脱除。

图15 环缝式透气砖

图16 高效供氧吹炼模式

4.3 RH合金脱氮技术

（1）改变无取向硅钢脱氧合金化工艺，把先加铝块再加硅铁合金化工艺改成先加硅铁再加铝块工艺。加铝块的时候一次全部加入，提升钢水局部区域铝含量，充分利用RH出站至中包钢水的温度降低，促使氮化铝的析出（图17），实现高铝电工钢从RH出站到中间包钢水氮含量的进一步降低（图18）。

（2）RH炉采用大流量循环，实现氮的进一步脱除。在75%低铁水比下，氮含量降至≤0.0015%。铁水比低于宝钢、迁钢等先进钢铁企业，居国内领先地位。

图17 电工钢凝固过程中氮化铝析出温度

图18 高铝钢铝和钢水中氮含量关系

三、主要创新性成果

1.利用热/动力学计算了氮在钢中溶解度和渗氮动力学，同时开发了氮在钢中溶解度的测定装置，验证了计算结果，实现了不同钢种冶炼条件下钢中可溶解氮含量的精准预测；通过假定条件的“过饱和”计算法，提出了氮在钢冷却相变过程中存在形式判据。

2.建立了智能炼钢模型，实现了钢水和渣中氧含量标准化控制；研发出RH增氮速率计算模型，有效解决了工业化生产条件下RH钢水增氮速率稳定控制关键技术难题，实现了钢水增氮速率1~3 ppm/min精准稳定控制?？⒘穗舱靖职状?RH环流管联合吹氮工艺，实现了增氮时间缩短约5 min，氮控制精度±5 ppm。

3.开发了超高氮螺纹钢钢包底吹增氮技术，实现了钢水高效稳定增氮。提出了氮气孔轧制弥合技术，解决了超高氮带来的缺陷控制难题。开发了含氮析出物梯级诱导析出技术，利用先析出相诱导主强化相析出，解决了产品性能波动难题。

4.开发了低铁水比铁水脱氮技术，利用碳氧反应产生的CO脱除铁水中的氮；开发了低铁水比转炉控氮工艺，通过调节供氧与底吹强度，保持熔池液面低氮分压，持续利用气泡脱氮；优化了RH炉合金工艺，利用钢水瞬时局部高铝条件脱氮，实现了75%低铁水比条件下钢水氮含量≤0.0015%。

四、应用情况与效果

经过多年的努力，本项目开发的高品质钢高效稳定氮微合金化关键技术已成功应用于湖南华菱涟源钢铁有限公司及相关下游企业，实现了高性能、高效率、低成本系列取向硅钢、螺纹钢、无取向硅钢的大批量工业化生产。近三年（2022-2024年），已累计生产销售各类高质量取向硅钢169.4万吨、无取向电工钢335.2万吨，超高氮螺纹钢557.2万吨，新增销售额434亿元，新增利润11.6亿元。

产品已广泛应用于新能源汽车、变压器、桥梁建筑、电机等领域，有效促进了我国钢铁结构材料品质的跃升，提高了我国钢铁工业及相关行业产品的国际竞争力，推动了相关行业的产品结构调整和技术进步，为我国制造业结构调整和经济社会发展作出了贡献。

信息来源：湖南华菱涟源钢铁有限公司