低碳含硼鋼控氮實踐

吳優，叢培起，王漸靈，魏元，于峰

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

隨著科學技術的不斷發展，工業用鋼需求呈現出高品質化的特點，使得鋼材質量管控向潔凈化和超潔凈化方向轉變。通常鋼中雜質元素是指O、S、P、H、N 等非金屬元素及有色金屬（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn 等），N 在一般鋼中屬于有害元素。氮會降低鋼的韌性、焊接性能、熱應力區韌性，使鋼材脆性增加，還可導致連鑄坯開裂[1]。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司煉鋼廠在生產低碳含硼鋼SPHCB時，連鑄板坯出現角部裂紋導致熱軋板卷質量降級。相關文獻表明：鋼中加入B后,900℃以下時斷面收縮率急劇下降,至20%以下，矯直過程中承受不了矯直形變的應力應變，沿著振痕的偏析位置形成裂紋源[2]。鋼中B元素有極強的晶界偏聚特性，晶界處硼的原子百分含量為2%左右，硼元素濃度過高會與氮元素結合，熱力學計算表明，此濃度在較高溫度下就可析出BN，且易與鋼中的MnS、Fe3C等復合析出，在晶界形成第二相粒子，大大降低鋼的熱塑性，晶界的脆化增加了連鑄坯對裂紋的敏感性[3]。為控制BN的不良影響，按照煉鋼生產含硼鋼的工序環節剖析了鋼中增氮的因素，采取了一系列控氮措施，將低碳含硼鋼中氮的質量分數嚴格控制在0.004 5%以下，較好地解決了SPHCB板坯角部裂紋問題，提高了熱軋板卷的質量。

1 SPHCB鋼的生產工藝及化學成分

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司煉鋼-軋鋼的主要設備包括：單噴顆粒鎂鐵水脫硫站2座，120t頂底復吹轉爐2座，120tLF精煉爐2座，ASP1700連鑄機2臺，一條1700熱軋生產線。低碳含硼鋼SPHCB生產工藝路線為：鐵水脫硫→轉爐冶煉→LF爐精煉→連鑄→軋制→冷卻卷取。SPHCB鋼的化學成分見表1。

表1 SPHCB鋼化學成分（質量分數）%

2 低碳含硼鋼鋼液增氮的熱力學分析

鋼水中含氮量的主要影響因素是氮的溶解度和鋼水吸氮動力學條件[4]。氮溶解在鐵中，服從平方根定律，即一定溫度下正比于氣相中氮分壓的平方根。氮氣在純鐵液中的溶解反應為：

計算式（1）的反應平衡常數KN為：

進一步計算得：

式（2）中，ω[N]為鋼水中氮的質量分數；PN2為氮在體系中的平衡分壓；fN為鋼液中氮的活度系數；lgKN=-188.1/T-1.246，即：

由式（3）可見，氮在鋼水中的溶解度隨環境中氮分壓和鋼水溫度的增加而增大。經熱力學計算[5]，1 600℃（1 873 K）時，氮在鐵液中的溶解度可達0.044%。結合表1的SPHCB鋼化學成分，用下列公式[6]計算氮的溶解度如下：

計算結果表明，SPHCB鋼中氮的溶解度可達0.042 678%。該數據比低碳含硼鋼氮質量分數管控標準（≤0.004 5%）高出一個數量級。說明在煉鋼生產中，鋼液中氮遠未達到平衡，只要存在溶解氮的條件，鋼中必然增氮。

3 低碳含硼SPHCB鋼中氮的來源

分析低碳含硼鋼的工藝過程認為，造成鋼水氮含量變化的因素有：氧氣純度、廢鋼、鐵水、造渣輔料、終點補吹、底吹氣氮氬切換、出鋼口規則程度、脫氧合金化、全程鋼包吹氬、LF爐精煉吹氬、精煉埋弧加熱、精煉造渣脫硫、精煉喂線鈣處理、連鑄鋼包到中間包的保護澆注等工藝環節。統計了SPHCB鋼各工序點的氮含量，見表2。

