一種高氮鋼的生產(chǎn)實踐

鄧 偉，肖邦志，楊新泉，李慕耘，唐樹平

（武鋼有限煉鋼廠，湖北 武漢 430080）

高氮鋼的定義：如果鐵素體基體中W(N)>0.0080%的鋼是高氮鋼。鋼種氮超過熔融條件下的平衡溶解度時，這些鋼就稱作超高氮鋼[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的全方位發(fā)展，高氮鋼由于其在力學(xué)及耐蝕性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的無氮鋼,所以高氮鋼的需求將會日益增加，應(yīng)用日益廣泛。含氮鋼和普通碳鋼相比，有明顯優(yōu)勢，氮在奧氏體中的溶解度比碳高，溶解氮與碳不同，它可加強局部耐腐蝕能力?？刂其撝械腫N]元素含量在0.100%～0.150%之間，形成穩(wěn)定的奧氏體組織，改善鋼的宏觀組織，使之致密堅實；氮與鋼中Al、V、等合金元素化合成氮化物，可提高鋼的強度、硬度、耐磨性和抗蝕性等。

目前國內(nèi)外控制[N]成分主要是在精煉工序添加含氮合金，不僅合金成本較高，同時，添加含氮合金，含氮合金含有雜質(zhì)對鋼水會造成二次污染，影響鋼水潔凈度，含氮合金屬于單列的特殊合金，如果使用必須單獨管理增加了一系列管理上的工作量。

為了克服上述的不足，武鋼有限煉鋼廠三煉鋼產(chǎn)線（簡稱“三煉鋼”）在冶煉一種典型高氮鋼時，經(jīng)過煉鋼全流程工藝，特別是爐外精煉經(jīng)過RH真空處理時，不添加任何含氮合金，也不需要增加任何設(shè)備，而是通過階段控制RH真空度和RH提升氣體流量等，來利用鋼水穩(wěn)定增氮。而且不需要添加含氮合金，使生產(chǎn)成本大幅下降。同時，不添加含氮合金，避免了含氮合金含有雜質(zhì)對鋼水的二次污染，提高了鋼水潔凈度，提高了鋼質(zhì)。減少了含氮合金單獨管理的工作量。

1 生產(chǎn)工藝概況

三煉鋼生產(chǎn)的高氮鋼,典型鋼種其冶煉工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→吹A(chǔ)r（增氮處理）→LF鋼包爐(調(diào)溫、深脫硫、增氮處理)→RH真空（脫氣、去夾雜、增氮)→連鑄。

這類鋼種的典型化學(xué)成分要求如下表。

表1 典型化學(xué)成分

2 生產(chǎn)實踐及工藝優(yōu)化

由于高氮鋼要求的磷、硫含量較低，同時要求含氮量較高，要求一級探傷合格率高，故生產(chǎn)的主要重心是確保鋼水穩(wěn)定增氮的同時確保探傷合格率。

2.1 氮含量的控制

2.1.1 鋼液增氮的理論依據(jù)

（1）熱力學(xué)分析：氮在各種狀態(tài)下的鋼水中都有一定的溶解度，溶解過程吸熱（氮在γ-Fe的溶解度例外）。故氮在鋼水中的溶解度隨溫度的升高而增加，這個過程中，氮氣分子先被吸附在氣-鋼界面上，并分解成兩個氮原子，然后這些原子被鋼液吸收，其化學(xué)分子反應(yīng)式：

氮在鋼液中的溶解度符合平方根定律：

式中：Nα—氮在鋼液中的活度。

KN?--氮在鋼液中的質(zhì)量百分濃度。

fN—氮的活度系數(shù)。

KN--氮在鋼液中溶解的平衡常數(shù)。

[N%]—氮在鋼液中的質(zhì)量百分濃度。

PN2--氮的分壓力，以大氣壓力為單位。

氣體的溶解度除與溫度有關(guān)外，還取決于鐵的相結(jié)構(gòu)，即在不同的相結(jié)構(gòu)中，氣體溶解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)不同，即溶解度不同，溶解度隨溫度變化的速率不同，由此可標(biāo)出在不同溫度下氣體在鋼中的溶解度，其結(jié)果如下表2所示。

