降低ML08Al鋼中氮含量及夾雜物的工藝實踐

范石偉 張洪彪 李 海 王文培 楊仁強

（蕪湖新興鑄管有限責任公司 煉鋼廠，安徽 蕪湖 241002）

冷鐓鋼是利用金屬塑性，采用冷鐓成形工藝生產(chǎn)互換性較高的標準件用鋼，隨著冷鐓技術的發(fā)展，對冷鐓鋼的要求越來越高［1］。冷鐓鋼的質(zhì)量缺陷直接影響緊固件的質(zhì)量。ML08Al冷鐓鋼具有低碳、低硅的特點，主要用于生產(chǎn)螺釘、螺母等緊固件，對鋼水潔凈度和氮含量要求較嚴格，鋼中氮含量高會使鋼材塑性降低，影響鋼的質(zhì)量，鋼水夾雜物去除不充分，連鑄機澆鑄過程容易發(fā)生絮流，不僅影響鑄坯表面質(zhì)量還會造成大量鑄坯甩廢或者停機，嚴重影響生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)成本［2-8］。

本文對某鋼廠ML08Al冷鐓鋼的生產(chǎn)工序進行了系統(tǒng)分析，提出了優(yōu)化的工藝方案，有效解決了澆鑄過程絮流、氮含量高、夾雜物超標的問題，鑄坯質(zhì)量顯著提升，可為解決ML08Al 冷鐓鋼生產(chǎn)存在的共性問題提供一定的借鑒。

1 試驗流程及方法

ML08Al冷鐓鋼的生產(chǎn)工藝流程為鐵水→120 t LD轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t LF 精煉→180 mm ×180 mm方坯連鑄→B線軋制→成品入庫。鑄機為十機十流直弧型連鑄機，弧形半徑為9 m，結(jié)晶器液面采用自動控制，全程保護澆鑄，結(jié)晶器和凝固末端施加電磁攪拌。ML08Al冷鐓鋼的化學成分如表1 所示。C 在冷鐓鋼中形成硬而脆的滲碳體，含碳量越高，則冷鐓鋼的強度和硬度越高，而塑性和韌性降低，冷鐓性能也降低；Si在冷鐓鋼中大部分溶于鐵素體，使鐵素體強化，從而使冷鐓鋼的強度、硬度和彈性提高，塑性、韌性和冷鐓性能降低；Al能在快速鐓頭、搓絲過程中減少應變時效，提高冷鐓鋼的變形性能，但在高溫下氧化為Al2O3可能會造成鐓頭開裂，因此需要嚴格控制Al 含量及氧化物的形態(tài)和分布［9］。本文通過熔煉、精煉、連鑄工藝流程優(yōu)化，以期控制ML08Al 鋼中氮含量及夾雜物，促進鋼水凈化。

表1 ML08Al冷鐓鋼的化學成分Table 1 Chemical compositions of ML08Al cold heading steel

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量

轉(zhuǎn)爐冶煉終點鋼水碳含量、溫度及成分等直接影響后續(xù)工藝能否達到控制指標。轉(zhuǎn)爐出鋼量控制在125 t左右，采用一槍拉碳，終點渣堿度控制在2.9 ～3.3，出鋼采用滑板擋渣。提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量，從而降低鋼水氧含量，減少出鋼過程加鋁量，可降低鋼液氮含量。

出鋼溫度控制在1 610 ～1 640 ℃，終點碳質(zhì)量分數(shù)從0. 03% ～0. 04%提高至0. 05% ～0.06%。根據(jù)碳氧積為0.002 9，可得到鋼水中氧質(zhì)量分數(shù)為0.004 82% ～0.058 00%。出鋼過程中加鋁錠0.32 kg／t鋼，轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束后根據(jù)鋼水氧含量喂鋁線，使用喂線機喂入鋁線400 ～450 m／爐。精煉鋼水鋁質(zhì)量分數(shù)控制在0.050% ～0.070%。表2 為轉(zhuǎn)爐出鋼工藝優(yōu)化前后256 爐鋼水的生產(chǎn)數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，減少出鋼過程脫氧，鋼水平均氮質(zhì)量分數(shù)從0. 002 96%降至0.001 83%。

表2 轉(zhuǎn)爐出鋼工藝優(yōu)化前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of production data before and after optimization of the converter tapping process

