硬線鋼SWRH82B 控氮技術(shù)研究

孫福來

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

氮元素對(duì)硬線鋼來講是絕對(duì)有害元素，氮元素在鋼中溶解度很低，極易形成氮化物夾雜析出，嚴(yán)重影響硬線鋼的拉拔性能和韌性。天津鋼鐵有限公司（下稱天鋼）在生產(chǎn)SWRH82B 硬線鋼時(shí)，出現(xiàn)大量脆斷缺陷。脆斷缺陷主要表現(xiàn)形式：一種是盤條碳偏析導(dǎo)致在高速線材軋制控冷過程析出網(wǎng)狀碳化物，在拉拔過程中造成尖窩斷裂；另一是由于鋼中氮含量高（平均水平在50～65 ppm），在SWRH82熱軋盤條拉拔過程中，游離N 導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，導(dǎo)致盤條現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，即加工硬化嚴(yán)重，在拉拔過程中表面出現(xiàn)的橫裂。

本文根據(jù)天鋼生產(chǎn)SWRH82B 硬線鋼的工藝特點(diǎn)，分析了各工序?qū)︿撍械康挠绊懸蛩匾约颁撍械闹饕獊碓?。從煉鋼、連鑄兩方面提出了SWRH82B 硬線鋼控氮技術(shù)措施，制定了控氮技術(shù)措施的實(shí)施方案，并對(duì)實(shí)施方案的效果進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 各工序?qū)︿撍械康挠绊懛治?/h2>

由于氮含量高造成的SWRH82B 硬線鋼拉拔脆斷的缺陷占總?cè)毕莸?0%以上，其典型斷口及金相組織如圖1 所示。因此，對(duì)SWRH82B 硬線鋼生產(chǎn)來講，鋼中氮含量的控制尤為重要。

圖1 宏觀斷口及金相組織

對(duì)鋼水中氮含量的控制，首先要分析鋼水中的氮元素的來源。根據(jù)相關(guān)資料和生產(chǎn)實(shí)踐可知，鋼水中的氮主要來源于空氣帶入和冶煉過程中增碳劑、合金、造渣料等的帶入，因此要控制鋼水中氮含，就要從避免鋼水與空氣接觸，以及使用含氮量較低的增碳劑、合金、造渣料等煉鋼生產(chǎn)材料方面做工作。

1.1 SWRH82B 硬線鋼生產(chǎn)工藝

根據(jù)天鋼現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備特點(diǎn)，SWRH82B 盤條生產(chǎn)采用的工藝流程為：鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→方坯連鑄機(jī)→檢驗(yàn)精整→高速線材軋機(jī)→硬線鋼盤條。

1.2 轉(zhuǎn)爐工序鋼中氮含量的影響分析

1.2.1 轉(zhuǎn)爐吹煉對(duì)鋼中氮含量影響

一般轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，在吹煉的前、中期鋼水中的氮含量都會(huì)降低，這是由于在冶煉整個(gè)過程會(huì)伴隨著碳氧反應(yīng)生產(chǎn)大量一氧化碳?xì)怏w，鋼中的氮會(huì)隨著這些氣體排出鋼水。而隨著鋼中的碳含量減少，吹煉末期生成一氧化碳?xì)怏w的速度降低，而此時(shí)轉(zhuǎn)爐如果底吹是氮?dú)?，鋼水中氮含量就?huì)增加。

現(xiàn)階段生產(chǎn)過程中的底吹方式有全程底吹氮?dú)夂痛禑捘┢诘状涤傻獨(dú)馇袚Q為氬氣兩種模式，目前天鋼采用吹煉末期底吹由氮?dú)馇袚Q為氬氣的底吹模式。

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉開始后，隨著劇烈的碳氧反應(yīng)，鋼中的氮會(huì)隨著大量一氧化碳?xì)馀菖懦?，此時(shí)與底吹氣源無關(guān)。

（2）轉(zhuǎn)爐吹煉至中期階段，此時(shí)使用底吹的氣源是氮?dú)饣蚴菤鍤鈺r(shí)，通過大量取樣分析，鋼水中的氮含量相差不大，說明此時(shí)鋼中氮含量仍與底吹氣源無關(guān)。

（3）轉(zhuǎn)爐吹煉至末期階段，通過取樣分析，在盡可能保證其他冶煉條件相同的情況下，鋼中氮含量在全程底吹氮?dú)獾臓t次要比末期切換成氬氣的爐次一般高3～12 ppm，說明吹煉末期底吹氣源的選擇對(duì)鋼水增氮影響明顯。

