炼钢增碳剂和铁合金中氮含量检测的研究与应用.docx
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炼钢增碳剂和铁合金中氮含量检测的研究与应用
炼钢增碳剂和铁合金中氮含量检测的研究与应用
技术工作总结
1、选题背景
方大特钢是国内最大的弹簧钢生产厂家，公司以弹簧钢为代表的品种钢开发越来越多，而品种钢质量要求对有害元素氮含量的控制要求越来越严，（公司热轧弹簧钢内控标准：
NK/019/2011要求氮含量≤80PPm）。
炼钢厂除了在冶炼工艺上控制氮外，炼钢也必须知道所加入的增碳剂和铁合金中的氮含量，通过选择性地使用增碳剂和铁合金才能更好地控制钢水中氮的含量。
目前，国家标准和行业标准均没有对增碳剂和铁合金提出氮含量的限制要求（除钒氮合金外，钒氮合金中氮是作为合金元素而不是有害元素），也没有增碳剂和铁合金氮中含量的检测标准方法。
我公司以往没有检测增碳剂和铁合金中氮含量，也没有通过选择增碳剂和铁合金来控制原材料带入钢中的氮。
国内少数单位因某些特殊钢研究需要，在尝试性检测炼钢铁合金和增碳剂中的氮含量，没有系统性检测增碳剂和铁合金中氮含量。
分析检测增碳剂和铁合金中氮含量，按分析检测理论，最快的检测方法首选高频感应炉熔融热导法，即使用氧氮分析仪检测，该方法难点在于没有合适的标准物质，检测条件参数还要通过大量的实验来优化。
为了尽快通过检测分析得出增碳剂和铁合金中氮含量数据，以便炼钢厂在原材料方面控制钢中增氮。
从今年初开始，我们着手对炼钢生产使用的增碳剂和铁合金进行统计分析，确定把煅煤增碳剂、石油
焦增碳剂和锰铁、硅锰合金、铬铁、硅铁作为我们选择的检测分析项目，并成立了以检测中心为主，技术中心、炼钢厂为协作单位的《炼钢增碳剂和铁合金中氮含量检测的研究与应用》课题科技项目攻关小组，制定了攻关目标：
制定增碳剂和铁合金中氮含量的检测方法；
炼钢生产选择性使用增碳剂和铁合金，控制品种钢中氮含量；
制定增碳剂和铁合金中氮含量的内控标准，要求分三个阶段完成。
第一阶段目标：
2011.05—06、实验确定增碳剂（煅煤增碳剂、石油焦增碳剂）和铁合金（锰铁、硅锰合金、铬铁、硅铁等）中氮含量检测方法。
、主要是选择合适的实验条件，包括：
样品粒度、高频感应炉功率、样品称重、标准物质选择。
第二阶段目标：
2011.07—09、氮含量检测数据提供给炼钢厂，炼钢厂根据增碳剂和铁合金使用量、钢水氮的增加量计算增碳剂和铁合金中氮的收得率，便于控制钢水氮的增加。
第三阶段目标：
2011.10—11、收集进厂增碳剂和铁合金中氮含量检测数据、炼钢增碳剂和铁合金加入量数据、钢水增氮数据，分析统计后制定增碳剂和铁合金中氮含量的内控标准。
把各阶段目标落实到个人，并要求按项目时间进度安排及阶段目标去完成。
通过一年来的工作，攻关组制定了增碳剂和铁合金中氮含量的检测方法（操作规程）；炼钢厂通过碳剂和铁合金加入量数据对比分
析计算出钢水氮收得率为10～20PPm；技术中心、炼钢厂等单位统计分析数据后制定增碳剂的氮含量公司内控标准。
课题项目攻关目标己达到。
下为攻关组检测分析煅煤增碳剂煅和铁合金氮操作规程和控N检测分析数据表：
2、增碳剂中氮的检测方法
警告——使用本标准的人员应有正规实验室工作的实践经验和上岗证，本标准并未指出有可能的安全问题，使用者若有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法律规定的条件。
2.1范围
本标准规定了用氧氮分析仪测定低氮增碳剂中氮含量的原理、试剂和材料、仪器、取制样、分析步骤、结果计算。
2.2规范性引用标准
