D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.02.00M 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 氮的溶解度及预处理过程脱氮的实验研究 吴宝国1)董元篪)周云”王海川)王世俊) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)安徽工业大学冶金材料学院，马鞍山243002 摘要在实验室1573~1673K条件下对铁水预处理过程进行了脱氮研究.结果表明，铁液 中氧、硫和碳含量都在不同程度上影响氨在铁水中的溶解度，并用线形回归方法得到了氮溶 解度与碳含量的关系式，预处理过程中初始碳含量对脱氯影响较为明显，在供氧强度相同的 条件下，脱氨量随着铁水中碳含量的增加而增加.同时研究发现过程脱碳的同时能有效地脱 氮，且脱碳量越大脱氨率越高.终点最低氮含量可达13×10，脱氨率超过50%，可满足超低氮 钢对铁水中氮含量的要求， 关键词铁水预处理：氮溶解度：脱氮：脱碳 分类号TF111.18 氮对金属的性能有着重要的影响，随着金属 1gK=lg0=-518T-1063 (3) 材料的发展和用户对超加工性能钢板(F钢)质量 式中，pP为与铁液平衡的气相中的氨分压；aw为 要求的日益苛刻，需要进一步降低钢中的氨含 以Fe-N系无限稀溶液为基准的活度. 量，脱氮技术成为熔炼薄板用钢的重要课题.在 由式(2)可知，铁水中氮的溶解度随p.的增加 现代化炼钢流程中，脱氮主要在炉外精炼阶段进 而增加.当气相中的实际氯分压低于，时，铁液 行.以脱磷、脱硫为主要目的的铁水预处理已成 中的氮要降低.因此对于铁水脱氨来说，操作上 为现代钢铁生产的关键工序之一，并向全量铁水 抑制空气侵入以保持低的P是至关重要的，温度 预处理的方向发展，随着对铁水预处理过程的系 及化学成分通过对反应平衡常数K及人的影响 统研究，发现该过程存在脱氮现象.铁水中的氨 来影响氮在铁液中的溶解度，由K与温度的关系 是钢中氮的主要来源之一，但是对于预处理阶段 式可以看出，升高温度有利于提高氮在铁水中的 的脱氮研究，目前国内外文献很少报道，为此，本 溶解度.预处理的铁水中主要元素是C,Si,Mn 文测定了预处理温度下铁水中氯的溶解度，分析 等，由化学成分对于氨的活度系数的影响可知， 铁水成分与氮溶解度的关系，并对预处理过程脱 C和Si明显提高氮的活度系数，因此在铁水条件 氮进行实验研究，旨在为拓宽脱氮工艺手段提供 下有利于脱氮. 新的思路 1.2熔渣脱氮理论 1有关理论 关于熔渣脱氮，首先要了解氮在渣中的存在 形式.氮在渣中的存在形式，目前有两点共识： 1.1铁液吸氨热力学 (1)自由氮离子，氮取代渣中的自由氧离子形 铁水中氮的溶解度服从西维斯定律，可用下 成自由氮离子： 式表示”： (2)结合氮离子，氮取代渣中聚合网络中的氧 2N(gN-,AG=9916+20.17Z,J/mol (1) 离子而形成结合氮离子. 大量的实验研究证明2-，氮在碱性渣中主要 (2) 是以自由的氮离子形式存在，而在酸性渣中氮以 聚合状态存在，氨在铁水预处理同时脱磷脱硫的 收稿日期200302-20吴宝国男，32岁，讲师，博士 高碱度渣中主要是以自由氮离子形式存在， *安激省高等学校青年教师科研资助项目No.2003jq135)第 2 6 卷 第 2 期 2 004 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr i yt o f S e i e n e e a n d eT e h n o lO gy B e ij in g V b l . 2 6 N o . 2 A P .r 2 0 4 氮的溶解度及预处理过程脱氮的实验研究 吴 宝 国 ` ,2) 董元 旎 2 , 周 云 ” 王 海川 ” 王 世俊 2 , l) 北 京科 技大 学冶金 学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 2) 安徽 工 业 大学 冶金材 料学 院 , 马鞍 山 2 4 3 0 02 摘 要 在 实验 室 1 5 73 一 1 6 73 K 条 件 下对铁 水预 处理 过程 进行 了脱氮 研 究 . 结 果表 明 , 铁 液 中氧 、 硫 和碳 含量 都在 不 同程度 上影 响氮在 铁水 中 的溶解度 , 并 用线 形 回归方法 得 到 了氮 溶 解度 与 碳含 量 的关系 式 . 