賈文軍　陸曉雷（凌源鋼鐵股份有限公司特鋼廠，遼寧凌源　122504）

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優(yōu)鋼中氮含量異常增高的初步探討

賈文軍陸曉雷
（凌源鋼鐵股份有限公司特鋼廠，遼寧凌源122504）

【摘 要】除耐熱及不銹鋼外，在絕大多數(shù)鋼中，氮被視為一種有害元素。雖然鋼中殘留氮很少，但對(duì)鋼的力學(xué)性能卻有顯著的影響。一般情況下氮的危害主要表現(xiàn)在：FeN的析出導(dǎo)致鋼的時(shí)效性和藍(lán)脆，降低鋼的韌性和塑性；與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工；當(dāng)鋼中殘留氮較高，會(huì)導(dǎo)致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡；鋼中氮還會(huì)降低鋼的焊接性能、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率等［1］；鋼中氮含量偏高也會(huì)使鑄坯開(kāi)裂。文章介紹了凌鋼特鋼廠生產(chǎn)的優(yōu)特鋼氮含量異常增高的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤實(shí)測(cè)及理論研究進(jìn)行了系統(tǒng)的原因分析，為降低優(yōu)鋼中氮含量的工藝措施提出優(yōu)化探討。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)爐冶煉氮增氮量工藝措施

凌鋼采用氣體分析儀在軋材所取試樣分析的氮含量結(jié)果中20Cr、20CrMnTiH等鋼種成品材中數(shù)值均偏高，波動(dòng)在80-158ppm之間，這將不利于凌鋼優(yōu)特鋼產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。因此必須分工序逐個(gè)分析研究氮含量增高的原因，并初步摸索可行的措施降低鋼中氮含量。

1　吸氮的條件

從熱力學(xué)計(jì)算看，空氣中氮的分壓高及鋼液中氮的溶解度高決定了鋼水有很好的吸氮條件。從動(dòng)力學(xué)條件看，爐渣的性質(zhì)與鋼液反應(yīng)界面是吸氮的限制環(huán)節(jié)，而鋼中氧、硫含量會(huì)影響氮的傳質(zhì)系數(shù)，鋼中氧、硫含量越高，氮的傳質(zhì)系數(shù)越低［2］。

2　各工序增氮的原因分析

為詳細(xì)分析優(yōu)特鋼增氮原因，近期特鋼廠與產(chǎn)品研發(fā)室在45、40Cr、80鋼分別對(duì)各工序點(diǎn)取試樣分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下（單位ppm）：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)分別波動(dòng)在15-21，17-18，16-21；平均值分別為：17.8，17.3，19.4。LF爐進(jìn)站分別波動(dòng)在44-67，59-63，31-41；平均值分別為：58.9，61.6，35.1。 LF爐出站分別波動(dòng)在58-95，60-65，32-43；平均值分別為：71.4，62.3，35.6。 連鑄分別波動(dòng)在72-110，86-98，43-61；平均值分別為：91.2，92.3，50.0。

2.1轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程氮含量變化影響

2.1.1轉(zhuǎn)爐脫氮與脫碳的關(guān)系

轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程鋼液脫氮主要是依靠C-O反應(yīng)生產(chǎn)生成CO氣泡，氮通過(guò)CO氣泡攜帶出鋼液。頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程脫碳的三個(gè)不同階段對(duì)應(yīng)不同的脫氮速度。

吹煉前期由于熔池中硅錳先氧化，C-O反應(yīng)較弱，熔池?cái)嚢枇^小，脫氮速度很小。吹煉中期隨著C-O增強(qiáng)直至達(dá)到峰值，熔池產(chǎn)生大量的CO氣泡將鋼液中的氮脫除，鋼中氮含量降至較低值。吹煉末期隨C-O反應(yīng)強(qiáng)度降低，生成的CO量少，此時(shí)外部空氣壓力大于生成的CO壓力，在氧槍火點(diǎn)區(qū)易造成增氮，但吹煉末期渣中氧化鐵含量的增加爐渣起泡空氣不會(huì)被大量吸入。因此轉(zhuǎn)爐正常的吹煉過(guò)程鋼中不會(huì)造成大量增氮。

2.1.2轉(zhuǎn)爐底吹對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量的影響

根據(jù)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，底吹N2強(qiáng)度控制在0.030Nm3/（min·t）以下時(shí)，鋼中氮含量完全可以保持在純氧頂吹鋼含氮量的水平，但當(dāng)供氮強(qiáng)度大于0.030Nm3/（min·t）時(shí)，鋼中含氮量將明顯增加［2］。特鋼廠120噸轉(zhuǎn)爐目前底吹供氮強(qiáng)度約為0.028 Nm3/（min·t），因此不會(huì)造成鋼中氮含量異常升高。

