鋼中氮的行為及控制機理相關問題討論

尚繼民

(東北特鋼集團北滿特鋼有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

1 氮的作用機理相關問題

有的學者提出鋼中氮的重要性，認為雖然在煉鋼過程中氮和其他有害元素組合，但也有其好的影響，因此努力使氮含量達到小于40ppm，并不合算。大部分技術條件規(guī)定高于此值，如干線用管要求＜80ppm，鍋爐板要求＜120ppm。某些用戶想得到超出技術標準條件的相當低的水平(＜20ppm)，這點肯定是可以達到的，但很可能是不經濟的。與其努力僅僅降低它，不如具有控制它達到規(guī)定要求的能力。氮化物和自由氮的各種有害的和有利的作用。很多人首先想到的是:“氮會引起時效應變問題”，可成型性也隨著氮含量增加而急驟下降，雖然0～10ppm的氮含量可改善成型性，但不可能經常把它控制到此水平。由強有力的氮化物形成元素如Ti，Al，B，V去除氮，能導致焊接熱影響區(qū)(如干線管)的分離問題，氮降低高溫塑性，雖然＞800℃后又提高了。本文列舉了氮的優(yōu)點，諸如提高了點腐蝕的臨界溫度，而且其固溶體的硬化作用大于磷和錳，隨著氮化物的增加軋材的屈服強度提高了，但相應地降低了可塑性和斷裂韌性。假如氮化物作為晶粒的提純器，那么它可能有改善缺口韌性的作用，而且在焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸可降至一定水平。認為假如把氮含量控制到0.006%，那么這種效果能優(yōu)于0.003%的氮含量。

有些學者對鋼液中氮的吸收和解吸收作用的熱力學和動力學討論做出了貢獻。在熱力學方面爭論不大，氮在純鐵中的溶解度是一定的，合金元素的作用，某些增加和某些降低溶解度也是眾所周知的，而Al在這個方面則是完全中立的。然而氮溶解的動力學，關于它是否是一次或二次過程則有較多的爭論。其速率的限定步調是:氣體物質傳遞、液體物質傳遞、邊界化學反應、混合控制。對一次反應，其吸收率于氮氣壓力的平方根成比例。有的學者指出:氮氣的吸收進入純鐵或有合金的鐵是一次反應，但隨后的研究則認為是另一回事，現(xiàn)在認為對純鐵是一次反應，而對有合金的鐵(有硫或氧)合金元素的濃度，可能是具有不同機制的二次反應。硫和氧對氮的吸附有顯著作用，當硫和氧較低時觀察到的一次行為，當合金元素濃度增高時其吸收變?yōu)槎畏磻?，解釋為當低濃度時氮的吸收被表面活性元素抑制了，而其機制是被傳質限制的，反之當高濃度時(＞0.1%)是由化學反應速度限制的，因此在低硫和低氧時氮是吸收大于高硫和高氧時，氮的吸收總是二次反應。有害元素(氧、硫、錫、銻)具有表面活性作用，它們會限制氧的吸收，而且它們對晶界都是有害的，夾雜物的變態(tài)和達到超純鋼肯定是同等重要的，發(fā)展趨勢不是盡可能生產極清潔的鋼，而是通過變態(tài)來對付現(xiàn)有水平的夾雜物。

2 鋼中氮與性能的關系

電弧焊的增氮試驗也適用于電弧爐。氧的存在進一步提高了氮在焊接金屬時的溶解度。實際上在焊接中發(fā)現(xiàn)被氧包圍比用氮氣保護時氮的含量高。對這種異乎尋常的行為的解釋沒有給以確認。氮含量的測定是相對容易的，但化合的氮則非常有問題。古典的化學濕法分析技術對實際煉鋼是太慢了。而今天的惰性氣體溶解工藝和光學發(fā)射光譜技術已普遍應用。后者的方法限于分析130ppm左右，這只對不銹鋼冶煉工作者有興趣。在試樣制備上，從試樣的深部取樣和切割工具的切削速度對試樣的氮含量有很大影響。在材料表面檢查吸收的氮比基體高。為了得到可靠的數據，試樣應該由＞0.01英寸深度處切取，而且要用快速切削法以接近真實數據。強調和鑒別氮的溶解和不溶解是一種工藝方法，這種方法對試驗結果分析更寬闊，并決定于對選擇試樣的處理方法。當交叉不同溶解技術時可能很難得到一致的結果，但進行對比是有用的。這種方法對煉鋼工作者來說在實際應用是太慢了，所以應按總量測定，但對研究工作者來說還應分開測定。