張艷龍等［10］對34 爐氮超企業(yè)標準爐次中鋁脫氧與未鋁脫氧爐次的鋼水氮含量進行比較發(fā)現(xiàn)，未脫氧爐次鋼水氮含量均值低于鋁脫氧爐次鋼水氮含量均值。這主要是因為鋁將表面活性元素氧含量脫除至較低水平，氧占據(jù)的表面位置比例減小，為氮提供了空位，從而使氧對增氮的阻礙作用大大降低，同時鋁能與氮生成AIN，起固氮作用［11］。

在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中碳和鋁脫氧后的鋼水氮含量均值下降。這是因為碳脫氧產(chǎn)生的CO2起排除空氣的作用，使增氮概率降低；同時，轉(zhuǎn)爐出鋼采用弱脫氧，氧對增氮起阻礙作用并減弱了鋁的固氮作用［12］。

2.2 LF精煉降氮工藝優(yōu)化

LF精煉通過造白渣、脫S、微調(diào)鋼水成分、鈣處理、軟吹工藝等改善鋼水潔凈度。鋼水進LF爐后，送電加白灰1.6 ～2.4 kg／t 鋼，化渣劑0.56 ～0.64 kg／t鋼，并加入Al 粒、SiC或適量90 碳粉快速造白渣，形成強脫氧氣氛，盡量減少空氣中的氮進入鋼水。停送電次數(shù)≤2次。第1次送電結(jié)束后，測溫取樣，調(diào)整成分，Al 質(zhì)量分數(shù)控制在0. 050% ～0.070%；第2次送電10 min左右，控制溫度，保持白渣效果。根據(jù)鋁線含量喂入250 ～350 m鈣線進行鈣處理，鋼中w（Ca）／w（Al）比控制在0.08 ～0.13；軟吹時間≥20 min，終渣w（FeO ＋MnO）＜1.0%，四元堿度R控制在2.5 左右。LF爐精煉工藝優(yōu)化前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 LF爐精煉工藝優(yōu)化前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 3 Production data before and after optimization of the LF refining process

研究［13-14］發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中硫含量的降低，脫氮率提高，特別是當鋼中w（S）≤0.005%時，脫氮率的提高更顯著。脫氮反應機制從受界面反應和界面的質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制，變成完全由液相質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制時，含硫量至關重要。在一定的攪拌強度和典型渣量條件下，為了優(yōu)化精煉包脫氮的動力學條件，脫氣后的最佳硫質(zhì)量分數(shù)為0.003%。因此，為獲得良好的脫氮率，硫含量需控制在一定范圍內(nèi)。

LF送電起弧時，電極會電離空氣，停送電次數(shù)從4 次減少至2 次，可有效降低鋼水增氮量。此外，渣層高度不足會導致鋼液裸露面較大，增大了氮向鋼液的傳質(zhì)界面。綜上，減少鋼水送電次數(shù)、造泡沫渣、提高渣層高度、減少鋼液裸露［15］可有效降低鋼水增氮量。

2.3 連鑄過程夾雜物來源分析

按中間包覆蓋劑總量的6%（質(zhì)量分數(shù)）加入氧化鍶（SrO）作為示蹤劑，取中間包鋼水吊桶樣和鑄坯樣。利用大樣電解法結(jié)合掃描電子顯微鏡和能譜分析儀對試樣中夾雜物進行檢測和分析，確定夾雜物是否含有SrO，若存在示蹤元素，說明中間包澆鑄過程發(fā)生了卷渣。

鋼水吊桶樣經(jīng)過磨拋后采用掃描電子顯微鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)示蹤劑SrO的成分，可能是由于中間包覆蓋劑中SrO含量太少，吊桶樣鋼水量有限，以及金相檢驗的限制，只能觀察磨拋平面的夾雜物，因此未在吊桶樣中發(fā)現(xiàn)示蹤劑成分。對鑄坯樣進行20 d的大樣電解，得到夾雜物的宏觀形貌如圖1 所示，呈圓球狀。

圖1 夾雜物宏觀形貌Fig.1 Macrograph of inclusions

圖2 為大樣電解夾雜物中SrO 的微觀形貌?？梢奡rO呈白亮色，尺寸為100 ～200 μm；相比鈣鎂鋁酸鹽（Ds 類）夾雜，SrO 多呈不規(guī)則狀，長寬比更大。鑄坯中SrO的發(fā)現(xiàn)從側(cè)面說明中間包流場發(fā)生了卷渣。