表2 氣體在鋼中的溶解度

（2）動力學(xué)分析：在煉鋼溫度條件下，鋼中Al、Ti、B、V等氮化元素與N的反應(yīng)為氣液反應(yīng)，主要分3個環(huán)節(jié)[3]：①氣體吸附為液體表面，氮化元素向界面?zhèn)鬟f；②氣一液界面化學(xué)反應(yīng)；③反應(yīng)產(chǎn)物向液體內(nèi)部擴散。由于內(nèi)部擴散容易，因此反應(yīng)元素的吸附及傳遞為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。對于N的傳質(zhì)系數(shù)可根據(jù)下式計算 ：

式中：[N]e-氮氣泡表面N濃度／(mol/m3)。

[N]0一鋼中原始[N]濃度／(mol/m3)。

[N]一實際N濃度／(mol/m3)。

A 一傳質(zhì)面積／m。

Rm 一傳質(zhì)系數(shù)。

W 一 鋼液質(zhì)量／kg。

t一時間／s。

分析公式可知，吹氮時間是鋼液增氮的主要動力學(xué)控制因素，吹氮流量雖不直接影響吸氮速度，但影響著鋼液的攪拌強度和鋼液中氮氣泡的彌散程度，彌散程度越高，氮氣與鋼液的界面就越大，增氮速度越快.

2.1.2 當(dāng)前設(shè)備條件下氮含量的現(xiàn)狀

由于目前采取的工藝是高爐鐵水→鐵水預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→吹A(chǔ)r（增氮處理）→LF鋼包爐(調(diào)溫、深脫硫、增氮處理)→RH真空（脫氣、去夾雜、增氮)→連鑄。

轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉采取正常的模式吹煉，轉(zhuǎn)爐出鋼時氮的含量平均值一般為25ppm。

氬站底吹氣體采用氮氣，通過控制底吹的時間來增氮，但是由于受生產(chǎn)節(jié)奏的制約，一般情況下氬站底吹氮氣時間小于10分鐘，增氮效果并不明顯，一般情況下氬站增氮平均值小于10ppm，離目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)，所以控制高氮的核心工藝是在鋼包爐和RH真空工藝。

一般而言鋼包爐的正常操作是調(diào)節(jié)溫度、深脫硫，一般底吹接的氬氣，受生產(chǎn)節(jié)奏制約，鋼包爐的處理時間也會有很大的波動。另一方面，鋼包爐的電極加熱在一定程度上會增氮，但是增氮值與時間的關(guān)系難以量化，波動較大。

真空處理工藝，由于這類鋼種對探傷的要求非常高，一方面要滿足鋼液純凈度的要求，要充分的脫氣，去夾雜，采取抽極限真空度的方法，從而確保這類鋼種的探傷合格。另一方面，鋼水中的氮含量要求又非常高，要采取合理的模式來增氮，這兩個方面是相互矛盾的，鋼液循環(huán)脫氣去夾雜的同時，同樣會脫氮，使氮達(dá)到一個平衡值，這個平衡值為30ppm，在真空循環(huán)狀態(tài)下，當(dāng)鋼水中氮含量大于30ppm時，主要表現(xiàn)為脫氮，即降低鋼水中氮含量。當(dāng)鋼水中氮含量小于30ppm時，脫氮速率明顯降低，脫氮困難。所以當(dāng)正常情況下真空循環(huán)脫氣去夾雜結(jié)束后鋼水中氮含量小于30ppm。

