謝云飛 葉成立 曾 杰 楊先芝 李福浩 張 健 金 楊

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

從20世紀(jì)80年代引進(jìn)技術(shù)后，國內(nèi)重機(jī)廠陸續(xù)在生產(chǎn)核電站壓力殼用鋼上采用控N、控Al操作，就是為了在鋼中形成細(xì)小分散的AlN顆粒，以阻止奧氏體加熱時的長大，通過細(xì)化晶粒獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整與技術(shù)要求的提高，更多產(chǎn)品上逐步開始采用控N操作才達(dá)到日益嚴(yán)格的產(chǎn)品性能要求。

1 鋼包爐加氮化合金給鋼水增氮的劣勢

一直以來，公司在鋼水增氮時均采用真空后向鋼包精煉爐內(nèi)加入氮化合金(主要有氮化鉻、氮化錳)的方式來控制，此種方法存在以下缺點(diǎn)：

1.1 加氮化合金增氮時氮的收得率低，不利于鋼包爐終點(diǎn)氮的控制

由于氮化合金存在氮含量高、密度小、分解溫度低等特點(diǎn)，造成氮化合金收得率較低且不穩(wěn)定，較難達(dá)到工藝中對N設(shè)定的目標(biāo)要求。圖1是在w[Cr]≤0.20%的低合金鋼中加氮化合金增氮的收得率結(jié)果。從圖中可以看出，N的收得率較低且非常不穩(wěn)定。

在實際生產(chǎn)過程中，使用氮化鉻增氮比氮化錳收得率高。因此，為了更多地使用氮化鉻給鋼水增氮，就需要電爐粗煉鋼水時將鉻含量控制在一個較低的范圍內(nèi)，這種工藝不僅會增加一定的冶煉成本，還時常因電爐吹鉻而打亂生產(chǎn)節(jié)奏。

1.2 加氮化合金影響鋼水純凈度

一般氮化合金在真空后加入，在鋼水脫氧脫氣良好的情況下加入大批量合金，存在鋼水污染的風(fēng)險。特別是氮化錳合金，馬紹華等人[1]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，氮化錳增氮后，鋼中的夾雜物含量比用氮化鉻增氮大幅度增加[在煉鋼廠現(xiàn)場操作過程也發(fā)現(xiàn)，加入氮化錳后，爐渣顏色由灰白轉(zhuǎn)為棕黃色(爐渣顏色越深，鋼水氧含量越高)。所以，真空后加入氮化合金，可能會造成鋼中氣體含量和夾雜物增加，延長真空后的冶煉時間，降低鋼水純凈度。

1.3 氮化合金增氮成本較高

氮化合金是用相應(yīng)的合金固態(tài)滲氮制備的，價格一般比對應(yīng)的合金高50%左右，對于高氮的不銹鋼，成本會大幅度增加，而氮?dú)馐且环N比鋼包爐最常用的氬氣更為廉價的氣體，在控制成本方面優(yōu)勢明顯。

表1 氬氣、氮?dú)鈬覙?biāo)準(zhǔn)要求Table 1 National standard requirements of argon and nitrogen

表2 測量結(jié)果Table 2 Test results

表3 底吹氮?dú)鈮毫?、流量對增氮影響的方案Table 3 The influence of pressure and flow rate on nitrogen increasing by bottom blowing nitrogen

近10年，大型鍛件用鋼錠等級在不斷增大，與之相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量等級也在不斷提高。比如許多核電鍛件的UT檢測等級從之前的密集≤?3 mm、單個≤?5 mm提高至密集≤?2 mm、單個≤?3 mm，部分產(chǎn)品甚至要求MT檢測零顯示，與此同時這些產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)也均靠近材料極限。這就迫使我們不得不進(jìn)行工藝技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步降低鋼錠夾雜物及氧含量、穩(wěn)定控制鋼水中N含量；另一方面，市場競爭日趨激烈，各主機(jī)廠對于產(chǎn)品價格的比拼也越發(fā)白熱化。因此，一種既提升產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低生產(chǎn)成本的控制鋼水N含量的工藝至關(guān)重要。

2 鋼包爐底吹氮?dú)饧夹g(shù)方案

國內(nèi)各大鋼廠對鋼包精煉爐底吹氮?dú)庠龅M(jìn)行了廣泛的研究，并推廣使用。呂學(xué)飛[2]、韓鐵水[3]、劉曉峰[4]、董大西[5]等在LF爐上對低合金鋼底吹氮進(jìn)行了試驗研究；時彥林[6]、湯旭煒[7]等對高合金不銹鋼進(jìn)行了實驗研究。

受此啟發(fā)，煉鋼工藝攻關(guān)項目組準(zhǔn)備在煉鋼廠150 t鋼包精煉爐上進(jìn)行試驗，將鋼包爐底吹氮?dú)夂辖鸹夹g(shù)進(jìn)行應(yīng)用。

2.1 煉鋼廠氬氣、氮?dú)夂繉Ρ确治?/h3>

2.1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)對氣體要求

氬氣、氮?dú)鈬覙?biāo)準(zhǔn)要求見表1。

2.1.2 測定方法

2.1.3 測定結(jié)果

測量結(jié)果見表2。

2.1.4 結(jié)果分析

從測量結(jié)果來看，我廠的氬氣和氮?dú)夂肯喈?dāng)。假設(shè)底吹氬氣或氮?dú)庵械乃秩勘环纸獠⑽铡５状禋怏w含水密度約為0.1 gm3，100 t鋼水冶煉4 h，流量為100 Lmin，通過底吹氣體增加的H含量=氫氣總質(zhì)量鋼水量=(4×60×100)÷1000×0.1×(2÷18)÷108=0.0027×10-6，其中，(2÷18)為1 mol水氣中的氫含量。