（4）終點(diǎn)補(bǔ)吹對(duì)鋼水增氮是轉(zhuǎn)爐工序影響最大的因素。吹煉結(jié)束后，有時(shí)會(huì)因?yàn)榻K點(diǎn)溫度、鋼水成分等因素進(jìn)行補(bǔ)吹。在補(bǔ)吹前，轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)已經(jīng)充滿空氣，在進(jìn)行補(bǔ)吹的過程中，隨著受到氧氣壓力的沖擊，使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)空氣與鋼水有了接觸的機(jī)會(huì)，進(jìn)而使鋼水中氮含量增加。經(jīng)實(shí)踐證明，未補(bǔ)吹爐次與補(bǔ)吹0～30 秒和30～90 秒的爐次出鋼后測(cè)定鋼中氮相差5～10 ppm。圖2 顯示補(bǔ)吹氧氣量對(duì)鋼中氮含量的影響。

圖2 補(bǔ)吹氧氣量對(duì)鋼中氮的影響

1.2.2 脫氧合金化對(duì)鋼水增氮的影響

一般鋼種采用鋁脫氧，但是由于鋁元素與氮可以相結(jié)合生成氮化鋁化合物，具有固氮作用，因此，在冶煉SWRH82B 鋼時(shí)，我們采用不含鋁的硅鈣鋇合金作為脫氧劑。

由于SWRH82B 鋼種成品碳含量較高，在出鋼時(shí)要使用大量增碳劑，普通增碳劑的氮含量在標(biāo)準(zhǔn)中和協(xié)議中都沒有要求，經(jīng)檢測(cè)通常在2000～4000 ppm，用這種增碳劑增碳0.10%時(shí)，鋼中氮含量增加約2～5 ppm。而低氮增碳劑氮含量要求≤300 ppm，因此，在冶煉SWRH82B 鋼種時(shí)，使用低氮增碳劑是降低鋼中氮含量最直接最有效的方法。

1.2.3 轉(zhuǎn)爐其他操作對(duì)鋼水增氮的影響

（1）未出鋼前，轉(zhuǎn)爐處在吹煉位置，此時(shí)如果進(jìn)行煙道吹掃、壓泡沫渣等操作，會(huì)造成鋼水增氮。

（2）吹煉末期，由于操作不當(dāng)，氧槍大幅度升高，此時(shí)鋼水可能出現(xiàn)大翻，造成與空氣接觸，使得鋼水氮增加。

（3）由于鋼包內(nèi)充滿空氣，在出鋼過程中，鋼水和鋼包內(nèi)空氣“充分接觸”，致使空氣進(jìn)入鋼水，造成鋼水增氮。同理，出鋼時(shí)間的減少，也減少了鋼液與空氣“充分接觸”，有利于減少鋼水增氮。

（4）出鋼過程后半程對(duì)鋼水加入石灰，進(jìn)行渣洗，形成一層隔絕空氣的渣層，一方面可以減少鋼水增氮，另一方面利于精煉快速化渣，有益于精煉脫硫操作。

1.3 精煉過程對(duì)鋼中氮含量的影響

通過分析發(fā)現(xiàn)：LF 精煉過程中對(duì)鋼水增氮影響較大的因素是電離使空氣中的氮由分子狀轉(zhuǎn)變?yōu)樵訝?，而氮原子可以更容易融入到鋼液中，使鋼液增氮；另一個(gè)影響因素就是精煉過程中鋼液與空氣接觸，造成空氣中的氮元素進(jìn)入到鋼液，使鋼液增氮。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，LF 精煉對(duì)鋼水增氮影響較?。ㄒ妶D3）。這主要是由于精煉渣可有效阻隔空氣與電弧和鋼水的接觸，防止氮分子電離和鋼水吸氮。同時(shí)，在生產(chǎn)SWRH82B 的精煉過程中，適當(dāng)降低LF 爐給電過程中底吹氬的氣量，保證軟吹過程中鋼液不接觸空氣，也是防止鋼水吸氮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而精煉渣的堿度和流動(dòng)性對(duì)鋼水脫硫、脫氧和吸附夾雜物影響極大，在實(shí)際鋼種冶煉過程中應(yīng)根據(jù)SWRH82B 性質(zhì)對(duì)精煉渣成分進(jìn)行調(diào)整[1]。因天鋼以往生產(chǎn)SWRH82B 過程中，精煉在造渣和底吹氬氣方面做得較好，因此精煉過程增氮較少。

圖3 LF 精煉過程氮含量變化

1.4 連鑄保護(hù)澆鑄對(duì)鋼中氮含量的影響

連鑄采用全程保護(hù)澆注，使得鋼水與空氣難以接觸。在鋼包到中間包，中間包到結(jié)晶器的過程中，分別采用長(zhǎng)水口、浸入式水口；在中間包要使用覆蓋劑，在結(jié)晶器使用保護(hù)渣，這些都是全程保護(hù)的措施。而在各部位連接處，如果不采用相應(yīng)的處理方式，鋼水也會(huì)在這些地方與空氣進(jìn)行接觸，進(jìn)而增氮，使用氬氣氣封可很好地解決這個(gè)問題。連鑄中間包覆蓋劑與結(jié)晶器保護(hù)渣，對(duì)鋼液吸氮的影響較小或幾乎不影響，通過對(duì)鋼水進(jìn)行取樣分析，鋼水氮含量幾乎沒有變化。