綜上所述，目前的工藝要達(dá)到該典型鋼種氮含量控制在0.0150%的目標(biāo)，必須改進傳統(tǒng)的工藝。

2.1.3 高氮鋼氮含量的控制實踐

（1）轉(zhuǎn)爐要求新開爐前6爐和補爐后第一爐不得冶煉此鋼，為有效控制出鋼氮含量，轉(zhuǎn)爐在吹煉模式選擇上做出較大改進，轉(zhuǎn)爐采用全程供氮的吹煉模式進行吹煉，必要時可進行雙渣操作，可采用高拉補吹，保證轉(zhuǎn)爐終點C-T協(xié)調(diào)。采用這種模式可有效增加出鋼氮含量，一般可控制氮含量在40ppm左右。

（2）氬站同樣采取增氮操作：即由原來采用底吹氬氣的操作改為全程底吹氮氣來控制，但是由于會受生產(chǎn)節(jié)奏的制約，一般而言，接底吹10分鐘的氮氣，然后測溫，取樣。

（3）鋼包爐的主要任務(wù)是脫硫、升溫和增氮，脫硫采用深脫硫的方法。主要還是在底吹氣體上做改進，由原來底吹氬氣改為底吹氮氣，增氮的方法即采用全程底吹氮氣，鋼包爐操作過程應(yīng)加石灰造好還原渣，石灰量一般為3噸左右，同時保證過程酸溶鋁含量適量，一般在0.040%左右，以便于脫硫，視大罐底吹效果來定，一般按照1000L/min～1200L/min的流量控制，增氮速率通過試驗確定，一般增氮速率為3ppm/min,底吹全程吹氮氣40分鐘，同時鋼包爐深脫硫的時候加熱、攪拌同樣是增氮的過程。通過上述操作可將鋼包爐處理結(jié)束樣氮的含量控制在180ppm至200ppm之間，整個過程操作同樣要多取試樣，以此來及時掌握鋼水中氮含量的變化。

（4）真空處理86分鐘，由于鋼液中氮會隨真空循環(huán)處理過程脫去一部分，會隨著時間而變化，故在真空冶煉過程中盡量多取試樣，每5～10分鐘取樣一次，分析[N]元素含量，隨時掌握氮含量的變化，真空上升管的提升氣體全程采用氮氣。

先按D-1模式進行真空處理，D-1模式是真空開始處理時依次啟動輔助真空泵和增壓泵，即所有真空泵全啟動，7分鐘到達(dá)極限真空度，真空度控制在0.130kpa以下，且保持極限真空度8分鐘，按目標(biāo)成份進行合金微調(diào)，加完合金后循環(huán)時間≥5分鐘，處理15分鐘以上，使鋼液在高真空度狀態(tài)下充分脫氣，去夾雜，讓鋼液更純凈，確保探傷合格。

由于按上述D-1模式進行真空處理,高真空度下鋼液循環(huán)會脫去一部分氮，一般而言，在極限真空度狀態(tài)下，當(dāng)?shù)吭?0ppm以上時，真空度在100Pa以下，真空的脫氮速率為10ppm/min,當(dāng)?shù)吭?0ppm以下時，同樣真空度在100Pa以下，真空的脫氮速率明顯減緩，實驗值表明脫氮速率為5ppm/min左右,故當(dāng)保持極限真空度8分鐘后，需要重新操作泵系統(tǒng)，控制真空度在3±2kPa，保持時間45分鐘以上，同時根據(jù)過程氮樣來控制增氮的時間。

通過以上煉鋼全流程精確控制氮成分，能使鋼水中氮含量達(dá)到目標(biāo)要求，且能夠穩(wěn)定、固化下來，其取全流程的氮含量平均值（ppm）得增氮規(guī)律如下圖1。

圖1 全流程增氮規(guī)律

3 結(jié)論

（1）對于高氮鋼這一類典型的鋼種而言，通過控制真空泵系統(tǒng)，合理控制真空度曲線的變化，能克服真空循環(huán)狀態(tài)下增氮與脫氮的困難。

（2）通過轉(zhuǎn)爐冶煉選擇合理的吹煉模式，吹氬站、鋼包爐、RH真空三大精煉工藝選擇合理的增氮模式，通過全流程改進工藝，精確控制，能使鋼液中[N]含量穩(wěn)定受控。