因检测分析增碳剂中氮含量，国家标准未以制定，引用钢铁氮含量的惰性气体熔融热导法（常规方法）GB/T20124-2006。
2.3原理
氧氮分析仪，采用脉冲热导法测定低氮增碳剂中的氮。
试样采用带盖镍囊包裹并手工机械压紧，在高温电极炉的氦气流中加热熔融，氮以分子N2的形式释放，由导热检测器定量检测。
并由计算机直接以氮的百分含量或ppm级含量形式显示。
2.4试剂和材料
除非另有说明，在分析中仅使用确认为分析纯的试剂，水冷机组所用的为蒸馏水或与其纯度相当的水。
2.4.1石墨坩埚（石墨质量分数99.995%，φ12×824.3mm，或套坩埚）。
2.4.2带盖镍囊（0.3100g左右/个，φ6×10mm，Ni含量99.9%以上）；
2.4.3碱石棉；
2.4.4高氯酸镁；
2.4.5稀土氧化铜；
2.4.6载气：
高纯氦气，纯度99.99%；
2.4.7动力气：
高纯氮气，或氩气，纯度99.99%；
2.5仪器
Leco公司氮氧分析仪。
2.6取制样
将120g样品防入全密封式化验粉碎制样机中，振动粉碎40s——60s取出，用0.125mm分样过筛，将筛上物取出，放入料钵中继续粉碎45s，取出并过筛，如果仍有筛上物，取出仍然放入料钵中粉碎45s后过筛，将所有筛下物混匀，装袋。
将试样置于105±5℃的干燥箱中干燥30min，取出，置于干燥器中冷却至室温。
2.7分析步骤
2.7.1称样量
称取0.0200g——0.0300g试样，精确至0.0001
2.7.2测定
将试料（7.1）置于事先在电子天平上去皮重的一个带盖镍囊的囊中，盖上镍囊盖，用专用压饼工具将镍囊压扁驱尽空气，并注意不压破，用镊子将压扁的镍囊置于电子天平上称重，并输入氧氮仪软件重量库。
调节加热功率4000w，采用上进样方式进行检测，检测完毕检查试样熔融状况，判断检测结果的有效性和准确性。
2.8结果计算
在事先用相应含量的标准物质校准仪器的前提下，检测结束后氧氮分析仪电脑显示器自动显示检测结果。
2.9允许差
实验室之间分析结果的差值应不大于表一所列允许差。
表一允许差（%）
氮含量（质量分数）
允许差（±）
≤0.0010
0.0002
>0.0010～0.0050
0.0008
>0.0050～0.0100
0.0015
>0.01000～1000
0.0040
>0.1000
0.0080
33、炼钢生产选择性使用增碳剂
品种钢60si2Mn国标碳含量在0.56～0.64％，碳硅含量高，所加铁合金量硅锰约600～700公斤。
公司热轧弹簧钢内控标准规定N含量应控制在0.0080％以下，炼钢生产为了控制N含量选择使用含量低的增碳剂和铁合金。
据计算，如果增碳剂中氮含量0.5%，钢水中将增加氮含量0.0025%；如果铁合金中氮含量为0.01%，钢水中将增加氮含量0.0003%。
非品种钢HRB335a由于碳低0.21～0.25％含量，所加铁合金量硅锰约300公斤，对所加入N含量高的增碳剂和铁合金，N也不会增加到内控标准规定的N含量≤0.0080％。
通过对煅煤增碳剂氮检测分析数据分析，制定了煅煤增碳剂氮含量公司内控标准：
煅煤增碳剂≤0.400％。
2011年4月至11月增碳剂煅和铁合金中氮含量结果（﹪）表一
名称
分析数量（车/次）
最高含量
最低含量
平均
备注
煅煤增碳剂
56
1.010
0.250
0.374
石油焦增碳剂
7
1.780
1.010
1.35
很少用
锰硅合金
9
0.0120
0.0097
0.0109
硅铁合金
8
0.0125
0.0099
0.0114
铬铁合金
2
0.0181
0.0170
0.0176
锰铁合金
5
0.0077
0.0060
0.0069
用直方图表示如下：
