低合金鋼氮的控制實踐

王成青，趙晨光，舒耀

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著用戶對鋼材性能要求的不斷提高，鋼中氮含量的控制越來越被人們重視。氮對于大多數(shù)鋼種來說是一種有害元素，能導(dǎo)致低碳鋼發(fā)生應(yīng)變時效現(xiàn)象，降低鋼的韌性、焊接性能，增加鋼材脆性和缺口敏感性等［1］。低合金鋼的成分特點是碳低（0.070%～0.100%）、錳高（1.20%～1.50%），含有一定量的Nb元素（0.010%～0.030%）,采用鋁脫氧工藝。在實際澆鑄過程中，AlN在晶界析出容易引起鋼的高溫脆性，含Nb、Al鋼的鑄坯在脆性區(qū)矯直時，內(nèi)弧在張力作用下容易在振痕谷底形成裂紋。軋制過程中，AlN析出同樣影響鋼材性能，降低鋼材的疲勞壽命。所以，在生產(chǎn)此類低合金鋼過程中，煉鋼工序需要采取措施強(qiáng)化脫氮和防止增氮，將鋼中的氮含量控制在較低的水平。本文著重介紹了鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠在冶煉低合金鋼時控氮方面的研究和實踐。

1 鋼液增氮的熱力學(xué)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［2］介紹，鋼中的氮以原子和化合物的形式溶解在鋼液中，鋼水吸氮是一種自發(fā)過程。從熱力學(xué)的研究可知，冶煉過程中氮的溶解反應(yīng)式［N2］→2［N］的平衡常數(shù)如下：

式中，KN為氮溶解的平衡常數(shù)；αN為氮在鋼液的活度；PN2為氮在鋼液上的分壓力為氮的活度系數(shù)；為各元素與氮的相互作用系數(shù)；j為各元素在鋼中的含量。各元素與氮的相互作用系數(shù)見表1。

表1 各元素與氮的相互作用系數(shù)

在一定溫度下，KN是不變的，鋼液中氮的溶解度取決于氣相的分壓和鋼液中氮的活度系數(shù)。當(dāng)?shù)獨夥謮阂欢〞r，氮的溶解度與其活度系數(shù)有關(guān)，氮的活度系數(shù)大小取決于鋼液中氮與其他元素之間相互作用的大小。

2 氮在各工序的變化規(guī)律

對生產(chǎn)過程中各個工序點進(jìn)行取樣，分析鋼水中氮含量的變化情況，其結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出，轉(zhuǎn)爐出鋼過程中，受冶煉終點碳含量、出鋼時間、出鋼口形狀、脫氧合金化工藝等的影響，出鋼過程中增氮量最大，平均值達(dá)到0.001 07%；精煉處理過程受造渣工藝及電弧電離增氮的影響，LF爐平均增氮量為0.000 74%；澆鋼過程中平均增氮量為0.000 25%。

3 增氮原因分析

3.1 轉(zhuǎn)爐工序

轉(zhuǎn)爐工序氮含量高主要有以下幾方面原因：

（1）轉(zhuǎn)爐終點氮含量高

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠轉(zhuǎn)爐由于受爐容比小、鐵水條件不穩(wěn)定、操作技能等因素影響，冶煉過程中化渣不理想，常出現(xiàn)返干現(xiàn)象。為了保證終點P含量和溫度滿足工藝控制要求，往往采用高拉補吹法進(jìn)行終點控制。二次點吹過程中，由于爐內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，氧氣流沖開渣面，使得鋼水直接與空氣接觸，導(dǎo)致鋼液不同程度的增氮，尤其是過氧化嚴(yán)重的爐次，二次點吹增氮更多。補吹時間對終點鋼水氮含量的影響見圖2。

從圖2中可以看出，補吹時間越長，鋼液增氮量越大。由于冶煉終點進(jìn)行二次補吹，氧氣流沖開渣面，使得鋼水直接與空氣接觸，形成空氣流繞流于懸浮液滴的周圍，此時碳含量較低，CO氣泡減少，造成鋼液增氮。

（2）出鋼過程增氮

轉(zhuǎn)爐出鋼口狀態(tài)不好、外口呈喇叭形狀、或是外口掛渣、鋼流不圓整、出鋼時間過長均會造成鋼液不同程度的吸氮。

不同出鋼口狀態(tài)下鋼中氮含量的差異對比見圖3。

由圖3可知，出鋼過程中鋼流發(fā)散比圓流狀態(tài)下增氮0.000 23%。同時，由于受出鋼過程脫氧方式的影響，出鋼過程中加入大量的強(qiáng)脫氧劑鋁錳鐵進(jìn)行完全脫氧，降低了表面活性元素氧在界面阻礙氮氣溶解的作用，而且，鋁與氮發(fā)生反應(yīng)生成氮化鋁，起到了固氮的效果，致使出鋼過程中鋼液增氮量較大。

