含硼冷墩鋼10B21 氮含量的控制實(shí)踐

許用會(huì) 袁希金 馮 超 張占杰

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司)

0 前言

含硼冷墩鋼10B21 主要用于生產(chǎn)8.8 級(jí)高強(qiáng)度緊固件。為了降低冷變形抗力，滿足省略球化退火直接冷墩成型的要求，將碳、硅含量控制在較低水平；同時(shí)為了保證強(qiáng)度和淬透性，適當(dāng)添加硼含量；而鋼中的硼要以酸溶硼的形式存在才有意義，但硼的性質(zhì)極為活潑，在鋼中硼能與氮化合形成穩(wěn)定的夾雜物而失去作用。因此，為保證鋼種的淬透性，控制鋼中的氮含量是必要的。

1 試驗(yàn)方法

10B21 的化學(xué)成分見(jiàn)表1。其生產(chǎn)流程：轉(zhuǎn)爐→吹氬→LF 精煉→（喂線）軟吹→連鑄（150 mm ×150 mm），分別取4 個(gè)爐次轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)、吹氬站、LF 進(jìn)站、LF 精煉結(jié)束、軟吹結(jié)束及連鑄（中包）各工序氣體樣，加工成￠4 mm 圓柱試樣，將試樣用乙醚和無(wú)水乙醇依次進(jìn)行超聲清洗，用LECO TC-500 氧/氮分析儀測(cè)得各工序的氮含量，經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出氮含量的變化情況。

表1 10B21 的化學(xué)成分

2 結(jié)果與分析

2.1 氮含量變化

對(duì)10B21 試驗(yàn)爐次各工序的氣體氮含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其變化作圖，結(jié)果分別見(jiàn)表2 和圖1。10B21 試驗(yàn)爐次各工序的增氮量見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)爐次氣體N 含量統(tǒng)計(jì)

表3 試驗(yàn)爐次各工序增氮量統(tǒng)計(jì) %

從圖1 可以看出，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量控制在0.001 7%～0.002 2%，波動(dòng)較小，這表明試驗(yàn)爐次在相同的裝入制度和底吹條件下氮含量控制穩(wěn)定，出鋼合金化后，平均增氮量達(dá)到0.000 6%，經(jīng)過(guò)LF 加熱處理后，終點(diǎn)氮含量平均增加了0.001 5%，最大增氮量達(dá)到0.001 8%，喂線再經(jīng)軟吹處理后，平均增氮量控制在0.000 8%，連鑄工序保護(hù)澆注的平均增氮量控制在0.000 6%。

圖1 試驗(yàn)爐次氣體N 含量

精煉加熱處理過(guò)程中增氮最為嚴(yán)重，增氮量排序依次為精煉加熱（LF 加熱）工序、軟吹工序、爐后（合金化）工序、連鑄工序。

2.2 各工序增氮機(jī)制

熱力學(xué)計(jì)算表明，1 600 ℃時(shí)鋼水[N]的溶解度約為0.040%，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量控制在0.002 0%。由此可見(jiàn)，鋼液吸氮是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，控制鋼水的氮含量即控制鋼液的增氮量。

2.2.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量控制

轉(zhuǎn)爐脫碳過(guò)程也是一個(gè)脫氮過(guò)程，鋼中氮的去除是由于脫碳時(shí)生成大量的CO 氣泡，生成的CO氣泡對(duì)于氮來(lái)說(shuō)相當(dāng)于真空，所以它能將氮帶走。碳氧反應(yīng)越激烈，生產(chǎn)的CO 氣泡越多，脫氮效率越好。研究表明，在轉(zhuǎn)爐冶煉的前期和中期，底吹氮?dú)獠粫?huì)使鋼液增氮，而到冶煉后期，由于碳氧反應(yīng)減弱，脫碳速度降低，脫氮量減少，在非碳氧反應(yīng)區(qū)，高溫鋼液吸氮量會(huì)增加。因此，在相同的裝入制度和底吹條件下鋼液氮含量控制較穩(wěn)定。

