53Cr21Mn9Ni4N鋼的氮含量控制分析

陳建東

(上海重型機器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

53Cr21Mn9Ni4N鋼的氮含量控制分析

陳建東

(上海重型機器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

分析合金元素和鋼水溫度對氮含量的影響，通過增大氮氣流量攪拌鋼液和加入氮化鉻穩(wěn)氮等措施，穩(wěn)定控制鋼水中的氮含量。

脫碳保鉻；AOD爐吹煉；氮合金化；鋼水溫度；氮含量

53Cr21Mn9Ni4N(簡稱21-4N)是目前世界各國用來制造發(fā)動機排氣門的主要鋼種，它是以奧氏體為基體，以碳、氮化合物作為沉淀硬化相彌散分布，以獲得足夠的高溫強度、韌性、硬度、耐磨性以及在冷熱交變條件下組織的穩(wěn)定性、抗氧化性和耐氧化鉛的腐蝕性[1]。21-4N鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 21-4N鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 21-4 steel (mass fraction, %)

1 氮在AOD爐內(nèi)合金化

氮是氣體元素，其在鋼液中的溶解度服從西華特(Sieverts)定律，溶解度公式為[2]：

lgw[N] =1/2lg (pN2/PΘ+lgKN-lgfN

(1)

式中，w[N] 為鋼液中氮的質(zhì)量百分濃度；KN為氮溶解的平衡常數(shù)；fN為鋼液中氮的活度系數(shù)；pN2為氮氣分壓，單位為Pa；PΘ為標(biāo)準態(tài)壓力，PΘ=101 325 Pa。

由公式(1)可推知，氮氣的閥后壓力升高，則氮的溶解度增加。實際操作中考慮到高壓力氮氣對AOD爐爐襯帶來的不利影響，一般側(cè)槍出口壓力 (pN2≤1.0×106Pa)。

氮在鋼液中的溶解度除受氮分壓影響外，還受合金元素及溫度的影響。與氮親和力強的元素從強到弱依次為Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mn等[3]。即如果合金元素與氮的親和力強，氮在鋼液中的活潑程度下降，氮的活度減小，氮含量增加?？紤]到合金元素對氮的一階相互作用系數(shù)，在1 873 K時，氮溶解度的熱力學(xué)模型為[4]：

(2)

式中，T為溫度，單位為K。

2 21-4N氣門鋼氮氣合金化的工業(yè)化生產(chǎn)

21-4N氣門鋼氮氣合金化的工業(yè)化生產(chǎn)在江蘇泰州某特鋼廠的60 t AOD爐上進行。60 t AOD爐的主要工藝參數(shù)見表2。

2.1 “脫碳保鉻”期主槍采用大流量氮氣吹煉

表2 60 t AOD爐主要工藝參數(shù)Table 2 Main technological parameter of 60 t AOD

表3 21-4N鋼開吹時的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Main chemical composition of 21-4N steel at the beginning of blowing (mass fraction, %)

該廠采用“新三步”法(合金液+低磷鋼水→AOD吹煉)冶煉21-4N鋼。開吹時的主要成分如表3所示。

入AOD爐的鋼水溫度為1 460～1 500℃。脫碳期全程主槍氮氣流量≥10 Nm3/min，即只能將氮氣流量調(diào)大，不能調(diào)小。氧氣最大流量25 Nm3/min。根據(jù)脫碳的進程及鋼水溫度，改變氧氣流量，達到“脫碳保鉻”的目的。圖1為含碳量、溫度、氧化時間與含氮量之間的關(guān)系曲線。

由圖1可見，取碳樣(A點)時w[N]>0.12%，之后隨著氧氣流量的減小，鋼水緩慢升溫，氮含量急劇增加，到氧化終點(B點)時氮含量接近0.135%。

2.2 進入預(yù)還原后提高主槍氮氣的流量，確保扒渣時w[N]≥0.37%

圖1 含碳量、溫度、氧化時間與含氮量之間的關(guān)系曲線Figure1 Relation curve between carbon content, temperature, oxidation time and nitrogen content

圖2 預(yù)還原期間鋼水的增氮曲線Figure2 Nitrogen increasing curve of liquid steel during prereduction period

