F38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼增氮工藝研究

張君平

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京 100083；2.山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部 山東 萊蕪 271104)

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F38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼增氮工藝研究

張君平1,2

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京 100083；2.山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部 山東 萊蕪 271104)

采用50 t電弧爐-50 t LF-60 t VD-180 mm×220 mm方坯連鑄-熱軋工藝生產(chǎn)F38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼,在鋼水入VD爐真空處理前加氮化錳線進(jìn)行增氮操作，軋材后鋼中氮含量穩(wěn)定控制在(126-136)×10-6鋼材的力學(xué)性能、低倍組織、非金屬夾雜物含量均滿足用戶要求。

F38MnVS; 非調(diào)質(zhì); 增氮

1　引　言

微合金化是非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。通過向鋼中加入微量元素V、Ti等，通過控鍛(軋)工藝，使合金元素以C、N化合物彌散析出，使鋼達(dá)到調(diào)質(zhì)強(qiáng)度水平，從而省去調(diào)質(zhì)處理，簡化了生產(chǎn)工序，節(jié)約能源，并具有一定經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此非調(diào)質(zhì)鋼目前被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車連桿、曲軸等零部件。氮是含釩微合金非調(diào)質(zhì)鋼中一個(gè)十分有效的合金元素，在鋼中主要以化合物的形式存在，隨著鋼中氮含量的增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了釩的沉淀強(qiáng)化作用，大幅提高鋼的強(qiáng)度。據(jù)資料表明：在含釩中碳鋼中，氮含量從0.004%增加到0.016%，屈服強(qiáng)度提高110 MPa，抗拉強(qiáng)度提高60 MPa[2]。由于氮在鋼中的溶解度很小，因此研究提高鋼中氮的溶解度，增加鋼中氮含量是生產(chǎn)含釩微合金非調(diào)質(zhì)鋼的關(guān)鍵。本文結(jié)合萊鋼50t電爐短流程生產(chǎn)線現(xiàn)有的工裝設(shè)備，在生產(chǎn)含氮非調(diào)質(zhì)鋼F38MnVS時(shí)對鋼水增氮操作進(jìn)行以下研究試驗(yàn)。

2　F38MnVS鋼主要化學(xué)成分要求

表1　F38MnVS化學(xué)成分表/%

3　短流程生產(chǎn)各階段氮含量控制現(xiàn)狀

理論研究表明：氮在液態(tài)鐵中的溶解度遵循Sieverts定律，在1 600 ℃，常壓狀態(tài)下，液態(tài)金屬鐵中氮的極限溶解度為0.045 1%。影響鋼液中氮的溶解度主要受鋼的晶體結(jié)構(gòu)、溫度和氮?dú)夥謮毫昂辖鹪氐纫蛩氐挠绊慬3]。在煉鋼過程中，氮隨著爐料及合金帶入鋼水中，當(dāng)原料中配加鐵水時(shí)，鐵水中的氮同樣會成為鋼中氮的來源。另外鋼液也能在冶煉過程中直接從大氣和爐氣中吸收一部分氮，并以各種不同的形式中殘留在鋼中。

萊鋼50 t電爐短流程煉鋼系統(tǒng)主要工裝設(shè)備包括：1座50tEBT電弧爐，出鋼量50 t，1座50tLF精煉爐，1座60 t VD真空爐(單罐)。其冶煉工藝流程為：配料-50 t電弧爐冶煉-50 t LF精煉-60 t VD-連鑄。

50 t電弧爐基本配料結(jié)構(gòu)為65%鐵水+35%廢鋼，石灰加入量35 kg/t左右，電爐配有四支爐壁集束氧槍，冶煉泡沫渣操作，完成脫磷、脫碳任務(wù)后，出鋼溫度控制在1 620～1 660 ℃之間，EBT擋渣出鋼，出鋼過程加入脫氧劑、渣料及合金，完成預(yù)脫氧及合金化，整個(gè)冶煉周期45 min左右。

