胡井濤，王 顯，朱祥亮

（河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司第二鋼軋廠，河北 唐山 063016）

ER70S-6 鋼盤條是CO2氣體保護實心焊絲的主要原料。目前已在汽車制造、機車和化工機械、農業(yè)機械等部門得到廣泛應用。氣保焊絲鋼為滿足客戶不經過中間退火，直接由Φ5.5 mm 拉拔至Φ0.8 mm的要求，必須做到化學成分均勻，非金屬夾雜物低，鋼質均勻，金相組織均勻。生產實踐證明氮含量對氣保焊絲的拉拔性能影響巨大[1]。氮作為固溶強化元素，能夠提高鋼材的強度，作為間隙原子，會顯著降低鋼材的塑性、韌性，使鋼材的脆性增加，提高拉拔過程的機械性能，降低拉拔過程的面縮率[2]。因此，控制氣保焊絲鋼生產過程氮含量就顯得尤為重要。

1 氮在鋼中的溶解度

1.1 鐵水中氮的溶解度

氮的溶解反應[2]：

服從西華特定律：

式中：KN為氮分壓為100 kPa 時，純鐵液中的氮溶解度反應的平衡常數；PN2為純鐵液外的氫分壓，kPa。

KN與絕對溫度間關系可表示：

氮在純鐵中的溶解度與溫度和分壓的關系：

氮的溶解度可表示[4]：

式（3）在計算溶解度時適用于不產生氮化物的鋼液。也可以看出，氮在鐵水中的溶解度受元素影響，鐵水中由于碳含量高，氮含量（質量分數）一般在（40～60）×10-6。

1.2 轉爐吹煉過程氮的溶解度變化

轉爐吹煉過程中各元素被分步氧化，含量逐漸降低。冶煉ER70S-6 鋼315 爐次終點的成分平均值如表1 所示。

表1 ER70S- 6 樣本終點成分平均值 %

轉爐吹煉過程各元素含量不斷降低，由于鐵水V、Cr 含量遠低于C 含量，根據式（3）可以得出，鋼水中氮的溶解度呈現(xiàn)增加的趨勢，吹煉至終點時鋼水中飽和氮溶解度＞300×10-6，考慮合金化時氮化物的生成，鋼水中的氮的溶解度會更高。實際生產過程，轉爐終點w（N）＜50×10-6，遠未達到飽和氮溶解度，鋼水與空氣接觸，吸氮是自發(fā)進行。

2 氮含量控制

氣保焊絲ER70S-6 鋼中氮主要來源于自身的氮（鐵水自身及原料加入帶入）和與空氣發(fā)生的自發(fā)吸氮反應（如在拉碳、出鋼等冶煉過程）。由于此鋼種的冶煉過程中不進行真空處理，提高轉爐煉鋼過程碳氧反應脫氮作用就顯得尤為重要。

2.1 轉爐煉鋼脫氮

碳排出速度與脫碳反應速率的關系式[5]：

栽培是中藥材GAP管理的重要內容,對藥材道地性和穩(wěn)定性有著重要作用。針對甘草多年來栽培不科學問題,本研究在保證各栽培措施相同的前提下,設立了4個不同播種時間,以產量和各項生長指標作為評價因子,確定甘草的最佳育苗播種時期。試驗結果表明：播種期對甘草的出苗及生長成苗、產量等都有影響，其中對生長成苗和產量影響較大。播種期過早，甘草苗在萌發(fā)、出苗及前期葉片迅速生長期易受環(huán)境低溫影響；適當推遲播種期，甘草苗受春季低溫影響較小，甚至不受影響，葉片迅速生長形成，同化器官形成良好，有利于形成較高的產量。綜合分析可以看出，甘草露地育苗最佳播種期應選擇5月中旬—6月底。

脫氮與脫碳密切相關。脫碳產生的CO 氣泡為脫氮提供了反應界面的同時還減少了氮分壓，可以說CO 量是影響脫氣的關鍵。

由式4 可以得出，脫碳反應速度決定脫氮反應速度，脫碳持續(xù)時間決定脫氮反應時間。吹煉前期為錳硅脫氧反應，不進行脫氮反應；吹煉中期隨著溫度升高，碳氧反應速度增加，產生的CO 量增加，脫氮反應不斷加劇；吹煉后期，隨著碳含量的降低，碳氧反應逐漸減弱，雖然鋼水中的氧含量逐漸升高占據氮氧反應界面，但吹煉反應界面溫度高于2 600 ℃，鋼水中氧對脫氮、吸氮的影響減小，基本可以忽略，吹煉過程鋼水卷入空氣后，會出現(xiàn)自發(fā)吸氮現(xiàn)象[3]。

