鐵路輪軸鋼生產(chǎn)過程控氮工藝與實(shí)踐

王 威

（山西太鋼不銹股份有限公司，山西 太原030003）

山西太鋼不銹股份有限公司（全文簡(jiǎn)稱太鋼）煉鋼一廠，是國(guó)內(nèi)鐵路輪軸鋼的重點(diǎn)生產(chǎn)廠，鐵路車軸鋼和車輪鋼占有較大的市場(chǎng)份額，為適應(yīng)高品質(zhì)鐵路用鋼的需求，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造，主要生產(chǎn)線全套引進(jìn)德國(guó)西馬克公司設(shè)備，主要設(shè)備：雙工位80 t CONARC爐1座，雙工位80 t LF爐兩座，雙工位80 t VD爐2座，3機(jī)3流大圓坯連鑄機(jī)1臺(tái)，于2015年元月投產(chǎn)，主要工藝線路CONARC—LF—VD—CC(大圓坯)或CONARC—LF—VD—模鑄，主要生產(chǎn)以鐵路車軸LZ50等為代表的車軸系列產(chǎn)品、鐵路車輪CL60等為代表的車輪系列產(chǎn)品、以及合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、法蘭用鋼，高強(qiáng)度管坯等高等級(jí)鋼種。隨著鐵路大提速的開始，對(duì)車軸、車輪鋼的性能指標(biāo)提出了更高的要求，要求鋼水的純凈度更高，在車軸和車輪鋼種把氣體含量作為交貨的必要條件，要求w[N]≤70×10-6，高強(qiáng)度管坯要求w[N]≤30×10-6，投產(chǎn)初期存在氮高不能按要求交貨的問題，因此生產(chǎn)過程中氮的控制就是純凈度控制的工作之一。為此，在新生產(chǎn)線投產(chǎn)后開展了鋼水氮含量穩(wěn)定控制的工藝研究和生產(chǎn)實(shí)踐。

1 脫氮理論基礎(chǔ)

氮在鋼中有兩種存在形式：自由氮原子[N]、結(jié)合氮（如AlN、TiN）。

1.1 自由氮原子[N]

鋼中自由氮的溶解度遵循西華特定律：

式中：w[N]為鋼液中氮的質(zhì)量百分濃度；fN為氮的活度系數(shù)；K'N為反應(yīng)的平衡常數(shù)；PN2為與鋼液中氮平衡的氣相氮分壓。

由式（1）可知：鋼中氮的溶解度隨的增加而增加，溫度及化學(xué)成分通過對(duì)及的影響來影響氮在鋼液中的溶解度。當(dāng)氣相中的實(shí)際氮分壓低于時(shí)，鋼液中的氮要降低。1 600℃、1 atm氮?dú)庀录冭F中氮的溶解度為450×10-6。鋼液中的合金元素影響氮的溶解度，元素Zr、Ti、Nb、V、Cr等增加氮的溶解度，C、Si、O、S等降低氮的溶解度。

1.2 結(jié)合氮

在氮含量達(dá)到飽和以后，并且有與氮親和力大的元素X存在的條件下，鋼液中就會(huì)產(chǎn)生氮化物XN。

式中：α[X]為鋼液中X元素的活度；KXN為平衡常數(shù)。

由式（2）可知：氮的溶解度與PN2無關(guān)，隨fNα[X]的增加而減少。

當(dāng)[N]低于溶解度時(shí)，可以通過降低PN2來脫氮；當(dāng)鋼中氮含量高于溶解度后，會(huì)形成氮化物XN，其在鋼液中的浮升是進(jìn)一步脫氮的途徑，強(qiáng)氮化物形成元素Zr、B、V、Nb、Ti、Cr等提高氮在鋼中的溶解度。實(shí)際生產(chǎn)中，在煉鋼溫度下不會(huì)生成它們的氮化物，氮在鋼液中以自由氮原子形式存在，因此脫氮是脫溶解氮而不是去除氮化物夾雜。

1.3 影響鋼液脫氮的因素

鋼中溶解氧高，脫氮率高；硫含量低，脫氮率高；溫度高，脫氮率高；同時(shí)鋼水吸氮是脫氮的逆過程，也包括上述三個(gè)方面，要實(shí)現(xiàn)鋼中氮的有效控制，除了采取措施脫去鋼水中現(xiàn)存的氮之外，更重要的是防止空氣中的氮?dú)庠斐傻匿撍龅?，減少鋼水的原始氮含量。

2 CONARC—LF—VD—CC（模鑄）工藝過程鋼水增氮原因

2.1 CONARC（電轉(zhuǎn)爐）工序

太鋼煉鋼一廠冶煉采用80 t雙工位電轉(zhuǎn)爐，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電轉(zhuǎn)爐具備送電和頂槍吹氧的能力，同時(shí)具有電爐和轉(zhuǎn)爐的功能，能夠適應(yīng)不同的鐵比進(jìn)行冶煉。目前采用75%的鐵比，前期進(jìn)行送電冶煉，后期頂槍吹氧脫碳吹煉，采用偏心底出鋼。在電轉(zhuǎn)爐工序，以下原因可能造成鋼水增氮：

