CO2 氣保焊絲ER70S- 6 鋼控氮機(jī)理分析

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(hù)實(shí)心焊絲的主要原料。目前已在汽車制造、機(jī)車和化工機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等部門得到廣泛應(yīng)用。氣保焊絲鋼為滿足客戶不經(jīng)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(xué)成分均勻，非金屬夾雜物低，鋼質(zhì)均勻，金相組織均勻。生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)化元素，能夠提高鋼材的強(qiáng)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(jī)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(chǎn)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(yīng)[2]：

服從西華特定律：

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

KN與絕對溫度間關(guān)系可表示：

氮在純鐵中的溶解度與溫度和分壓的關(guān)系：

氮的溶解度可表示[4]：

式（3）在計(jì)算溶解度時(shí)適用于不產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般在（40～60）×10-6。

1.2 轉(zhuǎn)爐吹煉過程氮的溶解度變化

轉(zhuǎn)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(diǎn)的成分平均值如表1 所示。

表1 ER70S- 6 樣本終點(diǎn)成分平均值 %

轉(zhuǎn)爐吹煉過程各元素含量不斷降低，由于鐵水V、Cr 含量遠(yuǎn)低于C 含量，根據(jù)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(diǎn)時(shí)鋼水中飽和氮溶解度＞300×10-6，考慮合金化時(shí)氮化物的生成，鋼水中的氮的溶解度會更高。實(shí)際生產(chǎn)過程，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w（N）＜50×10-6，遠(yuǎn)未達(dá)到飽和氮溶解度，鋼水與空氣接觸，吸氮是自發(fā)進(jìn)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(yīng)（如在拉碳、出鋼等冶煉過程）。由于此鋼種的冶煉過程中不進(jìn)行真空處理，提高轉(zhuǎn)爐煉鋼過程碳氧反應(yīng)脫氮作用就顯得尤為重要。

2.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氮

碳排出速度與脫碳反應(yīng)速率的關(guān)系式[5]：

栽培是中藥材GAP管理的重要內(nèi)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(xué)問題,本研究在保證各栽培措施相同的前提下,設(shè)立了4個(gè)不同播種時(shí)間,以產(chǎn)量和各項(xiàng)生長指標(biāo)作為評價(jià)因子,確定甘草的最佳育苗播種時(shí)期。試驗(yàn)結(jié)果表明：播種期對甘草的出苗及生長成苗、產(chǎn)量等都有影響，其中對生長成苗和產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)量。綜合分析可以看出，甘草露地育苗最佳播種期應(yīng)選擇5月中旬—6月底。

脫氮與脫碳密切相關(guān)。脫碳產(chǎn)生的CO 氣泡為脫氮提供了反應(yīng)界面的同時(shí)還減少了氮分壓，可以說CO 量是影響脫氣的關(guān)鍵。

由式4 可以得出，脫碳反應(yīng)速度決定脫氮反應(yīng)速度，脫碳持續(xù)時(shí)間決定脫氮反應(yīng)時(shí)間。吹煉前期為錳硅脫氧反應(yīng)，不進(jìn)行脫氮反應(yīng)；吹煉中期隨著溫度升高，碳氧反應(yīng)速度增加，產(chǎn)生的CO 量增加，脫氮反應(yīng)不斷加??；吹煉后期，隨著碳含量的降低，碳氧反應(yīng)逐漸減弱，雖然鋼水中的氧含量逐漸升高占據(jù)氮氧反應(yīng)界面，但吹煉反應(yīng)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(nèi)的碳含量遠(yuǎn)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(xué)熱過大，吹煉過程溫度過高，反應(yīng)劇烈，造成溫高反干，使鋼水暴露在空氣下，后期碳氧反應(yīng)減弱時(shí)反而容易造成吸氮，同時(shí)會造成終點(diǎn)成分不合，給操作帶來困難。如表2 所示，對廢鋼加入比例進(jìn)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(yīng)。

表2 廢鋼比與終點(diǎn)氮（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的影響

由于轉(zhuǎn)爐吹煉后期碳含量降低，吹煉過程存在吸氮反應(yīng)，終點(diǎn)碳含量對轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮存在影響如圖1。終點(diǎn)碳為0.11%時(shí)，終點(diǎn)氮最低為20×10-6；隨著終點(diǎn)碳的降低，碳氧反應(yīng)減弱，終點(diǎn)氮逐漸增加，終點(diǎn)碳為0.04%時(shí)，氮含量為30×10-6；隨著終點(diǎn)碳升高，碳氧反應(yīng)產(chǎn)生CO 脫碳作用未充分發(fā)揮，終點(diǎn)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(diǎn)C控制目標(biāo)不能過高要求0.030%～0.055%，低碳出鋼控制鋼水基礎(chǔ)氮含量顯得尤為重要。

圖1 終點(diǎn)碳對鋼水氮含量影響圖

吹煉終點(diǎn)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(yīng)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(chǔ)氮，吹煉中期發(fā)現(xiàn)爐渣返干，及時(shí)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(yīng)，提高渣中氧化鐵含量，促進(jìn)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(qiáng)行化渣，提高泡沫渣覆蓋效果。

