優鋼中氮含量異常增高的初步探討

賈文軍　陸曉雷（凌源鋼鐵股份有限公司特鋼廠，遼寧凌源　122504）

?

優鋼中氮含量異常增高的初步探討

賈文軍陸曉雷
（凌源鋼鐵股份有限公司特鋼廠，遼寧凌源122504）

【摘 要】除耐熱及不銹鋼外，在絕大多數鋼中，氮被視為一種有害元素。雖然鋼中殘留氮很少，但對鋼的力學性能卻有顯著的影響。一般情況下氮的危害主要表現在：FeN的析出導致鋼的時效性和藍脆，降低鋼的韌性和塑性；與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工；當鋼中殘留氮較高，會導致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡；鋼中氮還會降低鋼的焊接性能、電導率、導磁率等［1］；鋼中氮含量偏高也會使鑄坯開裂。文章介紹了凌鋼特鋼廠生產的優特鋼氮含量異常增高的問題，通過現場跟蹤實測及理論研究進行了系統的原因分析，為降低優鋼中氮含量的工藝措施提出優化探討。

【關鍵詞】轉爐冶煉氮增氮量工藝措施

凌鋼采用氣體分析儀在軋材所取試樣分析的氮含量結果中20Cr、20CrMnTiH等鋼種成品材中數值均偏高，波動在80-158ppm之間，這將不利于凌鋼優特鋼產品的開發生產。因此必須分工序逐個分析研究氮含量增高的原因，并初步摸索可行的措施降低鋼中氮含量。

1　吸氮的條件

從熱力學計算看，空氣中氮的分壓高及鋼液中氮的溶解度高決定了鋼水有很好的吸氮條件。從動力學條件看，爐渣的性質與鋼液反應界面是吸氮的限制環節，而鋼中氧、硫含量會影響氮的傳質系數，鋼中氧、硫含量越高，氮的傳質系數越低［2］。

2　各工序增氮的原因分析

為詳細分析優特鋼增氮原因，近期特鋼廠與產品研發室在45、40Cr、80鋼分別對各工序點取試樣分析，統計結果如下（單位ppm）：轉爐終點分別波動在15-21，17-18，16-21；平均值分別為：17.8，17.3，19.4。LF爐進站分別波動在44-67，59-63，31-41；平均值分別為：58.9，61.6，35.1。 LF爐出站分別波動在58-95，60-65，32-43；平均值分別為：71.4，62.3，35.6。 連鑄分別波動在72-110，86-98，43-61；平均值分別為：91.2，92.3，50.0。

2.1轉爐冶煉過程氮含量變化影響

2.1.1轉爐脫氮與脫碳的關系

轉爐冶煉過程鋼液脫氮主要是依靠C-O反應生產生成CO氣泡，氮通過CO氣泡攜帶出鋼液。頂底復吹轉爐冶煉過程脫碳的三個不同階段對應不同的脫氮速度。

吹煉前期由于熔池中硅錳先氧化，C-O反應較弱，熔池攪拌力較小，脫氮速度很小。吹煉中期隨著C-O增強直至達到峰值，熔池產生大量的CO氣泡將鋼液中的氮脫除，鋼中氮含量降至較低值。吹煉末期隨C-O反應強度降低，生成的CO量少，此時外部空氣壓力大于生成的CO壓力，在氧槍火點區易造成增氮，但吹煉末期渣中氧化鐵含量的增加爐渣起泡空氣不會被大量吸入。因此轉爐正常的吹煉過程鋼中不會造成大量增氮。

2.1.2轉爐底吹對轉爐終點氮含量的影響

根據文獻經驗，底吹N2強度控制在0.030Nm3/（min·t）以下時，鋼中氮含量完全可以保持在純氧頂吹鋼含氮量的水平，但當供氮強度大于0.030Nm3/（min·t）時，鋼中含氮量將明顯增加［2］。特鋼廠120噸轉爐目前底吹供氮強度約為0.028 Nm3/（min·t），因此不會造成鋼中氮含量異常升高。

2.1.3出鋼口對鋼中氮含量的影響

轉爐出鋼時，出鋼口的壽命及形狀對吸氮量有重要影響。出鋼口使用初期，由于出鋼時間較長，鋼水與大氣接觸比表面積較大，易造成吸氮；使用后期，由于出鋼過程鋼液散流，也易造成吸氮量增加，以上兩種情況增氮量一般為5-7ppm，所以要加強出鋼口后期的維護。

2.1.4轉爐出鋼過程對氮含量的影響

（1）增碳劑對鋼液中氮含量的影響。目前特鋼廠所使用的增碳劑有兩種：電化焦（煅后石油焦增碳劑）及低氮低硫增碳劑，含氮量分別約為3000ppm、300ppm。統計結果中45、40Cr與80鋼進站N含量較轉爐終點分別升高41.1ppm、44.3ppm、15.7ppm。因45、40Cr鋼使用電化焦，而80鋼使用低氮增碳劑，雖不是全部由增碳劑影響，但足以說明電化焦增氮較低氮增碳劑嚴重。

（2）出鋼脫氧對鋼液氮含量的影響。根據文獻研究，出鋼后鋼中鋁含量對出鋼過程鋼液增氮量有較大影響，隨鋼液中的鋁含量增加，增氮量有增大趨勢。這是由于鋼液中氮達飽和之前，鋁能促進鋼液吸氮，同時鋁脫氧鋼液中的溶解氧快速降低，也為吸氮創造了良好的條件［2］。統計結果中所列45、40Cr和軋材試樣分析結果超標的20Cr（ALs：50-120PPm）、20CrMnTiH（ALs：200-300PPm）等優鋼均為鋁脫氧，且鋼中鋁含量不同，20CrMnTiH由于鋼中Als較45、40Cr、20Cr鋼高，因此出鋼過程增氮量較高。而80鋼為硅脫氧，鋼中Als可以忽略不計，因此其出鋼過程增氮量也較低。