鋼水到50 t LF精煉工位后，調(diào)整好氬氣流量，在保持渣面微動的情況下通電加熱，依次加入脫氧劑(碳粉、SiC)進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。在還原性氣氛形成，爐渣流動性良好的情況下喂入鋁線沉淀脫氧，攪拌均勻后取樣分析；根據(jù)成分分析結(jié)果，進(jìn)行成分微調(diào)，當(dāng)成分和溫度達(dá)到要求時(shí)出鋼，白渣保持時(shí)間不低于20 min，出鋼前喂入鈣線進(jìn)行鈣處理；整個(gè)精煉周期不低于35 min，LF出鋼進(jìn)入VD工位前扒渣1/3-1/2，67 pa以下真空保持時(shí)間9～15 min，破空后鋼水軟吹15 min左右，上連鑄澆注。

連鑄過程采用結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌，鋼包與中間包之間采用長水口保護(hù)澆注，中間包鋼水過熱度控制在15～25 ℃；塞棒控制澆注，液面高度穩(wěn)定在700±50 mm；澆注過程保護(hù)澆注，并使用專用保護(hù)渣保持黑渣面操作。

鋼水在冶煉過程中不同階段的增氮量是不斷變化的，要完成對鋼水的增氮任務(wù)，首先要研究鋼中氮在不同冶煉時(shí)期的變化規(guī)律，通過對生產(chǎn)36 Mn2V油井管用鋼時(shí)多爐次取樣分析不同階段鋼中氮含量的變化情況，描繪出氮含量的變化趨勢如下圖1所示。

圖1　生產(chǎn)36Mn2V鋼時(shí)各階段氮含量的變化趨勢

由圖1可見，電爐終點(diǎn)至LF爐精煉至LF爐結(jié)束(VD爐真空處理前)，鋼液中的氮含量是增加的；VD爐真空處理前至VD爐真空處理后，鋼液中的氮含量總體是降低的，VD爐真空處理后至連鑄中間包至成品材(連鑄坯)，鋼中的氮含量增加。

4　鋼水增氮試驗(yàn)研究

4.1鋼水增氮方案的確定

目前開發(fā)的增氮工藝有多種，其中工業(yè)化生產(chǎn)中最常用的主要有兩種，一種是固體含氮合金加入法，該法主要通過向鋼液中添加含氮鐵合金，如Mn-Fe，Cr-Fe，V-Fe等，另一種是通過向鋼中吹入氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)氮的合金化。

目前萊鋼50 t電弧爐短流程生產(chǎn)線生產(chǎn)的成品材中檢驗(yàn)出的氮含量基本控制在0.006 5～0.009%范圍內(nèi)，氮含量相對偏高，增氮優(yōu)勢較為明顯。所生產(chǎn)的非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS對氮含量要求范圍是0.012～0.020%，因此確定非調(diào)質(zhì)鋼F38MnVS增氮方案為：首先要提高精煉鋼水的初始氮含量，其次是在LF精煉后期對鋼水VD真空處理前，采用向鋼液中加入氮化合金的方式對鋼液進(jìn)行增氮，從而達(dá)到非調(diào)質(zhì)鋼對氮含量要求。

環(huán)境生態(tài)學(xué)是高等院校環(huán)境科學(xué)專業(yè)的一門重要核心必修課，是伴隨著環(huán)境問題而產(chǎn)生的綜合性學(xué)科，它提供了綜合、定量和跨學(xué)科的方法來研究環(huán)境系統(tǒng)，具有多學(xué)科相互交叉滲透的特點(diǎn)[1]。對于我國發(fā)展過程中出現(xiàn)的新環(huán)境問題，如何開設(shè)好環(huán)境生態(tài)學(xué)課程，如何結(jié)合實(shí)踐對環(huán)境生態(tài)學(xué)課程進(jìn)行創(chuàng)新和改革，意義重大。

4.2鋼種初始氮含量的控制措施

由于目前電爐采用高鐵水比冶煉，鐵水兌入比例達(dá)65%，脫碳量大，熔池激烈的碳氧沸騰，電爐出鋼前終點(diǎn)氮含量基本在40 ppm以下。因此為提高鋼中的初始氮含量，主要從電爐出鋼至VD真空處理前這階段進(jìn)行控制，制定出鋼液增氮措施主要包括以下幾方面：

