低氮不銹鋼生產過程中氮含量控制和變化的研究

吉海峰，丁克振，劉 ，韓志遠

(1.撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠，遼寧 撫順 113001；2.撫順特殊鋼股份有限公司技術中心，遼寧 撫順 113001)

氮元素在不銹鋼中存在有利、有害兩方面的作用[1]。氮元素可以促進奧氏體組織的形成，提高鋼材的強度以及耐腐蝕性能。但是，鋼中氮含量高時，鋼材加熱至250～450 ℃，其表面發藍，氮化物析出，引起金屬晶格扭曲，從而產生內應力，惡化了鋼的塑性和沖擊韌性，發生藍脆。此外，鋼中的氮易與合金元素生成氮化物，降低合金元素的作用。鋼中鈦、鋁等元素會與氮形成帶棱角的夾雜。鋼中氮含量過高，凝固過程會產生偏析，當鋼中Mn含量較低時，氮會從凝固的鋼材析出，形成氣孔和疏松，軋制過程中鋼中的孔隙會被拉長產生裂紋缺陷。除了機械性能，氮元素還會降低鋼的焊接性能。為避免由氮元素帶來的各種問題，撫順特殊鋼第一煉鋼廠進行了低氮2Cr13鋼種的冶煉生產。

1 低氮2Cr13不銹鋼生產技術要求

某公司生產的低氮2Cr13不銹鋼化學成分要求見表1。

表1 化學成分要求 %

2 工藝流程、過程氮含量控制環節及控制水平

2.1 低氮2Cr13不銹鋼生產的工藝流程

生產低氮2Cr13不銹鋼的工藝流程為：60tEAF→AOD→LF→VD→模鑄。主要裝備見表2。

表2 主要生產裝備

2.2 低氮2Cr13不銹鋼氮含量的控制環節

“EAF-AOD-LF-VD-MC”生產流程中氮含量由下式決定：

w([N])=(w([N])01+w([N])02)-w([N])1+w([N])2+w([N])3+w([N])4-w([N])5+w([N])6

式中：w([N])為鋼中氮含量，%;w([N])01為電爐爐料中原始氮含量，%;w([N])02為AOD爐爐料中原始氮含量，%;w([N])1為電爐冶煉過程中的凈脫氮，為脫氮量與增氮量的差w([N])2為電爐出鋼至AOD精煉開始鋼液增氮量w([N])3為AOD精煉出鋼至LF精煉開始鋼液增氮量w([N])4為LF精煉過程鋼液增氮量，%;w([N])5-LF精煉結束至VD真空處理結束鋼液脫氮量w([N])6為真空處理結束至模鑄澆注過程鋼液增氮量。

2.3 低氮2Cr13不銹鋼生產過程氮含量的控制水平

該低氮2Cr13不銹鋼采用電爐氧化法冶煉生產，完成脫磷任務后出鋼。含有少量殘余鉻的母液出鋼進入AOD精煉爐中后完成合金化、脫碳保鉻、脫氧脫硫等冶煉任務。整個AOD冶煉過程采用氬氣保護，同時配合氧氣吹煉。AOD冶煉結束后利用出鋼過程的渣鋼混沖完成鋼液的渣洗，隨后轉移鋼水至LF精煉爐進行生產，精煉過程進行微合金化，同時保證深度。

3 冶煉過程各環節對氮含量的控制及分析

3.1 電爐過程氮含量控制及變化

裝料共配入10 t優質生鐵，電爐冶煉過程采用持續“噴焦”向爐中增碳，以此增加電爐的配碳量，加劇爐中碳氧反應。電爐出鋼后加入保溫劑，隔絕空氣。電爐爐中原始氮含量穩定在(46～56)×10-6，均值為50×10-6，見圖1中數據。

圖1 冶煉低氮2Cr13不銹鋼冶煉過程平均氮含量變化

3.2 AOD精煉-LF精煉氮含量控制及變化

AOD精煉過程消耗約15 t/爐高碳鉻鐵(碳含量7.0%以上)調整爐中的鉻成分，此過程進行高強度持續供氧約20 min，氧氣流量高達3 600 m3/h。長效、劇烈的碳氧反應可以進一步降低鋼中的氮含量。配合輔氣氬氣的保護，AOD精煉結束后，鋼中氮含量保持在(30～50)×10-6波動，均值為42.1×10-6，如圖1所示，低于電爐母液的平均氮含量，這是因為在AOD精煉過程中，強烈而持久的碳氧反應可以有效去除鋼中氮含量。