（3）罐道吹氬增氮

為保證合金充分熔化，鋼液成分和溫度均勻，驗證透氣磚的透氣性是否良好，轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束后，需進(jìn)行罐道吹氬操作3 min以上。由于吹氬流量控制不當(dāng)，鋼液表面翻騰劇烈，鋼水表面長時間大面積裸露，造成鋼液不同程度的吸氮。

3.2 精煉工序

精煉LF爐也是增氮的重點環(huán)節(jié)。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠只有1座LF爐，為保證鑄機(jī)的恒速澆鋼，提高單中包連澆罐數(shù)，要求LF爐處理周期相對較短，因此，LF爐必須通過快速造高堿度渣、大氬氣攪拌進(jìn)行深脫硫處理，以保證成分滿足質(zhì)量設(shè)計要求。LF爐造渣的關(guān)鍵是渣快速熔化并保證合適的粘稠度。

一般來說，轉(zhuǎn)爐出鋼后，由于合金化的影響，鋼水罐內(nèi)頂渣堿度有降低的趨勢，所以從造渣的需求來講，需在LF工序加入白灰以滿足鋼水搬出時頂渣的成分要求。為了達(dá)到盡快化渣的目的，一方面通過電極加熱，高溫狀態(tài)下促使渣料熔化，另外，需加入一定量的螢石、精煉渣等化渣材料，在底吹氬的攪拌下進(jìn)行熔化。如果LF爐精煉過程中爐內(nèi)微正壓保持不良，極易造成鋼液面裸露吸氮。其次，操作者習(xí)慣性的采用單檔位升溫操作，即直接采用高檔位升溫模式，尤其是精煉前期，由于埋弧不好，泡沫渣形成較晚，電極在加熱過程中，電離空氣中的氮氣易造成鋼液增氮。第三，受低合金鋼鋼種特性的影響，鋼中的合金元素改變了氮在鋼中的溶解度，含有 Al、Nb、V、Ti等元素，易與［N］形成氮化物和碳氮化物，造成氮含量升高［3］。

3.3 連鑄工序

在連鑄工序，鋼水通過長水口從大罐澆注到中間包內(nèi)，在長水口管內(nèi)形成負(fù)壓，很容易從大罐下水口與長水口結(jié)合處的縫隙中吸入空氣，造成空氣與鋼水的直接接觸，進(jìn)而引起鋼水的二次氧化和增氮，或是由于浸入式水口與上滑板之間的氬氣吹入過大，造成中間包鋼液面崩花嚴(yán)重，鋼液面裸露吸氮。

目前，連鑄在澆鋼過程中，采用密封碗加吹氬氣模式進(jìn)行保護(hù)澆注，整體密封效果較好，鋼液增氮量能夠穩(wěn)定控制在0.000 3%以內(nèi)。

4 氮的控制工藝優(yōu)化

分析整個工序中的增氮情況可以看出，轉(zhuǎn)爐工序、精煉LF爐工序是控制低合金鋼中氮含量的關(guān)鍵工序，因此，有必要對上述工序的過程控制進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 轉(zhuǎn)爐工序

針對轉(zhuǎn)爐工序鋼液增氮的原因，為進(jìn)一步降低冶煉終點氮含量和減少出鋼過程中的增氮量，主要采取以下措施：

（1）做好鐵水預(yù)報工作。根據(jù)鐵水條件，合理控制廢鋼比，廢鋼比控制在8%～12%，避免冶煉終點鋼水嚴(yán)重過氧化。吹煉過程中，通過適量配加鐵礬土進(jìn)行化渣操作，減少中期返干的發(fā)生，提高終點一拉命中率，減少二次補吹。對于鐵水Si含量≥0.70%的爐次，采取雙渣操作，保證終點磷含量達(dá)到內(nèi)控要求。

（2）嚴(yán)格控制補吹時間在40 s以內(nèi)，以減少補吹帶來的鋼液增氮。通過開發(fā)轉(zhuǎn)爐的后攪拌工藝，搖正轉(zhuǎn)爐使其處于吹煉位置，合理控制底吹氬氣流量，通過補加一定量的活性白灰，進(jìn)一步降低冶煉終點磷含量和鋼水氧含量。