綜上分析，通過底吹氣體向鋼水增H量可以忽略不計，可以使用氮?dú)庀蜾摪鼱t內(nèi)增氮。

2.2 產(chǎn)品實驗的開展

根據(jù)不同產(chǎn)品的質(zhì)量要求，項目組選擇在非核電產(chǎn)品A、B鋼種上開展試驗研究摸索出鋼包爐最佳的吹氮壓力、流量以及吹氮時間。試驗時將管道氬氣換成管道氮?dú)?現(xiàn)在煉鋼廠已為各鋼包爐鋪設(shè)管道氮?dú)?，設(shè)置不同的吹氮壓力和流量，每隔15 min取樣，持續(xù)吹氮30 min～45 min，然后視N含量決定是否繼續(xù)試驗。在試驗中，吹氮流量及壓力適時根據(jù)鋼水量、實際攪拌效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；真空處理時在保證設(shè)備正常運(yùn)行的原則下，盡量開大吹氮流量，保證真空處理脫氧、脫氫效果；真空后吹氮則以保證鋼液面不裸露在空氣中減少鋼水吸氣為原則。試驗方案見表3。

通過以上實驗，項目組得出了煉鋼廠150 t鋼包精煉爐真空后的最佳吹氮壓力為0.4 MPa～0.8 MPa，吹氮流量200 Lmin～300 Lmin，在此吹氮壓力和流量條件下，鋼液面可達(dá)到微微蠕動，不裸露在空氣中，既能滿足鋼包軟吹均勻鋼水溫度、去除夾雜物的目的，又能最大限度的減少鋼水吸氫、吸氧。

表4 兩種增氮方式對鋼水終點(diǎn)氮控制的影響Table 4 Effect of two nitrogen increasing methods on nitrogen control at the end point of molten steel

表5 鋼包爐底吹氮前后鋼水氧含量變化(×10-6)Table 5 Change of oxygen content of molten steel before and after nitrogen blowing at ladle bottom(×10-6)

表6 兩種增氮方式成本對比Table 6 Cost comparison of two nitrogen-increasing methods

2.3 推廣應(yīng)用情況

2.3.1 鋼包爐底吹氮對終點(diǎn)氮控制的影響

N作為一種氣體元素，在鋼中的溶解遵循西華特定律[8]，受鋼中多種合金元素影響，氮在鋼液中的溶解反應(yīng)可表示為：

平衡常數(shù)：

式中，fN為N的活度系數(shù)，PN2為氮?dú)夥謮?，P0為反應(yīng)氣壓。

由于我廠生產(chǎn)大型鋼錠時均采用的是鋼包爐真空精煉+鑄錠真空澆注的雙真空路線，在鑄錠進(jìn)行真空澆注時，氮在鋼液中的溶解反應(yīng)氣壓PN2降低，N在鋼水中的溶解度減小，鋼水中的氮含量會因為真空鑄錠過程而有所損失。因此，中低合金鋼一般工藝均要求在鋼包爐時將N控制在一定范圍內(nèi)，以保障鍛件產(chǎn)品的氮含量。

2.3.2 兩種增氮方式對鋼水終點(diǎn)氮控制的影響

項目組經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，采用鋼包爐底吹氮?dú)鈱︿撍龅Ч黠@，鋼水終點(diǎn)氮含量更能穩(wěn)定地達(dá)到工藝要求。從表4可以看出，鋼包爐采用新的增氮工藝后所有爐次鋼水終點(diǎn)氮均達(dá)到工藝要求，終點(diǎn)氮平均值比原工藝提高33×10-6，提高幅度達(dá)24.8%。

2.3.3 鋼包爐底吹氮對鋼水純凈度的影響

同時，項目組分鋼種對鋼包底吹氮前后鋼水氧含量進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表5。從表5可以看出，鋼包爐底吹氮前后鋼水氧含量均控制在低于20×10-6的較好水平，吹氮前后氧含量基本變化不大，由此可以說明，新的鋼包爐增氮工藝能將鋼水中氧含量控制在較低范圍內(nèi)，為優(yōu)質(zhì)鋼錠的生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。

采用新型鋼包爐增氮工藝后，產(chǎn)品UT檢測全部合格。

2.3.4 鋼包爐底吹氮與合金增氮成本對比分析

表6對當(dāng)前公司生產(chǎn)的典型中低合金鋼(核電SA-508和MND5系列等鋼)采用兩種工藝進(jìn)行增氮成本的對比分析。從表7可知，采用原工藝氮化合金給鋼水增氮時，噸鋼成本為55.49元，采用新工藝鋼包爐底吹氮給鋼水增氮時，噸鋼成本僅28.45元，噸鋼可節(jié)約27.04元。

3 結(jié)語

采用新型鋼包爐增氮工藝對比原合金增氮工藝，在終點(diǎn)氮控制的穩(wěn)定性、鋼水純凈度及成本消耗上都更具有優(yōu)勢。新型鋼包爐增氮工藝是一種既提升產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低生產(chǎn)成本的先進(jìn)工藝，值得推廣。