含硼冷墩鋼10B21 氮含量的控制實踐

許用會 袁希金 馮 超 張占杰

(河鋼集團邯鋼公司)

0 前言

含硼冷墩鋼10B21 主要用于生產8.8 級高強度緊固件。為了降低冷變形抗力，滿足省略球化退火直接冷墩成型的要求，將碳、硅含量控制在較低水平；同時為了保證強度和淬透性，適當添加硼含量；而鋼中的硼要以酸溶硼的形式存在才有意義，但硼的性質極為活潑，在鋼中硼能與氮化合形成穩定的夾雜物而失去作用。因此，為保證鋼種的淬透性，控制鋼中的氮含量是必要的。

1 試驗方法

10B21 的化學成分見表1。其生產流程：轉爐→吹氬→LF 精煉→（喂線）軟吹→連鑄（150 mm ×150 mm），分別取4 個爐次轉爐終點、吹氬站、LF 進站、LF 精煉結束、軟吹結束及連鑄（中包）各工序氣體樣，加工成￠4 mm 圓柱試樣，將試樣用乙醚和無水乙醇依次進行超聲清洗，用LECO TC-500 氧/氮分析儀測得各工序的氮含量，經數據對比分析，得出氮含量的變化情況。

表1 10B21 的化學成分

2 結果與分析

2.1 氮含量變化

對10B21 試驗爐次各工序的氣體氮含量進行統計，并對其變化作圖，結果分別見表2 和圖1。10B21 試驗爐次各工序的增氮量見表3。

表2 試驗爐次氣體N 含量統計

表3 試驗爐次各工序增氮量統計 %

從圖1 可以看出，轉爐終點氮含量控制在0.001 7%～0.002 2%，波動較小，這表明試驗爐次在相同的裝入制度和底吹條件下氮含量控制穩定，出鋼合金化后，平均增氮量達到0.000 6%，經過LF 加熱處理后，終點氮含量平均增加了0.001 5%，最大增氮量達到0.001 8%，喂線再經軟吹處理后，平均增氮量控制在0.000 8%，連鑄工序保護澆注的平均增氮量控制在0.000 6%。

圖1 試驗爐次氣體N 含量

精煉加熱處理過程中增氮最為嚴重，增氮量排序依次為精煉加熱（LF 加熱）工序、軟吹工序、爐后（合金化）工序、連鑄工序。

2.2 各工序增氮機制

熱力學計算表明，1 600 ℃時鋼水[N]的溶解度約為0.040%，轉爐終點氮含量控制在0.002 0%。由此可見，鋼液吸氮是一個自發過程，控制鋼水的氮含量即控制鋼液的增氮量。

2.2.1 轉爐終點氮含量控制

轉爐脫碳過程也是一個脫氮過程，鋼中氮的去除是由于脫碳時生成大量的CO 氣泡，生成的CO氣泡對于氮來說相當于真空，所以它能將氮帶走。碳氧反應越激烈，生產的CO 氣泡越多，脫氮效率越好。研究表明，在轉爐冶煉的前期和中期，底吹氮氣不會使鋼液增氮，而到冶煉后期，由于碳氧反應減弱，脫碳速度降低，脫氮量減少，在非碳氧反應區，高溫鋼液吸氮量會增加。因此，在相同的裝入制度和底吹條件下鋼液氮含量控制較穩定。

2.2.2 轉爐爐后增氮

轉爐爐后的增氮量有兩個來源，包括出鋼過程中的鋼液吸氮、加入的合金及增碳劑增氮。經過理論計算，爐后加入的合金及增碳劑的增氮量小于0.000 2%，因此鋼液吸氮是增氮的主要來源。理論研究和實踐已經證明，表面活性元素氧和硫是影響鋼液氮含量變化的重要因素，當鋼中溶解氧含量高于0.02%時，向鋼液中吹氮可以不吸氮，因此出鋼前期鋼水雖然裸露，但由于鋼水氧含量高，鋼水增N 量有限。從出鋼加入強脫氧劑后，鋼中的氧含量急速降低，吸氮量明顯增加。同時爐后氮含量跟出鋼口的狀態有關，出鋼過程鋼液散流，一般增氮量達0.000 5%～0.000 7 %左右，為控制增氮量，需確保出鋼時間≥4 min且不散流。

2.2.3 LF 精煉過程增氮機制

在LF 爐精煉前期，加入渣料未完全融化，電弧下的鋼液會裸露在大氣中，電弧溫度一般高達2 400～2 600 K，吸氮現象嚴重。在LF 精煉過程中，鋼液脫氧、脫硫良好，由于氧、硫的表面活性作用而阻礙鋼液吸氮的作用基本消失，加上底吹的強攪拌作用，鋼液裸露是LF 增氮的直接原因。在LF 爐精煉后期喂鈣線過程中，鈣線穿過渣層發生反應，鋼液裸露也會造成吸氮。