(1)電爐出鋼過程鋼液增氮的控制措施。電爐出鋼過程需要完成渣料、脫氧劑及合金加入。根據(jù)不同合金的氮含量，選擇加入氮含量高的合金可提高鋼中氮含量。根據(jù)F38MnVS鋼硅、錳成分要求，電爐出鋼時(shí)適當(dāng)增加氮含量高的硅錳合金加入量，同時(shí)電爐出鋼時(shí)加入鋁脫氧劑，確保脫氧效果，降低因鋼中溶解氧含量高對過程吸氮的影響。

表2　部分合金的含氮量情況%

(2)LF精煉過程鋼液增氮的控制措施。研究表明，在原材料基本相同的情況下，LF爐冶煉過程主要是電弧區(qū)增氮。LF加熱過程中，石墨電極與鋼渣之間產(chǎn)生高溫電弧，電弧的溫度可高達(dá)幾千攝氏度，高溫電弧使周圍的空氣電離，造成鋼水增氮。由于電爐出鋼過程加鋁強(qiáng)脫氧，進(jìn)入LF工位的鋼液氧含量已較低，為鋼液吸氮創(chuàng)造了條件。

為提高鋼水在精煉過程的氮含量，在整個(gè)精煉階段，通過合金下料孔處連接的氮?dú)夤艿老騆F水冷爐蓋內(nèi)全程吹入氮?dú)猓_保精煉氣氛始終保持一定的氮分壓，并在保證穩(wěn)弧的前提下，盡可能增加氬氣流量，并增加非送電時(shí)間內(nèi)的攪拌功率來增加精煉過程鋼水增氮量。

4.3采用含氮合金增氮的控制措施

為確保試驗(yàn)過程中合金的增氮效果，項(xiàng)目研究選擇了采用氮化錳包芯線，其牌號及化學(xué)成分如下表3所示。試驗(yàn)時(shí)氮化錳線在鋼水經(jīng)VD真空處理前加入，充分考慮好加入氮化錳線對鋼液錳成分增加量，根據(jù)加入量計(jì)算出增錳量，并在LF出鋼前將鋼中錳含量控制在合適范圍內(nèi)。

表3　氮化錳包芯線牌號及理化指標(biāo)

由于該鋼種對硫含量控制嚴(yán)格，鋼水入VD爐前需扒渣1/2～2/3，試驗(yàn)時(shí)氮化錳線在鋼水VD真空處理前按5 m/t加入，硫鐵線按4 m/t加入。 鋼水在67 Mpa以下VD真空處理時(shí)間9 min以上；值得注意的是鋼水在VD工位加入氮化錳線和硫線過程中，鋼水會出現(xiàn)翻騰激烈現(xiàn)象，鋼水溫降在10 ℃左右，因此LF要根據(jù)鋼包狀況控制好出鋼溫度，確保鋼水溫度能夠滿足VD真空處理及連鑄生產(chǎn)過程要求。

4.4鋼水增氮試驗(yàn)及結(jié)果分析

本批次F38MnVS試驗(yàn)生產(chǎn)4爐次，試驗(yàn)序號分別編號為1#、2#、3#、4#爐次，為研究鋼水增氮效果，每爐在加入氮化錳線前后各取一支試樣；VD破空后取一支試樣；鋼材軋制后在成品材一支試樣，對所取試樣加工后分析氮含量。

通過對加入氮化錳合金前后、VD真空處理后及軋材進(jìn)行取樣分析氮含量，并計(jì)算出各階段氮含量收得率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4-5所示：