1）電弧加熱融化廢鋼過程電離空氣吸氮。

2）送電過程不埋弧。

3）頂槍吹煉不到位后期進(jìn)行補(bǔ)吹。

4）電轉(zhuǎn)爐出鋼過程和鋼包合金化吸氮。

2.2 LF工序

1）在LF工序鋼水的精煉過程中，電弧加熱過程電極周圍空氣中的氮?dú)鈽O易電離而進(jìn)人鋼液。

2）精煉過程合金調(diào)整導(dǎo)致增氮。

3）鋼包與爐蓋的縫隙過大，冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)。

2.3 VD工序

1）VD真空處理后喂線增氮。

2）VD真空處理后軟攪拌過程增氮。

2.4 連鑄工序、模鑄工序

在連鑄工序，如果保護(hù)澆注效果不理想，常常會(huì)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。連鑄過程鋼水增氮主要包括以下方面：

1）大包與長(zhǎng)水口連接處空氣的吸入。

2）中包液面湍流漩渦造成的空氣卷入。

3）中包液面裸露造成的增氮。

4）中間包至結(jié)晶器鋼水裸露造成的增氮。

5）模鑄增氮主要是澆鑄過程大包活動(dòng)水口與錠模中鑄管之間的鋼水裸露吸氮。

3 生產(chǎn)前期工序氮含量（見表1和圖1）

表1 各工序鋼水w[N]分析 ×10-6

圖1 冶煉各工序中平均氮含量

從圖1中可看出：LF冶煉過程增氮量明顯增加，澆鑄過程的氮含量增加也較明顯，因此需要重點(diǎn)控制LF過程的操作，減少原始含氮量，更主要的是減少澆鑄過程的二次氧化吸氮。

4 CONARC—LF—VD—CC(模鑄)工藝過程鋼水氮的控制措施

4.1 電轉(zhuǎn)爐工序

在電轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，控制鋼水中吸氮：廢鋼融化過程采用小電壓供電，待泡沫渣形成后采用大電壓供電；供電與吹氧的轉(zhuǎn)換時(shí)，熔池內(nèi)碳含量大于2.0%，保證吹氧期足夠的脫碳量，杜絕后期溫度不足補(bǔ)吹；出鋼過程控制鋼包底吹氬的流量，減少出鋼過程鋼水的大沸騰，減少鋼水與空氣的接觸。

4.2 LF工序

在LF精煉過程中，控制鋼水中的吸氮：采用泡沫渣埋弧加熱，減少電極加熱過程電離增氮；控制鋼包的包沿的平整度，鋼包與爐蓋的縫隙小于100 mm，在精煉過程中爐內(nèi)保持微正壓，避免爐外空氣的吸入；合理控制送電過程的吹氬量，保證鋼水不裸露。

4.3 VD工序

VD真空處理是生產(chǎn)流程中的主要脫氮手段，強(qiáng)化操作工藝保證較好的脫氮效果：鋼包底吹氬良好；處理過程氬氣流量控制適中，真空處理過程鋼水裸露面大于鋼液面50%以上；真空度達(dá)到67 Pa以下，高真空保持時(shí)間大于20 min；采用在密閉狀態(tài)下喂線；嚴(yán)格控制軟攪拌時(shí)的氬氣流量，以鋼液面蠕動(dòng)不吹破渣面為標(biāo)準(zhǔn)。

VD處理結(jié)束后，鋼水中氮含量處于最低，如何做好澆鑄過程的保護(hù)是保證成品氮含量控制達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。

4.4 澆鑄過程保護(hù)措施

1）鋼包到中間包采用套管保護(hù)澆注，當(dāng)保護(hù)套管出現(xiàn)裂紋或套管下端融損超過100 mm時(shí)必須進(jìn)行跟換，在套管和大包水口之間加裝密封墊。

2）中間包水口采用固定式水口，在中包修砌時(shí)預(yù)先埋入長(zhǎng)水口，澆鑄過程長(zhǎng)水口進(jìn)入結(jié)晶器長(zhǎng)度大于110 mm。

3）中間包采用高液面操作，并及時(shí)加入中間包覆蓋劑。

4）模鑄澆鑄過程在大包水口安裝氬封保護(hù)裝置，通過氣簾隔絕空氣。

5 CONARC—LF—VD—CC、模鑄工藝過程鋼水氮的控制效果

表2 各工序鋼水w[N]分析 ×10-6

工藝改進(jìn)后各工序的氮含量變化見表2和圖2。

從表2和表1比較可看出：電轉(zhuǎn)爐工序控氮效果明顯，電爐粗鋼水氮含量由33×10-6降低到21×10-6；LF爐冶煉過程增氮量由25×10-6降低到7×10-6；VD爐平均脫氮率達(dá)到35%；澆鑄過程平均增氮4×10-6，有效避免了二次氧化吸氣，成品氮含量33×10-6；達(dá)到比較理想的效果。

6 結(jié)論

1）冶煉澆鑄過程來講，LF爐中增氮最多．減少LF爐內(nèi)的吸氮量是控制氮含量主要因素，LF增氮量≤10×10-6；真空脫氣（VD）處理是降低鋼液中[N]含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過合理的工藝，嚴(yán)格控制過程操作，過程中鋼水的氮含量得到有效控制，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品低氮含量控制。

2）從過程控制看VD的脫氮率在35%左右，要想獲得更低的氮含量，必須降低鋼水的原始含氮量，同時(shí)嚴(yán)格控制澆鑄過程的增氮，澆鑄過程增氮量≤5×10-6。

3）氮元素在大多數(shù)鋼種中被視為有害元素，在輪軸鋼和管線鋼種要求盡量低，保證產(chǎn)品的加工和使用性能，盡可能降低鋼水中的氣體含量，將成為趨勢(shì)。