（3）出鋼過程中采用弱脫氧模式，降低鋁固氮效果。出鋼結(jié)束后采取定氧喂鋁線的方式調(diào)整鋼液中Als含量，最終實現(xiàn)鋼水的完全脫氧。出鋼過程中脫氧鋁用量控制在1.5 kg/t鋼以下，出鋼結(jié)束后進(jìn)行定氧操作，根據(jù)氧含量喂鋁線，控制鋼中Als含量，喂線米數(shù)=鋼中氧值×0.3＋200。

（4）加強(qiáng)出鋼口的維護(hù)工作，及時清理外口掛渣，保證出鋼過程中鋼流圓滑不發(fā)散，減少鋼液增氮。

（5）調(diào)整罐道內(nèi)吹氬流量，根據(jù)吹氬時鋼液面翻騰狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整氬氣流量，吹氬流量控制在30～40 m3/h，保證鋼液面裸露面積直徑在20 cm以內(nèi)。轉(zhuǎn)爐工序優(yōu)化前后罐內(nèi)鋼液氮含量對比如圖4所示。由圖4可以看出，罐內(nèi)氮含量平均降低了0.000 63%。

4.2 精煉工序

（1）造渣料前置

不同的鋼種有不同的造渣需求，在滿足鋼種成分、夾雜物的要求及鑄機(jī)連續(xù)澆注的條件下，LF造渣所需時間及所加渣料情況見表2。

表2 不同鋼種LF爐造渣時間及所需渣料情況

造渣料前置的目的是罐內(nèi)頂渣堿度和稀稠度滿足LF處理要求。利用出鋼過程中良好的動力學(xué)條件，在出鋼過程中加入一定量的白灰，使鋼水與白灰充分接觸，白灰快速熔化成渣，大大降低LF爐前期造渣壓力，有效縮短造渣時間。出鋼過程中加入的白灰量由2 kg/t鋼提高到4 kg/t鋼，螢石與白灰配比按1∶3加入，滿足了LF爐前期快速成渣要求，降低了LF爐前期因埋弧不好造成的鋼水增氮量。

（2）根據(jù)精煉不同時期合理控制氬氣流量

LF爐精煉過程分為升溫、造渣脫硫、合金化、凈吹氬等不同時期。根據(jù)不同時期對氬氣需求的不同，合理控制氬氣流量，能夠有效避免鋼水的長時間裸露，減少鋼液吸氮，尤其是在脫硫期間，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由650 r/min調(diào)整到350 r/min，可以有效保證爐內(nèi)的微正壓操作。LF不同時期的氬氣流量見表3。

采取造渣料前置工藝后，進(jìn)LF爐后的鋼水頂渣堿度、流動性以及渣熔化效果，能夠滿足前期埋弧需要，有效降低電弧電離增氮的發(fā)生。分階段合理控制底吹氬氣流量，脫硫期間調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證爐內(nèi)微正壓操作，避免了鋼水裸露吸氮。

表3LF不同時期的氬氣流量（m3·h-1）

（3）合理控制加熱檔位

要求LF爐精煉前期必須采用低檔位化渣3 min以上，然后進(jìn)行高檔位升溫操作，保證前期頂渣埋弧效果。LF爐操作工藝優(yōu)化前后鋼水增氮量對比見圖5。

5 應(yīng)用效果

通過對轉(zhuǎn)爐工藝、精煉LF工序操作工藝的優(yōu)化，低合金鋼成品氮含量均值由0.004 01%降低到目前的0.003 29%，均值降低0.000 72%。

6 結(jié)論

（1）低合金鋼生產(chǎn)過程中增氮量較大的工序主要為轉(zhuǎn)爐和LF爐精煉工序，平均增氮量分別為0.001 07%和0.000 74%。

（2）轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，合理控制廢鋼比，減少點吹次數(shù)和時間，控制點吹時間在40 s以內(nèi)，開發(fā)后攪工藝，提高終點一拉命中率，出鋼過程采取弱脫氧制度，合理控制罐道吹氬流量，能夠有效降低轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水的氮含量。

（3）精煉渣前置工藝能夠有效解決LF爐前期造渣困難，埋弧不好的問題，進(jìn)一步降低了電極升溫過程中電離增氮量。

（4）轉(zhuǎn)爐、LF爐工藝優(yōu)化后，低合金鋼成品氮含量均值由0.004 01%降低到0.003 29%。

［1］ 王建.電爐冶煉低合金鋼中氮含量的控制研究［J］.特鋼技術(shù).2013，3（19）:34-36.

［2］ 劉守平,孫善長.含氮鋼吹氮合金化 ［J］.重慶大學(xué)學(xué)報.2002，25（5）:83-87.

［3］ 黃德勝,楊森祥.LF精煉過程氮含量控制技術(shù)與實踐［J］.煉鋼，2012，28（2）:15-20.