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        高合金鋼中氮含量控制分析

        2019-09-23 11:05:08左小坦陳永峰陶群南趙夢(mèng)靜楊樹(shù)峰李京社汪易航
        工業(yè)加熱 2019年4期
        關(guān)鍵詞:鋼液連鑄工裝

        左小坦,陳永峰,陶群南,趙夢(mèng)靜,楊樹(shù)峰,李京社,汪易航

        (1.蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司,安徽蕪湖241002;2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083;3.高端金屬特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

        隨著冶金技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)鋼材的深沖性、高強(qiáng)度、高溫塑性提出了更嚴(yán)格的要求[1]。鋼中的氮元素在大多數(shù)情況下被認(rèn)為是雜質(zhì)元素[2],當(dāng)鋼中以游離狀態(tài)存在的氮含量偏高時(shí),鋼從高溫下冷卻較快,鐵素體會(huì)被飽和,長(zhǎng)時(shí)間放置,使鋼材的脆性增加[3]。鋼中過(guò)飽和的氮與合金元素會(huì)生成氮化物,削弱了合金元素的作用。氮含量高,在凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏析,由凝固的邊緣析出到中心部分,濃度逐漸增大,增加了中心偏析和孔隙出現(xiàn)的可能,降低鋼材的使用年限。因此,有效的控制鋼中氮含量對(duì)于提升鋼材品質(zhì)有著不可或缺的影響。為了提高某鋼廠氮含量的整體控制水平,對(duì)煉鋼過(guò)程中氮含量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,得出相應(yīng)的解決辦法,有效降低了鋼水過(guò)程增氮,降低了成品鋼中氮含量。

        某公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)優(yōu)特鋼的基地,主要產(chǎn)品有:管坯用鋼20、37Mn5、34CrMo4 等,鍛造用鋼50Mn、42CrMo4等、高合金鋼9Cr5Mo-2、MC5、5H12、1.2367等系列,其中高合金鋼氮含量超標(biāo)是影響該公司產(chǎn)品質(zhì)量提升主要因素之一。為了提高鋼材的整體控制水平,本文利用在各工序和相關(guān)工藝環(huán)節(jié)所取試樣,對(duì)氮的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析,確定各工序及工藝環(huán)節(jié)氮的主要來(lái)源,確定增氮的主要工序或工藝環(huán)節(jié)并提出改進(jìn)建議。通過(guò)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證,達(dá)到降氮的目的。

        1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        通過(guò)專業(yè)取樣器可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)及工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣分析,通過(guò)后續(xù)的加工及氧氮分析儀可準(zhǔn)確分析出氮含量的變化,取樣方案見(jiàn)表1。

        表1 取樣方案

        2 鋼液吸氮機(jī)理

        2.1 氮在液態(tài)鋼水中存在形式

        氮以以下兩種形式在液態(tài)鋼水中存在:自由狀態(tài)的氮原子;結(jié)合狀態(tài)的氮離子(如AlN,TiN)。自由狀態(tài)下氮原子[N]在鋼液中的溶解度遵循西華特定律[4-5]:

        式中:k1為N 的反應(yīng)平衡常數(shù);a1為N 的活度;f1為N 的活度系數(shù);P1為N2分壓,Pa;w(N)為鋼液中的氮含量。

        由式(3)可知,溫度、氣相氮分壓、鋼中化學(xué)成分都會(huì)對(duì)引起自由氮原子在鋼中溶解度的變化。氮溶解于鋼液屬于微弱的吸熱反應(yīng),鋼液升溫會(huì)使鋼中氮的溶解度增加。

        式(1)僅適用于氮含量沒(méi)有飽和的情況下,若氮含量飽和,同時(shí)鋼液中有與氮親和力大的元素,那么以結(jié)合狀態(tài)存在的氮離子就會(huì)在鋼液中生成氮化物[6]。

        式中:K2為XN 反應(yīng)平衡常數(shù);a2為XN 的活度;a3為X的活度。

        此時(shí)氮的溶解度應(yīng)由下式表示:

        由式(5)可以看出,氮的溶解度不受氮分壓影響,與形成氮化物的元素有關(guān),并隨著其增加而減少。

        2.2 鋼液的吸氮過(guò)程

        鋼液吸氮過(guò)程包括熔煉過(guò)程的吸氮、出鋼過(guò)程吸氮、LF 過(guò)程吸氮、中間包及結(jié)晶器中吸氮。大氣中的氮,只要鋼液與大氣接觸就存在吸氮現(xiàn)象,而且鋼液氮含量越低,吸氮發(fā)生的可能性越大[7]。

        2.2.1 LF工序

        根據(jù)鋼液吸氮熱力學(xué)分析,1 600 ℃條件下,鋼液中氮的溶解度為400×10-6,通常情況下鋼液中氮含量遠(yuǎn)低于此值,因此鋼液從大氣中吸氮是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程[8]。控制LF 工序增氮的重要手段是抑制從大氣中吸氮的速率。當(dāng)LF過(guò)程吹A(chǔ)r 攪拌強(qiáng)度過(guò)大,鋼液出現(xiàn)無(wú)渣覆蓋的裸露現(xiàn)象時(shí),導(dǎo)致LF 過(guò)程鋼液從大氣的吸氮現(xiàn)象明顯[9]。因此優(yōu)化LF過(guò)程脫氧工藝和吹A(chǔ)r攪拌工藝,防止鋼液與大氣接觸,可降低鋼液從大氣吸氮的速度。

        2.2.2 VD工序

        VD 真空脫氮是高合金鋼精煉過(guò)程中脫氮的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其脫氮效果直接影響到成品氮含量高低。有研究表明:真空度、真空時(shí)間、真空吹氬量和真空處理前的鋼液[O]、[S]含量影響VD脫氮效果[8]。

        2.2.3 連鑄工序

        澆鑄過(guò)程包括鋼包→中包→結(jié)晶器過(guò)程。由于連鑄鋼液的脫氧較好,鋼液維持在較低的氧含量,鋼液接觸到大氣時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生吸氮現(xiàn)象。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 工序增氮量情況

        對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行取樣分析,結(jié)果如表2所示。

        表2 各工序氮含量變化

        因本次所取的試樣在鋼包吹氧、精煉進(jìn)站所取的試樣含孔洞較多未分析出,根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果主要對(duì)精煉出站、VD、連鑄試樣進(jìn)行了初步分析,通過(guò)分析精煉出站經(jīng)VD 處理降氮量在27.2×10-6左右,VD 出站到連鑄試樣數(shù)據(jù)分析,連鑄澆鑄過(guò)程增氮量在17.4×10-6,較其它鋼廠連鑄過(guò)程吸氮量較大。

        3.2 連鑄工裝情況

        現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連鑄密封工裝進(jìn)行了相應(yīng)的檢查,具體如圖1所示。

        圖1 連鑄密封狀態(tài)

        從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看,連鑄密封保護(hù)效果較差,并且在澆鑄時(shí)采用分體式水口,多處存在鋼水在澆鑄時(shí)二次與空氣接觸情況。

        3.3 連鑄工裝優(yōu)化

        加強(qiáng)連鑄密封保護(hù)澆注措施,對(duì)連鑄的工藝工裝部分進(jìn)行改進(jìn),大包套管密封圈、中間包包蓋、大包下水口尺寸設(shè)計(jì)、整體式浸入式套管的使用等方面進(jìn)行逐步的優(yōu)化,具體如圖2所示。