圖2 鑄坯中SrO的微觀形貌Fig.2 Micrographs of SrO in billet

圖3 為鑄坯中包裹SrO的鈣鎂鋁酸鹽復合夾雜物的微觀形貌及能譜圖，該類夾雜物的形成與鈣鎂鋁酸鹽類夾雜物的熔點較低有關。在中間包澆鑄過程中，鈣處理后的夾雜物熔點較低，易聚合長大，若發(fā)生卷渣，SrO 會被正在聚合長大的鈣鎂鋁酸鹽包裹，形成如圖3所示的內(nèi)部為白亮色SrO、外部為低熔點鈣鎂鋁酸鹽的復合夾雜物。

圖3 鑄坯中包裹SrO的鈣鎂鋁酸鹽復合夾雜物的微觀形貌（a）及能譜圖（b）Fig.3 Micrograph（a）and energy spectrum diagram（b）of calcium magnesium aluminate wrapped SrO composite inclusions in billet

上述結(jié)果表明，中間包內(nèi)卷渣是鑄坯中Ds類夾雜物的主要來源。因此保持穩(wěn)態(tài)澆鑄，尤其是在開澆爐次和換包操作過程中，保持澆鑄液面的穩(wěn)定是控制卷渣的有效手段，也是控制Ds類夾雜物的重要前提［16-17］。

朱苗勇等［18］利用水模型試驗發(fā)現(xiàn)，保護渣的卷入發(fā)生在產(chǎn)生液面波動的結(jié)晶器窄面附近。上升流沿窄面上行，沖擊彎月面后改變方向，沿鋼-渣界面向水口方向流動，使結(jié)晶器窄面處渣層減薄，易導致鋼水裸露。同時在上升流流向水口的過程中，由于界面張力的存在，牽引著部分保護渣隨鋼液流動。隨鋼液運動的保護渣在水口與窄面的中間位置附近聚集，形成向下的鼓包。由于鋼液表面回流為紊流，在紊流的作用下，一些鼓包脫離保護渣層，會被鋼液表面回流帶入熔池深處，形成卷渣［19-20］。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水口絮流源于鋼水二次氧化。采用新工藝澆鑄時鋼包采用氬氣密封，中間包采用整體套管，連澆爐數(shù)最高可達34 爐，基本消除了水口絮流現(xiàn)象。為減少卷渣的影響，對原中間包內(nèi)的擋墻設置進行了改進，中間包液面波動明顯改善。采用新澆鑄工藝后（表4），鋼水二次氧化程度明顯減輕，平均氮質(zhì)量分數(shù)從0.006 51%降至0.003 32%。

表4 連鑄工藝優(yōu)化前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 4 Production data before and after optimization of the continuous casting process

3 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)爐終點碳質(zhì)量分數(shù)從0.03% ～0.04%提高至0. 05% ～0. 06%，出鋼鋁錠加入量從0.96 kg／t鋼減小至0.32 kg／t鋼，轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束后鋼水氮質(zhì)量分數(shù)從0.002 96%降至0.001 83%，減輕了后續(xù)工序增氮的壓力。

（2）LF 精煉送電次數(shù)從4 次減少到2 次，軟吹時間從15 min增加到22 min，可使出站鋼水S質(zhì)量分數(shù)從0.007%降至0.003%，氮質(zhì)量分數(shù)從0.004 48%降至0.002 64%。

（3）示蹤試驗發(fā)現(xiàn)鑄坯中SrO 以及包裹SrO的Ds類鈣鎂鋁酸鹽復合夾雜物，表明中間包內(nèi)卷渣是鑄坯中Ds類夾雜物的主要來源。

（4）采用新工藝澆鑄時鋼包采用氬氣密封，中間包采用整體套管，并優(yōu)化了擋墻設置，中間包內(nèi)液面波動明顯改善，鋼水二次氧化程度也明顯減輕，平均氮質(zhì)量分數(shù)從0. 006 51%降至0.003 32%，連澆爐數(shù)達到了34 爐，基本消除了水口絮流現(xiàn)象，鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定。