2.1.3出鋼口對(duì)鋼中氮含量的影響

轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，出鋼口的壽命及形狀對(duì)吸氮量有重要影響。出鋼口使用初期，由于出鋼時(shí)間較長(zhǎng)，鋼水與大氣接觸比表面積較大，易造成吸氮；使用后期，由于出鋼過(guò)程鋼液散流，也易造成吸氮量增加，以上兩種情況增氮量一般為5-7ppm，所以要加強(qiáng)出鋼口后期的維護(hù)。

2.1.4轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程對(duì)氮含量的影響

（1）增碳劑對(duì)鋼液中氮含量的影響。目前特鋼廠所使用的增碳劑有兩種：電化焦（煅后石油焦增碳劑）及低氮低硫增碳劑，含氮量分別約為3000ppm、300ppm。統(tǒng)計(jì)結(jié)果中45、40Cr與80鋼進(jìn)站N含量較轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)分別升高41.1ppm、44.3ppm、15.7ppm。因45、40Cr鋼使用電化焦，而80鋼使用低氮增碳劑，雖不是全部由增碳劑影響，但足以說(shuō)明電化焦增氮較低氮增碳劑嚴(yán)重。

（2）出鋼脫氧對(duì)鋼液氮含量的影響。根據(jù)文獻(xiàn)研究，出鋼后鋼中鋁含量對(duì)出鋼過(guò)程鋼液增氮量有較大影響，隨鋼液中的鋁含量增加，增氮量有增大趨勢(shì)。這是由于鋼液中氮達(dá)飽和之前，鋁能促進(jìn)鋼液吸氮，同時(shí)鋁脫氧鋼液中的溶解氧快速降低，也為吸氮?jiǎng)?chuàng)造了良好的條件［2］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果中所列45、40Cr和軋材試樣分析結(jié)果超標(biāo)的20Cr（ALs：50-120PPm）、20CrMnTiH（ALs：200-300PPm）等優(yōu)鋼均為鋁脫氧，且鋼中鋁含量不同，20CrMnTiH由于鋼中Als較45、40Cr、20Cr鋼高，因此出鋼過(guò)程增氮量較高。而80鋼為硅脫氧，鋼中Als可以忽略不計(jì)，因此其出鋼過(guò)程增氮量也較低。

（3）鋼包對(duì)出鋼氮含量的影響。轉(zhuǎn)爐出鋼前鋼包內(nèi)充滿(mǎn)大量空氣，出鋼前期極易造成增氮。

2.2LF精煉對(duì)氮含量的影響

2.2.1LF精煉前期造渣對(duì)氮含量的影響

在LF爐精煉前期加入大量渣料，由于加入的渣料沒(méi)有化開(kāi)形成較大的間隙，形成鋼液吸氮的通道，化渣過(guò)程氬氣量較大，致使脫氧良好的鋼液不斷與空氣接觸，加快了吸氮的速度。

2.2.2電弧電離對(duì)鋼液增氮的影響

在電極加熱時(shí)，電弧作用到鋼液上時(shí)，這部分鋼液比其它部位的鋼液溫度高，超過(guò)2300℃。而當(dāng)鋼液溫度超過(guò)2130℃時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：N2=2N（g） （1）

N（g）＋Q=［N］ （2）

在渣鋼界面存在大量被電離的［N］，隨著氧、硫在鋼中的濃度急劇下降，吸氮趨勢(shì)加強(qiáng)。被電離的［N］在裸露區(qū)域被鋼液吸入，鋼液中氮含量增加。

2.2.3喂鈣線對(duì)鋼液增氮的影響

精煉結(jié)束后，進(jìn)行Ca處理過(guò)程中，會(huì)造成一定的增氮量，主要是由于Ca氣化形成Ca氣泡將鋼液面吹開(kāi)，造成裸露的鋼液從空氣中吸氮而產(chǎn)生的。如果渣層較厚鈣線穿過(guò)渣層進(jìn)人鋼液反應(yīng)而不把鋼液面吹開(kāi)，就有可能避免裸露鋼液吸氮。