2.2.4 LF 軟吹過程增氮機制

為保證鋼水純凈度，在LF 精煉結束后，要保證≥10 min 的軟吹時間。研究證明溶解氧低于0.00 2%的情況下鋼液吸氮明顯。因此，控制軟吹氣流量是影響鋼液氮含量控制的重要因素。

2.2.5 連鑄過程增氮機制

連鑄保護澆注是影響鋼水增氮量的重要措施，其中包括長水口密封、浸入式水口密封，中包覆蓋情況及結晶器液面保護渣覆蓋等控制環節。實踐表明，鋼水鋁含量對鋼水氮含量存在影響，鋼液中的鋁含量高，增氮量就大，這同樣是對由于氧的表面活性作用而阻礙鋼液吸氮的作用的一個佐證。

2.3 鋼中氮的控制措施

2.3.1 轉爐爐后控氮

為保證鋼水純凈度，一般在轉爐出鋼過程中加入足量的脫氧劑，將鋼液氧含量降到極低水平，盡量避免在后期補加脫氧劑，通過精煉、軟吹處理，大部分脫氧產物從鋼液中排除。由于氧是表面活性元素，在出鋼過程加入強脫氧劑（如Al）后，氧含量大大降低，使氧阻礙鋼液吸氮的能力減弱，因此出鋼過程的吸氮量會進一步增加。為了減少出鋼過程的增氮，設計了不同的脫氧方式來研究對氮含量控制的影響。

實驗設計了兩種不同的脫氧方式：（1）出鋼過程一次加足夠的鋁進行強脫氧；（2）出鋼時加入一定量的鋁，控制爐后鋼液的氧含量，在LF 進站再喂入Al 線進行強脫氧。精煉采用的渣系均為高堿度渣，堿度約為10。實驗得到的平均氧含量如圖2 所示，得到的氮含量如圖3所示。

圖2 脫氧方式對氧含量的影響

從圖2 和圖3 可以看出，不同脫氧方式對成品氧含量沒有影響，成品氮含量存在顯著差異。關于吹氬站的全氧含量，采用脫氧方式Ⅱ時的平均全氧含量達到0.0106 %，吹氬站平均氮含量為0.0016 %，而采用脫氧方式I 時的平均全氧含量為0.0021%，平均氮含量達到0.0023 %，明顯比脫氧方式Ⅱ的氮含量高。由此可見，出鋼過程的鋼液氧含量高的話，可以有效控制鋼液吸氮，從控氮的角度考慮，采用脫氧方式Ⅱ更為有利。采用脫氧方式Ⅱ能有效地控制氮含量，與脫氧方式I 的差值約0.0011 %。

圖3 脫氧方式對氮含量的影響

2.3.2 防止LF 吸氮技術

為滿足鋼液成分、正常的生產溫度及夾雜物去除的需求，必須保證10B21 鋼種的LF 處理時間，因此防止鋼液吸氮的關鍵在于控制鋼液面的裸露及渣的覆蓋效果。為控制LF 爐精煉前期渣料未完全熔化造成的吸氮量，在轉爐爐后加入預熔渣，出鋼后鋼液面覆蓋效果良好。在加熱過程中，分批加入渣料，采用埋弧操作，并增大渣量，避免鋼水與空氣接觸；同時，采用微正壓操作，確保LF 爐內為還原性氣氛，且控制好吹氬攪拌功率和鋼液面翻騰程度，減小鋼液面裸漏面積。精煉終點優化喂線速度，控制反應的劇烈程度，從而達到控制增氮效果。

2.3.3 軟吹及連鑄增氮控制

軟吹及連鑄增氮控制同時是避免鋼水與大氣直接接觸，軟吹工序要控制好底吹強度，連鑄在做好長水口及浸入式水口密封的前提下，每爐次及時添加中包覆蓋劑，保證中包鋼液面的覆蓋效果。

3 實施效果

按上述工藝方案進行10B21 生產時，隨機對4爐鋼水進行取樣分析，結果見表4。

從表4 可以看出，隨機抽查的4 爐鋼各個工序的增氮量均得到了有效控制，特別采取在脫氧方式Ⅱ時，吹氬站平均氮含量控制在0.002 1%，LF 處理終點平均氮含量控制在0.003 4%，連鑄坯平均氮含量控制在0.003 8%，相比工藝調整前降低了約0.002 0 %，10B21 的增氮問題得到了有效控制。

表4 試驗爐次氣體N 含量統計

4 結束語

（1）通過對10B21 各工序氮含量進行統計，發現精煉加熱處理過程中增氮最嚴重，終點氮含量平均增加了0.001 5%，最大增氮量達到0.001 8%。

（2）轉爐爐后不同脫氧方式對氮含量控制存在影響，對LF 精煉、軟吹和連鑄等工序均采取控制措施是控制鋼水氮含量的關鍵。

（3）優化各工序的工藝措施后，10B21 連鑄坯平均氮含量控制在0.003 8%，相比工藝調整前降低了約0.002 0%，產品氮含量得到了有效控制。