圖3 預(yù)還原期間氮含量與鋼水溫度的關(guān)系曲線Figure3 Relation curve between nitrogen content and liquid steel temperature during prereduction period

進入預(yù)還原后，加入(3.5～4.0) kg/t的鋁錠、17 kg/t的硅鐵、(8.0～10.0) kg/t的螢石、45 kg/t的電解錳。加入50%以上電解錳的目的，一是為防止扒渣后電解錳加入量太多，引起鋼水大幅度降溫；二是Cr-Mn-N有良好的結(jié)合，提前降低氮的活度，滿足增氮的需要。預(yù)還原時間控制在9 min～10 min，主槍氮氣流量14 Nm3/min。圖2為預(yù)還原期間鋼水的增氮曲線。

由圖3可見：(1) 在相同的預(yù)還原時間內(nèi)，隨著主槍氮氣流量增加，氮氣合金化更加容易；(2)出口氮氣流量采用14 Nm3/min，預(yù)還原時間接近9 min時，氮氣合金化存在一個拐點，即過了這個點，氮氣合金化效果不再明顯；(3) 氮氣流量采用10 Nm3/min到預(yù)還原終點時w[N]<0.36%，而氮氣流量采用14 Nm3/min到預(yù)還原終點時w[N]達到0.37%左右。即預(yù)還原期間加大氮氣流量攪拌鋼水更有利于氮氣的合金化。

2.3 預(yù)還原時鋼水溫度對氮含量的影響分析

AOD吹煉21-4N氣門鋼時側(cè)槍出口PN2及鋼中各元素成分可控，扒渣前的化學(xué)成分如表4所示，PN2設(shè)定為1.0×106Pa。根據(jù)式(2)，可得出AOD吹煉21-4N氣門鋼預(yù)還原期間氮含量與鋼水溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

表4 21-4N鋼預(yù)還原合金化后的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical composition of 21-4N steel after prereduction and alloying (mass fraction,%)

表5 21-4N鋼吹煉過程中精煉期的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 5 Chemical composition of 21-4N steel during refining period of blowing process (mass fraction, %)

由圖3可以看出，氮在21-4N氣門鋼鋼液中的溶解度隨溫度降低而增加。這是由于21-4N氣門鋼中合金元素對氮的作用，改變了氮的溶解度隨溫度升高而增加的規(guī)律。進入預(yù)還原后，隨著還原劑、助熔劑及電解錳的加入，鋼液溫度很快降低。當(dāng)鋼水溫度<1 545℃后，氮含量與溫度幾乎呈斜線關(guān)系，說明低溫階段氮氣合金化速度很快。另外，考慮到后續(xù)工序的溫降，扒渣前鋼水溫度≥1 540℃。預(yù)還原9 min～10 min側(cè)爐扒渣時必須符合這一溫度控制目標(biāo)，此時氮含量達到0.37%左右(如果扒渣前鋼水溫度<1 540℃，可加鋼芯鋁返吹氧升溫后再扒渣)。

2.4 精煉期鋼水溫度對氮含量的影響分析

進入精煉期后，鋼水溫度下降很多，氮氣合金化更加容易。AOD爐吹煉21-4N氣門鋼精煉期成分見表5。AOD爐精煉微調(diào)成分時留出鉻的原因是LF精煉時需加少量氮化鉻穩(wěn)氮。

圖4為AOD爐精煉期氮含量與鋼水溫度的關(guān)系曲線，理論計算按照式(2)進行。氮氣流量采用14 Nm3/min，精煉時間7 min～8 min，精煉期溫降(6～7)℃/min。該鋼種的液相線溫度為1 405±5℃，要求AOD出鋼溫度1 460～1 470℃。

由圖4可見，隨著精煉期鋼水溫度的下降，氮氣合金化率迅速增加，說明扒渣后鋼水溫降能適應(yīng)氮氣合金化的工藝要求。當(dāng)?shù)窟_到0.48%時，鋼水溫度已下降到1 460℃以下，此時用來合金化的氮氣，有一部分短時間內(nèi)難以成離子態(tài)進入鋼水與Cr、Mn結(jié)合成穩(wěn)定的化合物。另外，如果再延長精煉時間，鋼水溫降過多，將影響后道工序的正常操作。這也就是AOD爐出鋼后在LF爐精煉過程中要加氮化鉻再次穩(wěn)氮的目的。當(dāng)AOD爐達到出鋼溫度要求時，氮含量控制在0.455%～0.475%之間。