石油焦增碳剂
平均值
最低值
最高值
最高值
平均值
最低值
从表一和上图分析：
①增碳剂中氮含量在0.25—1.78%之间，个别超低氮增碳剂中氮可以达到0.0200%以下；②铁合金中氮含量在0.0060—0.0181%之间。
从以上数据说明石油增碳剂氮含量最高，煅煤增碳剂次之，铁合金最低。
而从炼钢厂今年使用增碳剂数据分析，石油焦增碳剂使用量非常少（今年公司只采购7批次），一般使用煅煤增碳剂，因钢水中加入铁合金中增氮非常低，所以攻关组在炼钢生产60Si2Mn时，对钢水中加入煅煤增碳剂进行跟踪，最后通过数据对比分析，钢水氮收得率为10～20PPm。
炼钢厂对增碳剂和铁合金选择使用氮高用于普钢、螺纹钢，氮低用于优特钢（品种钢）。
据统计，去年与今年弹簧钢钢中氮含量控制如下表：
2010年钢中氮含量控制表二：
月份
转炉终点氮
精炼增氮
连铸增氮
废品量
吨
废品原因
N≥80ppm
质量
事故
最高
最低
平均
最高
平均
最高
平均
5
50
20
55
18
89.44
0.0087
三级
6
42
20
77
16
7
55
20
76
20
140.76
0.0100
二级
8
45
18
27
35
14
35
9.98
9
46
15
28
49
17
28
7
10
50
20
29
48
17.5
32
7.8
11
42
20
28
26
14
25
68.9
12
48
20
31
79
18
48
6
486.18
0.0090
重大
2011年钢中氮含量控制表三
月份
转炉终点氮
精炼增氮
连铸增氮
≤80PPm
≤65PPm
质量
事故
最高
最低
平均
最高
平均
最高
平均
1
48
15
30
60
13
53
8
99.83
34.48
0
2
47
27
30
54
13
46
8.8
99.07
46.39
0
3
30
14
30
9.03
99.14
48.95
0
4
29.72
12
8.07
97.58
53.63
0
5
28
12
33
5.45
98.71
43.71
0
6
28
10
38
4.5
99.33
64.2
0
7
32
12
27
6
99.85
61.83
0
8
32
12
27
7
99.5
54.85
0
9
32
12
32
7
99.62
53.61
0
10
32
14
26
6.6
99.33
48.78
0
11
31
14
35
7.6
97.75
43.03
0
从表二分析：
2010年攻关前精炼增氮平均17PPm，从表三分析：
2011年攻关后精炼增氮平均12PPm，炼钢厂对增碳剂选择使用使氮同比下降5PPm。
据统计，2010年炼钢厂因氮高发生三级、二级、重大质量事故各一起，造成化废716.38吨，经济损失达50余万元。
2011年炼钢厂根据煅煤增碳剂氮含量有选择地使用，到目前为止，没有一炉钢水氮含量≥80PPm造成化废质量事故发生，为公司直接减少经济损失50万元；氮含量得到控制，公司产品质量也得到了提升，2011年1-10月共发生质量异议74起，同比减少38起，下降33.93%，经济损失同比减少19.92万元，减少14.87%。
。
4、技术创新点
用钢铁氮含量国家标准物质、无烟煤氮含量国家标准物质绘制工作曲线（校正曲线）来检测增碳剂和铁合金中氮含量；选择性地使用增碳剂和铁合金控制钢水中氮的含量。
5、预期的社会效益
通过建立增碳剂和铁合金中氮含量的检测方法并用于进厂原料的检测，可以全面准确地了解这些原料中进厂时氮含量的分布情况，有利于资源的合理利用，既
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