電渣生產(chǎn)高氮鋼保氮工藝研究

閆詠春， 李建軍

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

試（實）驗研究

電渣生產(chǎn)高氮鋼保氮工藝研究

閆詠春， 李建軍

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

研究了高氮鋼電渣過程氮損失機理，分析了電渣過程氮損失原因，論述了熔渣組成及冶煉工藝，認為產(chǎn)生氮損失的原因是冶煉過程中功率太大，致使鋼中N原子相互結(jié)合形成N2。可通過優(yōu)化電爐鋼的成分、選擇低合適熔點的渣系、適當(dāng)降低冶煉功率來降低N損失，效果顯著。

電渣重熔 高氮鋼 氮損失 低熔點的渣系

高氮鋼是指N含量超過大氣壓力下N的溶解度極限的含氮鋼或含氮合金，通常將鐵素體基體中w(N)＞0.08%或奧氏體基體中w(N)＞0.40%的鋼定義為高氮鋼。高氮鋼作為一種性能優(yōu)良、環(huán)保節(jié)能的新型鋼鐵材料，目前正日益受到人們的青睞。在機械、石油鉆探、化工、運輸、生物材料、體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多高氮鋼（如護環(huán)鋼、無磁鋼等）為提高材料的純凈度、提高探傷級別，需要進行電渣重熔。但是，在初次重熔過程中發(fā)現(xiàn)N損失較大，致使材料的強度降低，耐蝕性變差，嚴(yán)重影響了使用。

1 試驗過程

1.1 化學(xué)成分

本次開發(fā)電渣重熔高氮鋼，要求最終成品成分見表1。

表1 一種新型高氮鋼的化學(xué)成分 %

1.2 工藝流程

該高氮鋼全過程生產(chǎn)的工藝流程：電爐冶煉→AOD爐精煉→LF爐精煉→模鑄→鋸切→電渣重熔→鍛造→檢驗。

其中自耗電極氮合金化大部分在AOD爐精煉過程中進行，通過LF爐進行微調(diào)。電渣重熔后N的檢驗需要在鍛造后在鍛材上取樣分析。

1.3 試驗設(shè)備

本次試驗采用非保護氣氛電渣爐生產(chǎn)，結(jié)晶器公稱容量為5 t，結(jié)晶器和自耗電極的規(guī)格見表2。

表2 結(jié)晶器和自耗電極的規(guī)格

熔渣組成：m（螢石）∶m（氧化鋁）=7∶3。渣量：160 kg。

1.4 重熔工藝

采用熔速控制方式，具體內(nèi)容見表3。

表3 電渣過程工藝

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

電渣結(jié)束后，從表面看電渣錠的底部有氣孔；鍛造后分析鍛材的w(N)=0.53%，證明在電渣高氮鋼時N燒損較大，高達500×10-6。經(jīng)分析電渣錠底部的氣孔是N原子結(jié)合的產(chǎn)物，以N分子的形式溢出，主要是由于冶煉過程中溫度太高。

2.2 試驗結(jié)果分析

高氮鋼中的N以原子的形式存在于鋼中，在電渣過程中，鋼中部分N原子相互結(jié)合生成N分子，N分子再擴散到鋼液表面脫溶所致。反應(yīng)過程可表示如下：

該反應(yīng)主要經(jīng)歷以下幾步：N原子通過擴散到達反應(yīng)界面；N原子在反應(yīng)界面進行化學(xué)反應(yīng)生成吸附態(tài)N分子；吸附態(tài)N分子脫附離開鋼液。

化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)溫度及擴散速度有密切的關(guān)系，該反應(yīng)的產(chǎn)物為氣體，溶解度現(xiàn)分別從以下方面敘述。

2.2.1 N在鋼液中的溶解度

N溶解在鋼液中的反應(yīng)可表示為：

由式（1）可得出：N在鋼中的溶解度遵循西華特（Sievert）定律，即鋼中溶解的N與外界N2分壓的平方根成正比。

該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

式中：fN為N在鋼中的活度系數(shù)；w[N]為N在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；PN2為反應(yīng)條件下N2的分壓。

對（2）式兩邊求對數(shù)，得：

不同的研究者得到的平衡常數(shù)是不一樣的，這里使用R.DPehlke和J.F.Elliott的測量數(shù)據(jù)：

在多組分合金中N的活度系數(shù)表示如下：

?