表2 SPHCB鋼各工序的氮含量 %

由表2可以看出，在熔煉SPHCB鋼過程中，鋼水平均增氮情況為，轉爐出鋼至進入LF爐鋼水增氮0.000 2%，鋼水經LF處理增氮0.001 0%；連鑄澆注過程增氮0.001 1%。低碳含硼鋼生產過程合計增氮量達0.002 3%，個別爐次（中間包）鋼中氮含量達到0.007 0%,超標嚴重。而且由表2看出，連鑄和LF精煉工序鋼水增氮量較大，因此，針對SPHCB鋼在LF精煉和連鑄澆注過程中的增氮因素進行分析，并采取相應措施提高鋼水質量。

4 SPHCB鋼鋼液增氮原因及控制措施

4.1 LF精煉過程增氮分析及控氮措施

SPHCB鋼在LF爐精煉的主要過程包括：白渣精煉（脫氧、脫硫）、微調鋼水成分（控氮、加鈦）、喂線鈣處理、吹氬去夾雜、精準控溫。該過程中的增氮因素有：LF爐給電加熱電弧區電離增氮、鋼液與空氣接觸增氮。

4.1.1 LF爐給電加熱電弧區電離增氮分析及采取的措施

在LF爐給電加熱時，爐內氣氛中的N2受到電弧作用發生電解反應如下：

氮原子經過熔渣層進入鋼液[7]。另外，電極加熱時，電弧區溫度可達6 000℃，鋼液在電弧作用下，溫度會超過2 300℃。由式（2）可知，當氮分壓一定時，鋼液中氮的溶解度與氮溶解反應常數及活度系數有關，當溫度升高時，反應常數值增大，鋼液中氮的溶解度隨之增加。

控制該過程鋼液增氮的措施有：

（1）提高鋼水溫度，減少LF爐給電加熱時間，要求SPHCB鋼轉爐出鋼后鋼水溫度提高20℃。按照LF爐提溫效率3～5℃/min計算，應縮短加熱時間4～6 min。根據現場測定：每給電加熱10℃，鋼水增氮0.000 3%計算，相應減少增氮0.000 6%左右。

（2）回收連鑄注余渣，利于快速成渣埋弧加熱，減少因渣層薄、化渣加熱導致的增氮。與不回收注余渣比較，加熱時間縮短約3 min，降低增氮約0.000 3%。

（3）嚴格控制進LF爐鋼水硫含量≤0.040%，減少LF爐精煉環節因創造“高溫、高堿度、低氧化性”脫硫條件而造成的增氮。當鋼水S含量＞0.040%時，LF精煉處理鋼水中的脫硫率約為0.004 0%/min，鋼水S含量每增加0.010%，處理周期延長2～3 min，增氮量約0.000 1%～0.000 3%。

4.1.2 LF爐鋼水與空氣接觸增氮分析及采取的措施

氧是表面活性元素，會吸附在鋼液表面，阻礙鋼液吸氮和脫氮界面反應的進行。SPHCB鋼在精煉期鋼液脫氧充分，氧活度低，動力學條件良好，吸氮傾向非常明顯，只要脫氧鋼液與大氣接觸就會吸氮。 所以，在精煉期的全過程都要嚴控鋼液面裸露增氮。

避免鋼水與空氣接觸的措施有：

（1）LF爐爐蓋升降到位扣嚴，使精煉過程處于微正壓氣氛，以減少吸氣；

（2）控制精煉底吹氬氣量，鋼水罐進入待機位人工開氬氣破殼，破殼后即切換為設定流量35 m3/h的氬氣吹氬攪拌，防止鋼水液面裸露；

（3）精煉后期喂線鈣處理時控制好喂線速度，工藝設定值為4 m/s,避免因喂線機故障或線絲質量不佳導致喂線卡阻攪動鋼液面，使鋼水接觸空氣。有文獻[8]研究表明：鋼水喂絲裸露增氮量可達0.000 6%～0.000 9%；