研究表明，鋼液由鋼包至中間包過程：無保護(hù)澆注時(shí)，鋼液增氮約17 ppm；無長(zhǎng)水口保護(hù)澆注，鋼液增氮約14 ppm；無鋼包與長(zhǎng)水口間氬氣保護(hù)澆注，鋼液增氮約3 ppm。因此做好鋼包至中間包的鋼液保護(hù)是連鑄工藝防止鋼液增氮的關(guān)鍵。

2 控氮改進(jìn)措施

鋼水中氮元素的去除是非常困難的，因此要想控制鋼水中氮含量，只能通過控制氮元素進(jìn)入鋼水的途徑來減少氮含量。根據(jù)氮元素的來源和在鋼水中帶入的機(jī)理，要控制好鋼水中氮含量的水平，主要從造渣料、合金、脫氧劑等帶入氮元素和鋼液與空氣接觸帶入兩方面進(jìn)行控制。通過對(duì)以上各工藝環(huán)節(jié)的分析和實(shí)際生產(chǎn)取樣分析，制定出符合天鋼實(shí)際生產(chǎn)的SWRH82B 鋼控氮措施：

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉采用氮?dú)迩袚Q的轉(zhuǎn)爐底吹模式，減少吹煉后期鋼水增氮；提高SWRH82B 鋼冶煉操作控制水平，在保證轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、磷、溫度等關(guān)鍵工藝點(diǎn)命中的同時(shí)，盡量減少補(bǔ)吹；

（2）使用不含鋁的硅鈣鋇脫氧合金對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧，使用低氮碳粉進(jìn)行鋼水增碳；

（3）連鑄采用全程保護(hù)澆注，鋼包到中間包應(yīng)采用長(zhǎng)水口保護(hù)，連接處采用氬氣氣封；

（4）做好穩(wěn)定澆注（包括鋼液面波動(dòng)小、中間包覆蓋良好、長(zhǎng)水口浸沒在鋼液中等），保證鋼液與大氣盡可能少的接觸。

3 控氮改進(jìn)措施實(shí)施效果

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，連鑄過程取氣體樣做氮含量分析與在鑄坯中取樣做氮分析值接近，因此，上述控氮改進(jìn)措施實(shí)施后，在SWRH82B 連鑄坯取樣進(jìn)行鋼中氮分析，其情況見表1。同批次高線盤條性能情況見表2。

（1）由表1 可以看出，SWRH82B 連鑄坯中平均氮含量不到30 ppm，較原先的50～65 ppm 的水平顯著降低。

表1 鋼中氮、氧含量分析結(jié)果 /%

（2）由表2 可以看出，控氮改進(jìn)措施實(shí)施后，SWRH82B 高線盤條抗拉強(qiáng)度要比原來略低，但面縮情況明顯改善，面縮情況不合格率為0，極大改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

表2 力學(xué)性能

（3）同時(shí)根據(jù)抽查結(jié)果顯示，同批次高線盤條金相組織不合格（要求馬氏體（M）、碳化物網(wǎng)狀（C）≤2 級(jí)為合格）占比為0。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)硬線鋼生產(chǎn)過程控氮措施的實(shí)施，天鋼生產(chǎn)的SWRH82B 盤條產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量得到了極大改善，同時(shí)在硬線鋼控氮措施分析、研究和實(shí)施過程中也獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)及設(shè)備情況，分析導(dǎo)致鋼水增氮的主要關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)為鋼水配加增碳劑和連鑄保護(hù)澆鑄。通過使用低氮增碳劑和加強(qiáng)連鑄保護(hù)澆鑄，使鋼水氮含量較之前大幅減少，鋼水中平均氮含量由50～65 ppm 將至不到30 ppm，盤條面縮合格率及金相組織合格率接近100%，SWRH82B 盤條合格率顯著提高。根據(jù)用戶反饋，控氮之后所生產(chǎn)的硬線盤條拉拔斷裂情況大幅減少，產(chǎn)品質(zhì)量符合使用要求。

（2）控氮措施實(shí)施后，鋼水中氮含量降低，結(jié)合成品成分進(jìn)行分析和攻關(guān)前后抗拉強(qiáng)度比較，盡管抗拉強(qiáng)度符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，煉鋼中也應(yīng)注意錳含量不應(yīng)過低，在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中要關(guān)注鋼中錳含量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，保證產(chǎn)品性能。