廢鋼內的碳含量遠低于鐵水的碳含量，所以提高鐵水比例有力于提高熔池中的碳含量。但是，過高的鐵水比例會造成物理熱化學熱過大，吹煉過程溫度過高，反應劇烈，造成溫高反干，使鋼水暴露在空氣下，后期碳氧反應減弱時反而容易造成吸氮，同時會造成終點成分不合，給操作帶來困難。如表2 所示，對廢鋼加入比例進行優(yōu)化，廢鋼從原來的85%提高至92%左右，最大限度的提高熔池反應。

表2 廢鋼比與終點氮（質量分數）的影響

由于轉爐吹煉后期碳含量降低，吹煉過程存在吸氮反應，終點碳含量對轉爐終點氮存在影響如圖1。終點碳為0.11%時，終點氮最低為20×10-6；隨著終點碳的降低，碳氧反應減弱，終點氮逐漸增加，終點碳為0.04%時，氮含量為30×10-6；隨著終點碳升高，碳氧反應產生CO 脫碳作用未充分發(fā)揮，終點氮也會增加。由于氣保焊絲ER70S-6 鋼成品w（C）≤0.1%，LF 爐精煉和澆鑄過程存在增碳現(xiàn)象，終點C控制目標不能過高要求0.030%～0.055%，低碳出鋼控制鋼水基礎氮含量顯得尤為重要。

圖1 終點碳對鋼水氮含量影響圖

吹煉終點碳低狀態(tài)下，鋼水吸氮主要是吹煉過程鋼水卷入空氣，空氣中的氮與鋼水發(fā)生界面反應造成的氮含量增加。保證吹煉中后期化渣效果，鋼液表面良好的泡沫渣可有效隔絕鋼水，有利于降低鋼水基礎氮，吹煉中期發(fā)現(xiàn)爐渣返干，及時提高槍位，加入適量鐵皮球或礦石降低熔池溫度減緩熔池碳氧反應，提高渣中氧化鐵含量，促進化渣形成泡沫渣；吹煉后期爐渣返干，吊槍化渣，加入鐵皮球，強行化渣，提高泡沫渣覆蓋效果。

倒爐取樣測溫的前提是減弱泡沫渣發(fā)泡效果，如果一倒成分不合再次吹煉時，空氣會伴隨著吹煉過程混入鋼水，由于此時鋼水碳較低同時泡沫渣薄，碳氧反應脫氮效果低，鋼水中的氮含量會增加。統(tǒng)計96爐冶煉數據，按補吹時間長短，以10 s 為區(qū)間進行分組，如圖2 所示補吹時間與終點增氮量關系。補吹時間與終點增氮量基本成正比，補吹時間大于60 s，增氮量大于16×10-6。吹煉過程保證全程化渣效果，根據碳火焰判定一倒，保證磷、碳一倒合格，此外禁止倒爐前用氮氣吹掃渣子，防止增加氮分壓，鋼水增氮。

圖2 補吹時間與增氮量關系

轉爐底吹氬氣可以在鋼液中形成小氣泡，減少氮分壓，同時可以提高熔池攪拌強度，有助于氣泡上浮。吹煉前期溫度低，碳氧反應較小，氮的溶解度變化不大，氮的界面反應速度低，氮分壓的高低對吸、脫氮影響不大；隨著碳氧反應加劇，溶解度逐漸增加，溫度升高，氮的界面反應速度增加，降低氮分壓有助于脫氮，所以底吹氬氣有助于脫氮。同時考慮到氮氣和氬氣成本，冶煉氣保焊絲ER70S-6 鋼時選擇氮氬切換。下頁表3 為氮氬切換時間與終點氮的關系，從表中可以看出，3 min 與5 min 進行切換時，對終點氮影響不大，基本保持在24×10-6左右；7 min 進行氮氬切換，終點氧有所提高?，F(xiàn)場實際吹煉過程產生碳火焰在開吹3～4 min，氮氬切換時間設定為開吹5 min 進行切換，可以達到隨著碳氧反應深入進行，氬氣泡和CO 氣泡共同作用進行脫氮。

表3 氮氬切換時間與終點氮（質量分數）的影響

2.2 出鋼過程吸氮控制

鋼液吸氮是由三個步驟決定：氣體向鋼液表面擴散；吸附化學反應；氣體原子在鋼液中擴散。轉爐出鋼過程N2在鋼液表面的吸附是N2在鋼液中溶解的限制環(huán)節(jié)時，氮的溶解速度[3]：