鐵合金中氮含量的標準偏差可按能達到的絕對含量降低，但這種要求是不必要的，而且低氮含量意味著更昂貴的原材料，但標準的偏差很可能更加嚴格。緊密注視著鐵合金中氮的問題，而且研究未來如何降低其含量，但目前觀察了報告中鐵合金在氮含量的劇烈變化。顯而易見，出鋼和澆注過程是增氮的源泉。曾進行了類似的研究把錳鐵在900℃加熱1h，氮含量由220ppm提高至380ppm，盡管真空加熱時氮降至180ppm。錳鐵加熱導致增氮對煉鋼工作者來說是一種教訓，即錳鐵在鋼包中不能長時間放置，對低碳錳鐵尤為重要。類似的試驗說明，600℃時含量變化很小，沒有什么問題。當鐵合金粒熔化時，快速冷卻可能是生產低氮含量鐵合金的最好方法，氮在錳鐵和矽鐵?；瘯r仍有一些問題。

筆者認為，不能總把氮看作是危害的因素，某些鋼希望有相當高的氮含量以提高其性能。對深成型性鋼氮含量必須低于30ppm，但當控制性能時要較高含量。作者單位曾用四種不同熔池攪拌方法做了增氮試驗。

(1)攪拌氣體中含氮70%時平均量22ppm;(2)50:50=N:Ar時 為18ppm;(3)100%時 為38ppm;(4)100%Ar時為15ppm。

用這種方式可控制氮含量和性能。對澆注時利用保護罩降低了氮的吸收，開始用有形保護增氮大約為0.0011%，而目前采用有形保護和氬氣保護增氮量降至0.0003%。鋼中的氮普遍都高于一般水平，電爐鋼典型的氮含量由入爐的80～100ppm增至100～120ppm，因為廢鋼中的氮含量很難降至低于此含量。

3 熔池攪拌時的控制

當用氮攪拌精煉時，鋼中氮含量開始增加大約1.3%，熔池氮達到50～60ppm，用普通頂吹轉爐熔煉低碳鋼時，氮穩(wěn)定地降至＜20ppm。假如用氬代替氮，其含量隨氮對氬的轉換點可達到小于或等于普通頂吹轉爐的效果。試驗也表明，假如用CO攪拌則能得到更低的氮含量。采用氮和氬氣體制度能很容易地轉換至生產規(guī)模，而且研究了再吹時間作用的數據和再吹前熔池的氮含量。對氧氣頂吹轉爐用正常裝料特殊精煉工藝比較說明，大約0.03%C可實現(xiàn)19ppm的氮含量。此外也可用底部氣體攪拌生產含120～130ppm氮的特殊鋼，并在淘汰了含氮錳鐵的應用。目前正在進行轉爐出鋼過程中降低增氮的試驗，至始至終控制氮含量。為了獲得低的氮含量必須從鐵水到連鑄進行控制，鐵水必須保持在高溫并有高錳、Si和Ti含量，以保持低的氮含量。用優(yōu)質廢鋼，此處可能用鐵礦石代替廢鋼，但在任何情況下都要保持鐵水/廢鋼比愈高愈好。用含氮量不高于30～40ppm的氧氣。氧氣底吹工藝確實可以有效提高鋼產品的質量。用氣體保護罩，用丙烷代替天然氣，在出鋼時可免于10ppm的增氮。出鋼后加鋁而不是出鋼時加，而且是用絲不是用棒。往包中注入鋁絲只能增加5ppm的氮具有標準偏差3.4ppm，而當出鋼時加入則可能增加19ppm，標準偏差為6.1。對電爐中快速工作的壓力，有時意味著理論與實際往往不相吻合。電爐生產經常達不到平衡，所以氮含量變化很大。電爐中的氮含量一般是比較高的，而降低效果卻決定于碳沸騰的程度及其速度。

4 結語

鋼產品氮的控制是一項艱巨的工作，對于質量技術人員來說，應該正確認識氮的作用機理，從冶煉工藝抓起，控制好每個環(huán)節(jié)，為提高我國鋼產品的內在質量做出貢獻。