（4）靜吹氬去夾雜時控制好氬氣流量，防止鋼水因氬氣量過大造成表面渣層破裂吸氣增氮。

4.2 SPHCB鋼連鑄過程增氮分析及控氮措施

低碳含硼鋼SPHCB在連鑄工序的主要工藝過程包括：鋼包澆注、中間包澆注、結晶器澆鋼、凝固切割、鑄坯評價下送。連鑄過程應采取的控氮措施主要是保護澆注，避免鋼水接觸空氣而增氮。

4.2.1 鋼包澆注吸氣增氮分析及采取的措施

連鑄回轉臺澆鋼時，鋼水經鋼包水口、中間包長水口進入中間罐，因鋼液的高速流動使得鋼包下水口與中間包長水口結合部位產生負壓，鋼水容易在此位置吸氣，出現二次氧化和增氮。

控制的措施是除在鋼包下水口與中間包長水口之間吹氬外，優化調整了鋼包下水口與中間包長水口結構尺寸，并墊加纖維質密封碗，使二者嚙合緊密，防止空氣通過此空隙進入鋼液。采用吹氬密封的目的是使該處產生微正壓阻隔空氣。操作時的關鍵環節是控制吹氬量，吹氬量過小不能形成有效的微正壓氣幕，吹氬量過大時氬氣會隨著鋼水進入中間包，攪動長水口周圍鋼液面而引發吸氣。生產實踐后設定SPHCB鋼長水口吹氬量標準為 3～5 m3/h。

4.2.2 控制連鑄中間包吸氣采取的措施

為了防止澆鑄過程中中間包鋼水接觸空氣出現二次氧化和增氮，采取了如下措施：

（1）確保鋼包自開，避免燒氧操作,現場數據顯示，鋼包不自澆罐次的氮含量平均值比正常罐次氮含量高0.000 84%；

（2）規范使用中間包覆蓋劑，消耗量按0.5～0.7 kg/t控制，開澆和注中添加中間包覆蓋劑時要防止中間包鋼液面裸露。該環節是控制中間包鋼液增氮的關鍵?，F場實測鋼水在中間包澆注不同狀態時鋼中的氮含量見表3。表3的數據表明，中間包保護澆注不良，鋼液氮含量會波動0.000 3%～0.001 7%。

表3 中間包澆注不同狀態時鋼水氮含量 %

（3）確保中間包本體密封，包括中間包包蓋與中間包上沿之間、中間包包蓋與中間包溢流槽之間、中間包包蓋工藝開孔的相對封閉，以控制中間包內部的空氣流動，起到減少鋼液與空氣接觸的作用。

5 取得的效果

采取上述措施后，對鑄坯質量進行跟蹤并統計生產數據。SPHCB鋼氮含量過程能力分析見圖1。

圖1 SPHCB鋼氮含量過程能力分析圖

圖1顯示氮含量≤0.004 5%的過程控制指數Cpk值達到1.71，說明過程能力充分。采取措施前后鋼中氮含量情況見表4。

表4 改進前后鋼中氮含量對比 %

由表4可見，SPHCB鋼連鑄過程增氮由0.001 1%降低至0.000 3%，成品熔煉成分（中間包樣）氮含量均值為0.002 6%，比采取措施之前降低了0.001 6%，降幅達38.1%。取鑄坯樣酸煮后檢驗結果表明，SPHCB鋼坯角部裂紋缺陷明顯改善，熱軋板卷綜合合格率達99.93%，月訂貨量同比增加了140%。

6 結論

（1）針對鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司生產的低碳含硼SPHCB鋼鑄坯出現角部裂紋的現象，進行了熱力學分析，結果認為，低碳含硼SPHCB鋼中氮的溶解度可達0.042 678%，表明鋼液中的氮遠未達到平衡，只要存在溶解氮的條件，鋼中必然增氮。

（2）通過采取提高轉爐出鋼溫度、回收注余渣、控制精煉鋼水硫含量、防止精煉鋼水裸露、連鑄保護澆注等措施，SPHCB鋼的成品熔煉成分（中間包樣）氮的質量分數均值降至0.002 6%，降幅達38.1%。氮含量≤0.004 5%的過程控制指數Cpk值達到1.71，過程能力充分。SPHCB鋼鑄坯角部裂紋缺陷明顯改善，熱軋板卷綜合合格率達99.93%。