AOD精煉爐出鋼過程中，鋼液經過出鋼口直接倒入鋼包，在此過程中，高鉻鋼液與空氣充分接觸，鋼中的氮含量急劇增加，該過程的進氮量占比可達到78%，進氮量平均值為32.9×10-6w([N])3)。這一階段的工藝操作至關重要，過程中氮含量的控制效果直接決定了生產能否成功。具體工藝如下：

(1)使用600 kg石灰及300 kg螢石配比調整渣系，提高鋼渣的流動性。

(2)控制整個出鋼過程時間小于40 s(提前處理爐口掛鐵)，縮短鋼液與空氣的接觸時間，減少進氮量。

3.3 LF精煉-VD精煉出鋼氮含量控制及變化

在LF精煉過程中，控制冶時小于60 min，同時保證低溫出鋼(出鋼溫度小于1 650 ℃)，這樣能夠減少氮含量回升的速度及時間。在此基礎上，保持渣厚穩定(渣量控制約1.5 t)，可以保證精煉過程的進氮量(w([N])4)保持在10×10-6以下。

在VD精煉過程中，保持極限真空度(67 Pa)持續10～15 min，破真空后取樣分析，結果顯示氮含量幾乎沒有變化(w([N])5≈0×10-6)，這說明高鉻鋼液(Cr含量為12.50%～13.50%)具有很強的固氮能力，能夠保持氮含量在80×10-6的水平。不同真空保持時間的脫氮量如圖2所示。

圖2 不同真空保持時間的脫氮量

3.4 澆注過程氮含量控制及變化

澆注過程采使用全封閉氬氣保護罩隔絕空氣。澆注穩定狀態下，氬氣保護罩內的氧氣濃度小于1×10-6，如圖3所示。此外，對鋼錠模內進行充氬保護，保證整個鋼錠的帽口端與錠尾的氮含量一致。材上取樣發現，澆注過程的進氮量(w([N])6)小于5×10-6，并且帽口端與錠尾的氮含量一致。此外，全封閉氬氣保護也可以防止鋼液增[O]，如表3所示。

圖3 澆注過程氬氣保護狀態下中注管的氧氣濃度

表3 不同錠盤、鋼錠不同位置成材后氧、氮數據標定 ×10-6

4 低氮2Cr13冶煉工藝效果

采用低氮工藝進行生產，冶煉結束后鋼中氮含量小于80×10-6，澆注過程進氮量小于10×10-6，最終獲得氮含量小于100×10-6的低氮2Cr13管坯用不銹鋼。

5 低氮工藝2Cr13與普通工藝2Cr13高倍組織對比

對比低氮2Cr13與普通工藝2Cr13的高倍組織，低氮控制的2Cr13的組織中存在鐵素體組織，基體中馬氏體的數量明顯少于普通工藝的2Cr13，說明鋼中的氮含量較低控制時，加熱時并沒有完全形成奧氏體，而是與鐵素體并存，在冷卻時，鐵素體保留在鋼的基體上(見圖4)。

圖4 低氮和含氮2Cr13不銹鋼高倍組織對比

6 結 論

(1)低氮2Cr13冶煉生產中AOD出鋼過程的進氮量達到78%，平均進氮量(w([N])3)達32.9×10-6，該過程氮含量的控制效果直接決定了生產能否成功。

(2)低氮2Cr13冶煉生產中通過對LF精煉環節的渣量、冶時、出鋼溫度的控制，LF精煉過程的進氮量(w([N])4)可以穩定在10×10-6以下。

(3) 通過對冶煉全過程氮含量的控制和變化分析，重點控制AOD精煉的出鋼過程、LF精煉過程以及澆注過程的進氮量，可以穩定地獲得鋼中氮含量小于100×10-6的低氮2Cr13管坯用不銹鋼。