2.2.2 轉(zhuǎn)爐爐后增氮

轉(zhuǎn)爐爐后的增氮量有兩個(gè)來(lái)源，包括出鋼過(guò)程中的鋼液吸氮、加入的合金及增碳劑增氮。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，爐后加入的合金及增碳劑的增氮量小于0.000 2%，因此鋼液吸氮是增氮的主要來(lái)源。理論研究和實(shí)踐已經(jīng)證明，表面活性元素氧和硫是影響鋼液氮含量變化的重要因素，當(dāng)鋼中溶解氧含量高于0.02%時(shí)，向鋼液中吹氮可以不吸氮，因此出鋼前期鋼水雖然裸露，但由于鋼水氧含量高，鋼水增N 量有限。從出鋼加入強(qiáng)脫氧劑后，鋼中的氧含量急速降低，吸氮量明顯增加。同時(shí)爐后氮含量跟出鋼口的狀態(tài)有關(guān)，出鋼過(guò)程鋼液散流，一般增氮量達(dá)0.000 5%～0.000 7 %左右，為控制增氮量，需確保出鋼時(shí)間≥4 min且不散流。

2.2.3 LF 精煉過(guò)程增氮機(jī)制

在LF 爐精煉前期，加入渣料未完全融化，電弧下的鋼液會(huì)裸露在大氣中，電弧溫度一般高達(dá)2 400～2 600 K，吸氮現(xiàn)象嚴(yán)重。在LF 精煉過(guò)程中，鋼液脫氧、脫硫良好，由于氧、硫的表面活性作用而阻礙鋼液吸氮的作用基本消失，加上底吹的強(qiáng)攪拌作用，鋼液裸露是LF 增氮的直接原因。在LF 爐精煉后期喂鈣線過(guò)程中，鈣線穿過(guò)渣層發(fā)生反應(yīng)，鋼液裸露也會(huì)造成吸氮。

2.2.4 LF 軟吹過(guò)程增氮機(jī)制

為保證鋼水純凈度，在LF 精煉結(jié)束后，要保證≥10 min 的軟吹時(shí)間。研究證明溶解氧低于0.00 2%的情況下鋼液吸氮明顯。因此，控制軟吹氣流量是影響鋼液氮含量控制的重要因素。

2.2.5 連鑄過(guò)程增氮機(jī)制

連鑄保護(hù)澆注是影響鋼水增氮量的重要措施，其中包括長(zhǎng)水口密封、浸入式水口密封，中包覆蓋情況及結(jié)晶器液面保護(hù)渣覆蓋等控制環(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，鋼水鋁含量對(duì)鋼水氮含量存在影響，鋼液中的鋁含量高，增氮量就大，這同樣是對(duì)由于氧的表面活性作用而阻礙鋼液吸氮的作用的一個(gè)佐證。

2.3 鋼中氮的控制措施

2.3.1 轉(zhuǎn)爐爐后控氮

為保證鋼水純凈度，一般在轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中加入足量的脫氧劑，將鋼液氧含量降到極低水平，盡量避免在后期補(bǔ)加脫氧劑，通過(guò)精煉、軟吹處理，大部分脫氧產(chǎn)物從鋼液中排除。由于氧是表面活性元素，在出鋼過(guò)程加入強(qiáng)脫氧劑（如Al）后，氧含量大大降低，使氧阻礙鋼液吸氮的能力減弱，因此出鋼過(guò)程的吸氮量會(huì)進(jìn)一步增加。為了減少出鋼過(guò)程的增氮，設(shè)計(jì)了不同的脫氧方式來(lái)研究對(duì)氮含量控制的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種不同的脫氧方式：（1）出鋼過(guò)程一次加足夠的鋁進(jìn)行強(qiáng)脫氧；（2）出鋼時(shí)加入一定量的鋁，控制爐后鋼液的氧含量，在LF 進(jìn)站再喂入Al 線進(jìn)行強(qiáng)脫氧。精煉采用的渣系均為高堿度渣，堿度約為10。實(shí)驗(yàn)得到的平均氧含量如圖2 所示，得到的氮含量如圖3所示。