從表4可看出：Mn、Cr、Mo可提高N在鋼中的溶解度，而C、Si、Ni則降低N在鋼中的溶解度。

將PN2=0.78，表1中的成分含量代入公式（7）可得：lgw[N]=-0.232 6，w[N]=0.585。

理論值與實際值0.58相比接近，說明N含量已經(jīng)接近飽和。

高氮鋼的N處于飽和狀態(tài)，如果外界條件發(fā)生變化，如溫度升高、N2壓力降低等，N有從液態(tài)鋼中析出的趨勢，如果滿足下述條件：

式中：PA為冶煉氣氛氮分壓；PM為鋼液靜壓力；σ為表面張力；r為氣泡半徑。

從式（8）可以看出，為防止N脫溶，需要依靠提高冶煉氣氛氮分壓PA、增加鋼水靜壓力PM、提高鋼液的表面張力σ等措施來實現(xiàn)，但是由于非保護氣氛電渣爐氮分壓為恒定值0.78，大氣條件下空氣中φ（N2）=78%，電渣過程熔池較淺，鋼水靜壓力PM變化不大，故可行的只有靠提高鋼液的表面張力σ來實現(xiàn)，由于鋼中[O]、[S]為表面活性物質(zhì)，可大幅度降低鋼的表面張力，故需要盡量降低鋼中[O]、[S]的含量，適當(dāng)提高鋼液的表面張力σ。

2.2.2 溫度

化學(xué)反應(yīng)速度均與溫度有密切聯(lián)系，N的脫溶反應(yīng)也不例外，通常情況下，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。此外，對N的溶解平衡進行分析，溫度升高，鋼中N的溶解度降低。電渣重熔過程中，熔渣的溫度通常在1 600℃以上，原來在1 600℃得到的N平衡會被打破，部分N脫溶。

從以上分析看，為防止鋼中的N脫溶，應(yīng)降低電渣過程的溫度。

3 第二次試驗措施

在電渣工序中為降低N的損失，做了以下方面的調(diào)整：提高N在鋼中的溶解度；降低電渣過程中渣池的溫度；提高鋼液的表面張力。具體措施如下：

1）電爐冶煉時提高N溶解度的元素按上限控制，降低N溶解度的元素按下限控制；

2）增加渣量，選用高電阻渣系，降低電渣過程的輸入功率；

3）降低鋼中的N和S的含量。

在第二次冶煉時，對自耗電極成分進行了控制，同時提高了Mn、Cr的含量，降低了S含量，具體成分見下頁表5。

本次采用熔速控制和功率控制相結(jié)合的方法，具體內(nèi)容見表6。

表5 一種新型高N鋼的化學(xué)成分 %

表6 電渣過程工藝

熔渣組成：m（螢石）∶m（氧化鋁）∶m（石灰）= 4∶3∶3。渣量：180 kg。

4 第二次試驗結(jié)果

采取以上措施，表面質(zhì)量有所改善，電渣錠鋼錠表面比較平整，表面氣孔基本消失，鍛造后檢驗w（N）=0.555%，具體情況見表7。

表7 二次電渣前后N含量

對鍛材進行探傷，缺陷尺寸符合Φ≤2 mm的要求，對其他性能進行檢驗，全部符合要求。

5 結(jié)論

1）高氮鋼電渣過程N損失機理是由于原有的N溶解平衡被打破，部分N原子結(jié)合生成N2所致。

2）電爐冶煉過程中，增加提高N溶解度的元素含量可優(yōu)化電爐冶煉成分，增加N的溶解度；降低S含量，提高鋼液表面張力。

3）電渣過程中通過增加渣量、選用高電阻渣系、降低輸入功率達到降低N燒損的目的。

（編輯：王瑾）

Study on Nitrogen Retention of High Nitrogen Steel by Electroslag

YAN Yongchun,LI Jianjun
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The high nitrogen steel electroslag process of nitrogen loss mechanism is studied.The reason of nitrogen loss in electroslag process is analyzed.The composition of slag and smelting process are discussed.Research shows that the loss of nitrogen has large power in smelting process,resulting in N2by N atoms combination.The N loss can be reduced by optimizing the composition of the EAF steel,selecting the slag system with a suitable melting point and reducing the smelting power properly.The effect is remarkable.

electroslag remelting,high nitrogen steel,nitrogen loss,slag system with low melting point

TF142

A

1672-1152（2017）03-0017-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.07

2017-04-22

閆詠春（1976—），男，山西祁縣人，冶金工程碩士，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)就職于太原鋼鐵（集團）有限公司制造部，任職副部長。