2.3連鑄澆注對(duì)氮含量的影響

特鋼廠連鑄機(jī)鋼包到中間包之間的鋼水保護(hù)采用大包長(zhǎng)水口加氬氣密封和中間包加覆蓋劑保護(hù)鋼液。由于鋼包下水口和長(zhǎng)水口之間鋼水的快速流動(dòng)，使得期間產(chǎn)生負(fù)壓，在它們的接縫處鋼水容易吸氣。鋼水在中間包內(nèi)液面面積很大，如果與空氣接觸會(huì)產(chǎn)生大量的吸氮。中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口加連鑄保護(hù)渣對(duì)鋼液進(jìn)行保護(hù)澆注，浸入式水口與中間罐上水口的接縫處容易吸氮，保護(hù)渣加入的不規(guī)范也會(huì)造成吸氮。Thomas J等人研究表明，鋼液由鋼包至中間包過(guò)程，無(wú)保護(hù)澆注時(shí)，鋼液增氮17ppm；長(zhǎng)水口保護(hù)澆注，鋼液增氮14ppm；長(zhǎng)水口加氬氣保護(hù)澆注，鋼液增氮3ppm，而無(wú)氬封且中間包鋼液不良好被渣覆蓋，增氮更為嚴(yán)重，為28ppm。所以保護(hù)澆注系統(tǒng)的完善程度決定了該階段的保護(hù)工作是連鑄防止增氮的主要任務(wù)。

2.4真空脫氮

通過(guò)VD、VOD、RH等真空脫氣精煉手段，可以去除一定的氮含量，一般脫氮率約25%。

3　各工序防止增氮的改進(jìn)措施

除采取真空脫氣外，特鋼廠各工序控制氮含量采取如下措施。

（1）控制轉(zhuǎn)爐底吹供氮強(qiáng)度不大于0.030Nm3/（min·t）。（2）生產(chǎn)低氮鋼時(shí)選在出鋼口壽命中期時(shí)生產(chǎn)，并選用低氮增碳劑進(jìn)行增碳。生產(chǎn)高鋁鋼種，出鋼前1分鐘應(yīng)將鋼包底吹氬氣開(kāi)通排除空氣；出鋼時(shí)可采取先加小部分鋁鐵、再加合金、最后加鋁錠的方式；也可以采用出鋼不加或少加含鋁材料、出完鋼后喂入鋁線脫氧的方式，減少增氮量。（3）優(yōu)化轉(zhuǎn)爐頂渣改質(zhì)，提高進(jìn)精煉時(shí)的頂渣熔化效果；造好泡沫渣；及時(shí)調(diào)整除塵閥，保證爐內(nèi)微正壓，減少電弧區(qū)鋼液的增氮。（4）生產(chǎn)優(yōu)鋼時(shí)保證有足夠的LF爐渣量，優(yōu)化喂線速度來(lái)改善喂線效果，避免劇烈噴濺，降低鋼液吸氮量。（5）控制合適的長(zhǎng)水口氬封吹氬量，保證穩(wěn)流器內(nèi)鋼水不大翻但要看見(jiàn)蠕動(dòng)而不裸露。鋼包和中間包覆蓋劑良好覆蓋鋼液面；中間罐蓋周?chē)可夏突鹉?；開(kāi)澆前中間包通氬氣；較高的鋼包自開(kāi)率；采取先上鋼包保護(hù)套管再開(kāi)澆；勤加、少加、均勻加入保護(hù)渣；采用內(nèi)裝水口；改進(jìn)密封形式和優(yōu)化操作來(lái)保證浸入式水口和中間罐下水口的密封效果等措施，降低連鑄系統(tǒng)增氮。

4　取得效果

除未采用真空脫氣外，通過(guò)分鋼種采取以上其中的多項(xiàng)措施，近期對(duì)軋材20Cr、45、40Cr、20CrMnTiH等含鋁鋼種近150爐軋材取樣分析結(jié)果匯總，20Cr、45、40Cr氮含量分析結(jié)果在67-98ppm之間，20CrMnTiH氮含量分析結(jié)果在78-120ppm之間，基本滿(mǎn)足目前凌鋼用戶(hù)的使用需要。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)各工序增氮影響因素分析，對(duì)降低各工序過(guò)程增氮提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐表明，鋼中氮含量比優(yōu)化前降低13-38ppm，可有效降低各工序的增氮量，為生產(chǎn)對(duì)鋼中氮含量有要求的鋼種提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］譙明亮.轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程鋼液中氮含量變化研究與分析［J］.江蘇冶金，2008，36（3）:11-12.

［2］李晶.LF爐精煉技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2012（9）.

作者簡(jiǎn)介：賈文軍（1974.5-），男，漢，遼寧凌源人，本科，凌源鋼鐵股份有限公司優(yōu)特鋼事業(yè)部特鋼廠高級(jí)工程師，研究方向：轉(zhuǎn)爐、LF爐、脫硫工藝及新品種鋼開(kāi)發(fā)的技術(shù)和管理。