圖2 脫氧方式對(duì)氧含量的影響

從圖2 和圖3 可以看出，不同脫氧方式對(duì)成品氧含量沒(méi)有影響，成品氮含量存在顯著差異。關(guān)于吹氬站的全氧含量，采用脫氧方式Ⅱ時(shí)的平均全氧含量達(dá)到0.0106 %，吹氬站平均氮含量為0.0016 %，而采用脫氧方式I 時(shí)的平均全氧含量為0.0021%，平均氮含量達(dá)到0.0023 %，明顯比脫氧方式Ⅱ的氮含量高。由此可見(jiàn)，出鋼過(guò)程的鋼液氧含量高的話，可以有效控制鋼液吸氮，從控氮的角度考慮，采用脫氧方式Ⅱ更為有利。采用脫氧方式Ⅱ能有效地控制氮含量，與脫氧方式I 的差值約0.0011 %。

圖3 脫氧方式對(duì)氮含量的影響

2.3.2 防止LF 吸氮技術(shù)

為滿足鋼液成分、正常的生產(chǎn)溫度及夾雜物去除的需求，必須保證10B21 鋼種的LF 處理時(shí)間，因此防止鋼液吸氮的關(guān)鍵在于控制鋼液面的裸露及渣的覆蓋效果。為控制LF 爐精煉前期渣料未完全熔化造成的吸氮量，在轉(zhuǎn)爐爐后加入預(yù)熔渣，出鋼后鋼液面覆蓋效果良好。在加熱過(guò)程中，分批加入渣料，采用埋弧操作，并增大渣量，避免鋼水與空氣接觸；同時(shí)，采用微正壓操作，確保LF 爐內(nèi)為還原性氣氛，且控制好吹氬攪拌功率和鋼液面翻騰程度，減小鋼液面裸漏面積。精煉終點(diǎn)優(yōu)化喂線速度，控制反應(yīng)的劇烈程度，從而達(dá)到控制增氮效果。

2.3.3 軟吹及連鑄增氮控制

軟吹及連鑄增氮控制同時(shí)是避免鋼水與大氣直接接觸，軟吹工序要控制好底吹強(qiáng)度，連鑄在做好長(zhǎng)水口及浸入式水口密封的前提下，每爐次及時(shí)添加中包覆蓋劑，保證中包鋼液面的覆蓋效果。

3 實(shí)施效果

按上述工藝方案進(jìn)行10B21 生產(chǎn)時(shí)，隨機(jī)對(duì)4爐鋼水進(jìn)行取樣分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4 可以看出，隨機(jī)抽查的4 爐鋼各個(gè)工序的增氮量均得到了有效控制，特別采取在脫氧方式Ⅱ時(shí)，吹氬站平均氮含量控制在0.002 1%，LF 處理終點(diǎn)平均氮含量控制在0.003 4%，連鑄坯平均氮含量控制在0.003 8%，相比工藝調(diào)整前降低了約0.002 0 %，10B21 的增氮問(wèn)題得到了有效控制。

表4 試驗(yàn)爐次氣體N 含量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)10B21 各工序氮含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)精煉加熱處理過(guò)程中增氮最嚴(yán)重，終點(diǎn)氮含量平均增加了0.001 5%，最大增氮量達(dá)到0.001 8%。

（2）轉(zhuǎn)爐爐后不同脫氧方式對(duì)氮含量控制存在影響，對(duì)LF 精煉、軟吹和連鑄等工序均采取控制措施是控制鋼水氮含量的關(guān)鍵。

（3）優(yōu)化各工序的工藝措施后，10B21 連鑄坯平均氮含量控制在0.003 8%，相比工藝調(diào)整前降低了約0.002 0%，產(chǎn)品氮含量得到了有效控制。