式中：kN為氮在鋼液表面的吸附反應速率常數；1-θN為鋼液表面未被吸附物占據的面積分數（1-θN=ks，ko為吸附常數）。

氮在鋼液中的溶解速度與氮的分壓及界面上未被占據的活性點數1-θN成正比。

氣保焊絲ER70S-6 出鋼前后硫變化不大，由于終點w（C）要求較低＜0.05%，終點w（O）較高（800～1 000）×10-6，經過出鋼過程的脫氧合金化進行脫氧反應，w（O）控制在30×10-6，在此過程氮的溶解速度提高20～30 倍。因此，出鋼時，鋼水從轉爐至鋼包過程，鋼水氧含量高，鋼水單位面積與空氣接觸時間短，鋼水吸氮不大；但鋼流的高速運動將空氣帶入鋼水包內，隨著鋼水運動，空氣變成細小氣泡，加大了與鋼水接觸面積，隨著鋼水氧含量的降低，提高了氮的溶解速度，成為出鋼過程增氮的控制環(huán)節(jié)。出鋼過程脫氧劑及合金料要求晚加，出鋼量達到1/2 后加脫氧劑及合金料，同時不可大氣翻包，小氣量控制氣眼，減少脫氧后與空氣接觸吸氮。同時，脫氧強度不要過深，LF 精煉分擔脫氧任務，有利于降低鋼水氮含量，如表4 所示。

表4 脫氧與鋼水氮的關系 ×10- 6

2.3 LF 精煉過程控氮

LF 精煉流程：化渣—升溫—成分微調—軟吹。

鋼水進站后加入造渣料后通過電弧產生高溫逐步熔化，由于此時渣料未熔化渣層較薄，產生弧光區(qū)域溫度＞2 000 ℃，空氣中被電離的氮，與鋼水接觸后極易吸氮。隨著渣料熔化，通過加入發(fā)泡劑和還原劑作用，精煉渣發(fā)泡埋弧加熱，此時由于產生還原氣體及底吹氬氣作用將空氣進行隔絕，鋼水吸氮效果減弱。由于成分偏差需要進行成分微調，合金加入后為保證成分均勻需要大氣攪拌，攪拌過程一般不伴隨起弧，此時水冷爐蓋內的還原、惰性氣氛補充較少卷入空氣，鋼水吸氮量增加。鋼水中的氧在LF 爐精煉過程進一步降低，軟吹過程鋼水與空氣接觸后更容易吸氮。

1）轉爐出鋼1/2 后時加入石灰，通過鋼流沖擊、底吹攪拌將造渣料充分熔化，縮短LF 爐化渣時間；化渣過程加入50～60 kg 發(fā)泡劑，通過發(fā)泡劑分解反應產生CO2氣體隔絕空氣，可以降低化渣吸氮量（如表5 所示）。

表5 石灰與鋼水氮的關系

2）提高成分微調一次命中率，減少成分調整次數，縮短大氣攪拌造成鋼水卷入空氣和與空氣接觸時間，可有效降低鋼水接觸氮的量，從而降低鋼水增氮。

3）LF 生產節(jié)奏緊湊可以有效減少大氣翻包和降電極起弧次數，減少鋼水與空氣接觸時間，圖3為精煉周期與出站氮含量關系圖，LF 爐精煉周期＜55 min，出站w（N）高于50×10-6幾率減小。

圖3 精煉周期與出站氮含量關系圖

通過以上措施的落實，LF 爐精煉過程增氮量控制在5×10-6以內。

2.4 連鑄澆鑄過程控氮

氣保焊絲ER70S-6 在澆鑄時鋼水氧、硫含量低，由式（3）、式（5）可以得出鋼水吸氮是自發(fā)反應，同時吸氮反應速率高。保證澆注過程有效隔絕鋼水與空氣接觸是控制吸氮的必要手段。中包開澆前進行氬氣吹掃，保證中包開澆前中包內部為氬氣環(huán)境，可降低開澆過程鋼水與空氣接觸量，防止頭坯氮高。澆鑄過程采用氬封鋁碳長水口保護澆注，防止鋼水在澆注過程與空氣接觸吸氮；保證長水口垂直，插入深度100～200 mm，中包液面不得低于500 mm，防止?jié)沧⑦^程鋼水翻騰；大包不自流時，需要燒眼引流，鋼水下流后方可帶長水口，鋼流會與空氣接觸吸氮，所以引流砂加入時保證加入量充足，呈“饅頭”狀，確保大包自流率，防止燒眼引流；中包沖擊區(qū)采用氬封保護，保證中包液面不裸露，充分隔絕液面與空氣接觸。鋼水與空氣有效隔絕可有效降低澆注過程鋼水吸氮量，通過以上措施澆注過程鋼水吸氮量控制＜5×10-6。

3 結語

本文通過分析鋼水冶煉過程吸氮、脫氮機理，從控制轉爐原料加入、吹煉過程槍位控制，底吹切換時機的把握得出了脫氮措施；通過轉爐出鋼脫氧劑延后加入，LF 精煉、連鑄澆鋼過程有效隔絕鋼水與空氣接觸，可控制鋼水吸氮。通過措施的落實，氣保焊絲ER70S-6 氮質量分數＜50×10-6合格率達到了100%，提高了焊絲鋼的拉拔性能，滿足用戶要求。