预 处理 过程 中初始 碳含量 对脱 氮 影响较 为 明显 , 在 供氧 强度 相 同的 条件 下 , 脱氮 量随着 铁水 中碳 含量 的增 加而 增加 . 同时研 究发 现过 程脱 碳 的同 时能有 效地 脱 氮 , 且脱 碳量 越大 脱氮 率越 高 . 终 点最 低氮 含量 可达 1 3 “ 10 巧 , 脱氮 率超 过 5 0% , 可 满足 超低 氮 钢对 铁 水 中氮含量 的要求 . 关键 词 铁 水预 处理 ; 氮溶 解度 ; 脱氮 ; 脱碳 分 类号 T F 1 11 . 1 8 氮对 金 属 的性 能有 着重 要 的影 响 . 随着 金 属 材料 的 发展和 用户 对超 加工 性 能钢板 (仆 钢 )质 量 要 求 的 日益 苛刻 , 需 要进 一 步 降 低钢 中 的氮含 量 , 脱氮 技术 成 为熔 炼 薄 板用 钢 的重 要课 题 . 在 现 代化 炼钢 流程 中 , 脱 氮主 要在 炉外精 炼 阶段进 行 . 以脱 磷 、 脱 硫 为 主要 目的 的铁水 预 处理 己成 为现 代 钢铁 生产 的关 键 工序之 一 , 并 向全量 铁水 预 处理 的方 向发 展 . 随着 对 铁水 预处 理过 程 的系 统研 究 , 发现 该 过程 存 在 脱氮 现象 . 铁 水 中的氮 是钢 中氮 的主要 来源 之一 , 但 是对 于预 处理 阶段 的脱氮研 究 , 目前 国 内外 文献 很少 报道 . 为此 , 本 文测 定 了预 处理温 度下铁 水 中氮 的溶解 度 , 分析 铁水 成 分与氮 溶解 度 的关 系 , 并对 预 处理过 程脱 氮进 行 实验研 究 , 旨在 为拓 宽脱 氮工 艺手 段提供 新 的思 路 . ` gwK 一 `喘一 , ` 8`升 ` · 0 6, ( 3 ) 1 有 关理 论 L l 铁液 吸氮 热 力学 铁水 中氮 的溶解 度服 从 西维 斯 定律 , 可 用下 式表 示 , l] : 枷 2 ( g ) 一困] (卜 F 。 ) , △G鼠〕一 9 9 16+ 2 0 . 1 7兀 Jm/ 。 1 ( 1) 2 ` ’ 从0 尹 L一 ’ 」 U 一代” 一 ~ `八 , 一 ’ - - 一 ’ 一 ` 一 , - - -一 [% N l = 共瓜井 、 /厂脚 , (2 ) L ` “ ` ’ J 苏 ” 尸 “ 收稿 日期 2 003 一2一 O 吴宝 国 男 , 32 岁 , 讲 师 , 博 士 * 安徽 省高 等学校 青年 教师科 研资 助项 目(N .o Zo 3j q l3 5) 式 中 , 如 为 与铁 液 平 衡 的气 相 中的 氮 分 压 ; 内 为 以 F e 一 N 系无 限稀 溶 液 为基 准 的活 度 . 由式 (2) 可知 , 铁 水 中氮 的溶解 度 随两 的增 加 而增 加 . 当气 相 中 的实 际氮 分 压低 于乃 时 , 铁液 中的氮 要 降低 . 因此 对 于铁 水 脱氮 来 说 , 操 作 上 抑制 空气 侵入 以保 持 低 的枷 是 至关 重要 的 . 温度 及化 学成 分 通 过 对 反应 平 衡 常 数瓜 及苏 的 影 响 来影 响氮 在铁 液 中的溶 解度 . 由凡 与温 度 的关 系 式可 以看 出 , 升 高温度 有 利于提 高氮在 铁水 中 的 溶解 度 . 预处 理 的 铁水 中主 要 元 素是 C , iS , M n 等 , 由化 学成 分 对于 氮 的活 度 系数 的影 响可 知 , C 和 iS 明显提 高 氮 的活度 系 数 , 因此 在铁 水 条件 下有 利 于脱 氮 . 1.2 熔 渣 脱氮 理论 关于熔 渣 脱氮 , 首先 要 了解 氮在 渣 中 的存在 形 式 . 氮 在渣 中的存 在 形式 , 目前 有 两 点共 识 : ( l) 自由氮离 子 . 氮取 代渣 中的 自由氧离 子 形 成 自由氮 离子 ; (2 ) 结合 氮离 子 . 氮 取代渣 中聚合 网络 中 的氧 离子 而 形成 结 合氮离 子 . 大量 的实验研 究证 明`’ 一习 , 氮在 碱性 渣 中主 要 是 以 自 由的氮 离 子形 式存 在 , 而在 酸 性渣 中氮 以 聚合状 态 存在 . 氮 在 铁水 预处 理 同时脱 磷脱 硫 的 高碱 度 渣 中主 要是 以 自 由氮 离 子形 式存 在 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 004