表4　加入氮化錳合金試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

表5　各階段鋼水增氮結(jié)果計(jì)算

由表4-5數(shù)據(jù)計(jì)算出各階段鋼水增氮結(jié)果如下：加入氮化錳線前，鋼液初始氮含量平均為75.5 ppm，加入氮化錳線后，鋼液平均氮含量為159.75，增氮量平均為84.25 ppm，含氮合金氮的收得率平均為53.49%，但鋼水經(jīng)VD真空處理時(shí)脫氮量較大，平均脫氮量38.5 ppm，脫氮率達(dá)到23.92%，但連鑄過程是增氮的，增氮量在8～15 ppm范圍內(nèi)，一定程度上彌補(bǔ)了VD過程的脫氮量；根據(jù)VD后成品氮計(jì)算氮的收得率達(dá)到29.21%左右，與加氮化釩鐵增氮相比，氮收得率提高13.21%；從試驗(yàn)爐次軋材反映的氮含量情況看，成品材氮含量平均130.5 ppm，完全達(dá)到了非調(diào)質(zhì)鋼對氮含量的要求。

4.5實(shí)物質(zhì)量分析

F38MnVS經(jīng)連鑄生產(chǎn)成180×220 mm矩形坯，再經(jīng)過軋制成Ф50 mm規(guī)格的圓鋼，按標(biāo)準(zhǔn)取樣分析，經(jīng)檢驗(yàn)鋼材的力學(xué)性能、低倍組織和非金屬夾雜物及F38MnVS金相組織及鋼中非金屬夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果均符合相應(yīng)規(guī)定，檢測結(jié)果如表6-8，圖2及圖3。

表6　F38MnVS鋼的力學(xué)性能

表7　F38MnVS鋼的低倍組織檢測結(jié)果

表8　F38MnVS鋼非金屬夾雜檢測結(jié)果

圖2　F38MnVS鋼材金相組織

5　結(jié)　語

(1)通過對F38MnVS鋼增氮過程試驗(yàn)研究，電爐出鋼過程配加含氮量高的合金，LF精煉過程向LF水冷爐蓋內(nèi)全程吹入氮?dú)猓黾泳珶挔t蓋內(nèi)的氮分壓，提高鋼水中初始氮含量。

(2)采用VD前喂氮化錳線控氮的操作方法，穩(wěn)定了鋼中[N]含量的控制范圍，加入氮化錳線后增氮量平均為84.25 ppm，含氮合金氮的收得率平均為53.49%，但VD過程脫氮量較大，平均脫氮量38.5 ppm，脫氮率達(dá)到23.92%。

(3)生產(chǎn)實(shí)踐表明：萊鋼短流程試生產(chǎn)的F38MnVS非調(diào)質(zhì)用鋼，通過合理的工藝和過程控制，鋼中氮含量得到穩(wěn)定控制，鋼材經(jīng)軋制后檢驗(yàn)，其力學(xué)性能、低倍組織和非金屬夾雜物水平均達(dá)到了用戶要求，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)要求。

圖3　鋼材非金屬夾雜物形貌及能譜分析結(jié)果

[1]王小紅，謝兵. 國內(nèi)外易切削鋼的現(xiàn)狀和研究發(fā)展.特殊鋼，2005(4)：26.

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Process Study on nitrogen pick-up in Non-Quenched and Tempered Steel F38MnVS

ZHANG Junping1,2

(1.Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology,Beijing 100083； 2.SThe Special Steel Plant of Laiwu Breach Company,Shandong Iron and Steel Co.,Ltd., Laiwu 271105,Shandong)

The Non-Quenched and Tempered Steel F38MnVS were produced by 50t EAF-50t LF-60t VD-180 mm×220 mm bloom concasting-hot rolling process;The Manganese nitride wire is added into the steel to increase the nitrogen content before the molten steel into the VD furnace vacuum treatment．After rolling the nitrogen content in the steel can be controlled consistently in the range of (126～136)×10-6The examination results showed that the mechanical properties、macrostructure and structure non metallic inclusion all met the requirement of consumer.

F38MnVS; non-quenching and tempering; increasing nitrogen content

張君平(1981- ),男，山東安丘人，研究生學(xué)歷，工程師，從事電爐煉鋼工藝研究.

TG161

A

1671-3818(2016)01-0001-05