（3）鋼包對出鋼氮含量的影響。轉爐出鋼前鋼包內充滿大量空氣，出鋼前期極易造成增氮。

2.2LF精煉對氮含量的影響

2.2.1LF精煉前期造渣對氮含量的影響

在LF爐精煉前期加入大量渣料，由于加入的渣料沒有化開形成較大的間隙，形成鋼液吸氮的通道，化渣過程氬氣量較大，致使脫氧良好的鋼液不斷與空氣接觸，加快了吸氮的速度。

2.2.2電弧電離對鋼液增氮的影響

在電極加熱時，電弧作用到鋼液上時，這部分鋼液比其它部位的鋼液溫度高，超過2300℃。而當鋼液溫度超過2130℃時，發生如下反應：N2=2N（g） （1）

N（g）＋Q=［N］ （2）

在渣鋼界面存在大量被電離的［N］，隨著氧、硫在鋼中的濃度急劇下降，吸氮趨勢加強。被電離的［N］在裸露區域被鋼液吸入，鋼液中氮含量增加。

2.2.3喂鈣線對鋼液增氮的影響

精煉結束后，進行Ca處理過程中，會造成一定的增氮量，主要是由于Ca氣化形成Ca氣泡將鋼液面吹開，造成裸露的鋼液從空氣中吸氮而產生的。如果渣層較厚鈣線穿過渣層進人鋼液反應而不把鋼液面吹開，就有可能避免裸露鋼液吸氮。

2.3連鑄澆注對氮含量的影響

特鋼廠連鑄機鋼包到中間包之間的鋼水保護采用大包長水口加氬氣密封和中間包加覆蓋劑保護鋼液。由于鋼包下水口和長水口之間鋼水的快速流動，使得期間產生負壓，在它們的接縫處鋼水容易吸氣。鋼水在中間包內液面面積很大，如果與空氣接觸會產生大量的吸氮。中間包到結晶器采用浸入式水口加連鑄保護渣對鋼液進行保護澆注，浸入式水口與中間罐上水口的接縫處容易吸氮，保護渣加入的不規范也會造成吸氮。Thomas J等人研究表明，鋼液由鋼包至中間包過程，無保護澆注時，鋼液增氮17ppm；長水口保護澆注，鋼液增氮14ppm；長水口加氬氣保護澆注，鋼液增氮3ppm，而無氬封且中間包鋼液不良好被渣覆蓋，增氮更為嚴重，為28ppm。所以保護澆注系統的完善程度決定了該階段的保護工作是連鑄防止增氮的主要任務。

2.4真空脫氮

通過VD、VOD、RH等真空脫氣精煉手段，可以去除一定的氮含量，一般脫氮率約25%。

3　各工序防止增氮的改進措施

除采取真空脫氣外，特鋼廠各工序控制氮含量采取如下措施。

（1）控制轉爐底吹供氮強度不大于0.030Nm3/（min·t）。（2）生產低氮鋼時選在出鋼口壽命中期時生產，并選用低氮增碳劑進行增碳。生產高鋁鋼種，出鋼前1分鐘應將鋼包底吹氬氣開通排除空氣；出鋼時可采取先加小部分鋁鐵、再加合金、最后加鋁錠的方式；也可以采用出鋼不加或少加含鋁材料、出完鋼后喂入鋁線脫氧的方式，減少增氮量。（3）優化轉爐頂渣改質，提高進精煉時的頂渣熔化效果；造好泡沫渣；及時調整除塵閥，保證爐內微正壓，減少電弧區鋼液的增氮。（4）生產優鋼時保證有足夠的LF爐渣量，優化喂線速度來改善喂線效果，避免劇烈噴濺，降低鋼液吸氮量。（5）控制合適的長水口氬封吹氬量，保證穩流器內鋼水不大翻但要看見蠕動而不裸露。鋼包和中間包覆蓋劑良好覆蓋鋼液面；中間罐蓋周圍涂上耐火泥；開澆前中間包通氬氣；較高的鋼包自開率；采取先上鋼包保護套管再開澆；勤加、少加、均勻加入保護渣；采用內裝水口；改進密封形式和優化操作來保證浸入式水口和中間罐下水口的密封效果等措施，降低連鑄系統增氮。

4　取得效果

除未采用真空脫氣外，通過分鋼種采取以上其中的多項措施，近期對軋材20Cr、45、40Cr、20CrMnTiH等含鋁鋼種近150爐軋材取樣分析結果匯總，20Cr、45、40Cr氮含量分析結果在67-98ppm之間，20CrMnTiH氮含量分析結果在78-120ppm之間，基本滿足目前凌鋼用戶的使用需要。

5　結語

本文通過對各工序增氮影響因素分析，對降低各工序過程增氮提出了相應的改進措施，經過生產實踐表明，鋼中氮含量比優化前降低13-38ppm，可有效降低各工序的增氮量，為生產對鋼中氮含量有要求的鋼種提供了參考。

參考文獻：

［1］譙明亮.轉爐冶煉過程鋼液中氮含量變化研究與分析［J］.江蘇冶金，2008，36（3）:11-12.

［2］李晶.LF爐精煉技術.冶金工業出版社，2012（9）.

作者簡介：賈文軍（1974.5-），男，漢，遼寧凌源人，本科，凌源鋼鐵股份有限公司優特鋼事業部特鋼廠高級工程師，研究方向：轉爐、LF爐、脫硫工藝及新品種鋼開發的技術和管理。