        圖2 連鑄工裝設(shè)備改造圖

        3.4 重點(diǎn)工序操作優(yōu)化

        3.4.1 精煉操作優(yōu)化

        (1)還原時(shí)間,時(shí)間控制在40~50 min,防止還原時(shí)間長(zhǎng)吸氮。

        (2)還原溫度大于1 560 ℃,防止低溫還原長(zhǎng)時(shí)間送電吸氮。

        (3)還原渣量控制白灰600~800 kg、螢石60~100 kg、鋁灰200 kg、堿度大于3。

        (4)還原脫氧劑用量按照具體鋼種執(zhí)行。

        (5)出站20 min前調(diào)整精煉終渣的流動(dòng)性。

        3.4.2 VD操作優(yōu)化

        (1)入VD條件:自由空間≥800 mm以上;溫度可按上限要溫,鋼液硫必須小于0.005%。

        (2)根據(jù)協(xié)議氮含量要求的鋼種適當(dāng)延長(zhǎng)極限真空保持時(shí)間,控制在25~30 min。

        (3)VD 達(dá)到真空保持時(shí)間時(shí)調(diào)大氬氣流量,使鋼液盡量裸露于真空脫氣狀態(tài),破空時(shí)氬氣調(diào)節(jié)盡量小,破空后氬氣調(diào)節(jié)滿足軟吹狀態(tài),其他按現(xiàn)有工藝執(zhí)行。

        3.4.3 連鑄操作優(yōu)化

        (1)大包下水口與大包套管垂直以及氬氣保護(hù)澆注。

        (2)中包澆注過(guò)程黑液面操作。

        (3)結(jié)晶器澆注過(guò)程黑液面操作、中包下水口與浸入式套管對(duì)中澆鑄。

        4 工藝驗(yàn)證

        通過(guò)對(duì)各工序操作進(jìn)行優(yōu)化,N 含量控制取得了一定的成效,如表3、圖3所示。

        表3 工藝優(yōu)化后各工序氮含量變化

        圖3 工藝優(yōu)化后各工序氮含量變化

        從表3、圖3可知,通過(guò)優(yōu)化LF爐操作,提高VD抽真空降氮的能力并對(duì)VD 工藝進(jìn)行優(yōu)化,針對(duì)9Cr5Mo鋼種,VD爐的脫氮率較優(yōu)化前有大幅度的提高,VD脫氮率由21.8%提升到40.5%以上。連鑄通過(guò)工裝、工藝的改造優(yōu)化,密封保護(hù)措施大幅度提高,整體連鑄平均增氮量由之前17×10-6左右降至(2~4)×10-6。

        5 結(jié) 論

        (1)根據(jù)江陰華潤(rùn)制鋼各工序的調(diào)查及數(shù)據(jù)分析,LF 出站在(70~110)×10-6,VD 出站(40~70)×10-6,連鑄中間包(60~90)×10-6;主要是高合金鋼氮含量偏高,過(guò)程控制較難,導(dǎo)致后續(xù)連鑄坯上氮含量超標(biāo)。

        (2)針對(duì)華潤(rùn)的工裝及工藝情況,在冶煉高合金鋼時(shí)降低氮含量主要在VD 爐和連鑄上進(jìn)行控制。VD 提高脫氮速率主要是通過(guò)LF 爐較好的精煉來(lái)提高鋼水純凈度保證VD爐的脫氮速率;鋼水在連鑄澆鑄時(shí)主要是控制鋼水的吸氮速率。

        (3)對(duì)江陰華潤(rùn)制鋼9Cr5Mo、5H12 等高合金鋼通過(guò)低氧、低硫冶煉,適當(dāng)延長(zhǎng)VD 真空時(shí)間,該鋼種經(jīng)取樣氮含量均低于80×10-6,VD 脫氮率可控制在30%以上。

        (4)連鑄上通過(guò)控制大包長(zhǎng)水口的吸氮量及采用整體式浸入式套管,吸氮量可控制在≤10×10-6。

        (5)對(duì)于控氮,爐外精煉的核心控制點(diǎn)是使鋼水中氧、硫元素盡量的低,進(jìn)VD罐適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)真空時(shí)間,真空穩(wěn)定時(shí)低吹氬流量調(diào)大;連鑄核心控制點(diǎn)是大包水口與長(zhǎng)水口的密封性。

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