倒?fàn)t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(shí)，空氣會伴隨著吹煉過程混入鋼水，由于此時(shí)鋼水碳較低同時(shí)泡沫渣薄，碳氧反應(yīng)脫氮效果低，鋼水中的氮含量會增加。統(tǒng)計(jì)96爐冶煉數(shù)據(jù)，按補(bǔ)吹時(shí)間長短，以10 s 為區(qū)間進(jìn)行分組，如圖2 所示補(bǔ)吹時(shí)間與終點(diǎn)增氮量關(guān)系。補(bǔ)吹時(shí)間與終點(diǎn)增氮量基本成正比，補(bǔ)吹時(shí)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(jù)碳火焰判定一倒，保證磷、碳一倒合格，此外禁止倒?fàn)t前用氮?dú)獯祾咴?，防止增加氮分壓，鋼水增氮?/p>

圖2 補(bǔ)吹時(shí)間與增氮量關(guān)系

轉(zhuǎn)爐底吹氬氣可以在鋼液中形成小氣泡，減少氮分壓，同時(shí)可以提高熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度，有助于氣泡上浮。吹煉前期溫度低，碳氧反應(yīng)較小，氮的溶解度變化不大，氮的界面反應(yīng)速度低，氮分壓的高低對吸、脫氮影響不大；隨著碳氧反應(yīng)加劇，溶解度逐漸增加，溫度升高，氮的界面反應(yīng)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(shí)考慮到氮?dú)夂蜌鍤獬杀荆睙挌獗：附zER70S-6 鋼時(shí)選擇氮?dú)迩袚Q。下頁表3 為氮?dú)迩袚Q時(shí)間與終點(diǎn)氮的關(guān)系，從表中可以看出，3 min 與5 min 進(jìn)行切換時(shí)，對終點(diǎn)氮影響不大，基本保持在24×10-6左右；7 min 進(jìn)行氮?dú)迩袚Q，終點(diǎn)氧有所提高。現(xiàn)場實(shí)際吹煉過程產(chǎn)生碳火焰在開吹3～4 min，氮?dú)迩袚Q時(shí)間設(shè)定為開吹5 min 進(jìn)行切換，可以達(dá)到隨著碳氧反應(yīng)深入進(jìn)行，氬氣泡和CO 氣泡共同作用進(jìn)行脫氮。

表3 氮?dú)迩袚Q時(shí)間與終點(diǎn)氮（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的影響

2.2 出鋼過程吸氮控制

鋼液吸氮是由三個(gè)步驟決定：氣體向鋼液表面擴(kuò)散；吸附化學(xué)反應(yīng)；氣體原子在鋼液中擴(kuò)散。轉(zhuǎn)爐出鋼過程N(yùn)2在鋼液表面的吸附是N2在鋼液中溶解的限制環(huán)節(jié)時(shí)，氮的溶解速度[3]：

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

氮在鋼液中的溶解速度與氮的分壓及界面上未被占據(jù)的活性點(diǎn)數(shù)1-θN成正比。

氣保焊絲ER70S-6 出鋼前后硫變化不大，由于終點(diǎn)w（C）要求較低＜0.05%，終點(diǎn)w（O）較高（800～1 000）×10-6，經(jīng)過出鋼過程的脫氧合金化進(jìn)行脫氧反應(yīng)，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(shí)，鋼水從轉(zhuǎn)爐至鋼包過程，鋼水氧含量高，鋼水單位面積與空氣接觸時(shí)間短，鋼水吸氮不大；但鋼流的高速運(yùn)動將空氣帶入鋼水包內(nèi)，隨著鋼水運(yùn)動，空氣變成細(xì)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(dá)到1/2 后加脫氧劑及合金料，同時(shí)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(shí)，脫氧強(qiáng)度不要過深，LF 精煉分擔(dān)脫氧任務(wù)，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(guān)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(diào)—軟吹。

鋼水進(jìn)站后加入造渣料后通過電弧產(chǎn)生高溫逐步熔化，由于此時(shí)渣料未熔化渣層較薄，產(chǎn)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(shí)由于產(chǎn)生還原氣體及底吹氬氣作用將空氣進(jìn)行隔絕，鋼水吸氮效果減弱。由于成分偏差需要進(jìn)行成分微調(diào)，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(shí)水冷爐蓋內(nèi)的還原、惰性氣氛補(bǔ)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(jìn)一步降低，軟吹過程鋼水與空氣接觸后更容易吸氮。

1）轉(zhuǎn)爐出鋼1/2 后時(shí)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(shí)間；化渣過程加入50～60 kg 發(fā)泡劑，通過發(fā)泡劑分解反應(yīng)產(chǎn)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(guān)系

2）提高成分微調(diào)一次命中率，減少成分調(diào)整次數(shù)，縮短大氣攪拌造成鋼水卷入空氣和與空氣接觸時(shí)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(chǎn)節(jié)奏緊湊可以有效減少大氣翻包和降電極起弧次數(shù)，減少鋼水與空氣接觸時(shí)間，圖3為精煉周期與出站氮含量關(guān)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(guān)系圖

通過以上措施的落實(shí)，LF 爐精煉過程增氮量控制在5×10-6以內(nèi)。

2.4 連鑄澆鑄過程控氮

氣保焊絲ER70S-6 在澆鑄時(shí)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(yīng)，同時(shí)吸氮反應(yīng)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(jìn)行氬氣吹掃，保證中包開澆前中包內(nèi)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(hù)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(shí)，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(shí)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(hù)，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(jié)語

本文通過分析鋼水冶煉過程吸氮、脫氮機(jī)理，從控制轉(zhuǎn)爐原料加入、吹煉過程槍位控制，底吹切換時(shí)機(jī)的把握得出了脫氮措施；通過轉(zhuǎn)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(shí)，氣保焊絲ER70S-6 氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜50×10-6合格率達(dá)到了100%，提高了焊絲鋼的拉拔性能，滿足用戶要求。