圖4 AOD爐精煉期氮含量與鋼水溫度的關(guān)系曲線Figure4 Relation curve between nitrogen content and liquid steel temperature during refining period of AOD furnace

3 LF鋼包精煉爐穩(wěn)氮操作

LF精煉過程中采用氮化鉻再次控氮，氮化鉻含氮量為6.0%～6.5%。鋼包進入LF爐精煉工位取樣后，會發(fā)現(xiàn)氮含量比AOD爐出鋼樣減少7.0%～9.0%。這是因為AOD爐出鋼過程中，鋼渣混沖時部分自由氮以N2形式逸出。LF爐精煉前期，隨著鋼水溫度的提高，氮含量還會減少2.0%～3.0%左右。沒有與鋼水里的合金元素結(jié)合的自由氮，在鋼坯中是有害的，它降低鋼的塑性，提高硬度及脆性，導(dǎo)致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡[3]。因此，LF爐只能底吹A(chǔ)r攪拌鋼液，促使氮離子呈彌散形式均勻分布到C-Cr-Mn-Ni的晶界中去，形成穩(wěn)定的基體組織。LF爐出鋼氮含量控制目標(biāo)為0.43%～0.46%。

4 VD處理時對鋼水氮含量的影響

21-4N氣門鋼中，氮與強氮化元素鉻、錳結(jié)合成了穩(wěn)定的氮化物，大大降低了氮的活度。并且氮的原子半徑大，擴散系數(shù)小，因此，真空處理時脫氮率只有0～10%[2]。圖5為有效真空度65 Pa時氮含量與有效真空時間之間的關(guān)系曲線。

圖5 有效真空度65 Pa時氮含量與有效真空時間之間的關(guān)系曲線Figure5 Relation curve between nitrogen content and effective vacuum time when the effective vacuum degree is 65 Pa

從圖5可以看出，有效真空時間為8 min～10 min時，氮含量基本不減少。

5 結(jié)論

(1)“脫碳保鉻”期在主槍氮氣流量≥10 Nm3/min情況下攪拌鋼液，氧化終點的氮含量能達到0.135%。

(2)AOD爐預(yù)還原期間氮氣流量增大到14 Nm3/min，扒渣時氮含量可以增大到0.37%左右。

(3)AOD爐精煉期間，隨著鋼水溫度的下降，仍然采用14 Nm3/min的氮氣流量攪拌鋼液，出鋼前氮含量可以控制在0.455%～0.475%之間。

(4)LF爐需加入氮化鉻穩(wěn)氮，確保LF爐出鋼氮含量穩(wěn)定在0.43%～0.46%之間。

(5)VD處理時氮含量基本不減少。

[1] 劉祖林，彭光俊，李華飛.發(fā)動機氣閥鋼21-4N固溶沉淀及冷拉材裂紋分析[J].車用發(fā)動機，1996(6)：36-39.

[2] 雷亞，楊治立，任正德，等.煉鋼學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3] 黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[4] 時彥林，包燕平，董中奇.VOD精煉316L不銹鋼吹氮合金化的研究[J].特殊鋼，2011(1)：16-18.

編輯 杜青泉

Analysis on Nitrogen Content Control of 53Cr21Mn9Ni4N Steel

ChenJiandong

The influence of alloying elements and liquid steel temperature on nitrogen content is analyzed. Measures as increasing nitrogen flow rate and adding chromium nitride are conducted to stabilize the nitrogen content of liquid steel.

decarburization and preservation of chromium；blowing by AOD furnace；nitrogen alloying; temperature of liquid steel; nitrogen content

2013—08—07

陳建東(1967—)，男，冶金工程師，主要從事煉鋼、連鑄、大型鋼錠澆鑄的工藝技術(shù)研究。

TG142.25

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