中碳含硼鋼氮含量的控制

彭其春，童志博，陳立鵬，楊 柳，彭明耀，周春泉，陳建新

（1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.湖南華菱漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南 婁底，417009）

我國硼資源豐富，在鋼中添加少量的硼元素便能替代部分貴重元素，使鋼材獲得優(yōu)良的機(jī)械性能，因此，我國正大力推進(jìn)含硼鋼的研究開發(fā)。但含硼鋼也有一個非常致命的缺點(diǎn)，即含硼鋼的裂紋敏感性較強(qiáng)，硼含量的微小變化就會引起鋼坯產(chǎn)生較大的缺陷［1］，如板坯邊部裂紋等。湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司在生產(chǎn)45B含硼鋼過程中，通過采取降低鋼水中N含量等措施將裂紋發(fā)生率由原始工藝的17.7%降至3.1%［2］。湖南華菱漣源鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱漣鋼）210廠在生產(chǎn)中碳含硼鋼A36－LB過程中鑄坯角部裂紋嚴(yán)重，為有效地控制角部裂紋的發(fā)生，特向鋼中加入Ti元素以控制氮含量，取得良好的效果?？梢娪行Э刂其撝械暮繉刂畦T坯角部裂紋有非常積極的作用。本文擬通過研究漣鋼210廠生產(chǎn)中碳含硼鋼在LF精煉—連鑄過程中氮含量的變化，分析氮含量的控制現(xiàn)狀，確定其主要增氮位置，并提出相應(yīng)的氮含量控制措施。

1 取樣及檢測方法

在漣鋼210廠中碳含硼鋼A36－LB生產(chǎn)線上，用取樣器分別于鋼包進(jìn)站、第一次送電、加合金、第二次送電、出站、中間包和結(jié)晶器處各取樣1～2個，車削加工成φ5mm×15mm的圓柱試樣，用美國LECO公司的TC－500氧氮測定儀（精度為0.1×10－6）測定各試樣中的氮含量。

2 結(jié)果與分析

對漣鋼生產(chǎn)A36－LB鋼取第三、第四爐鋼進(jìn)行氧氮分析實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。由圖1中可知，從進(jìn)LF精煉站到結(jié)晶器處鋼水中總共增氮量約為12×10－6。在鋼水進(jìn)入LF精煉站時，氮含量在16×10－6～23×10－6范圍內(nèi)波動，表明轉(zhuǎn)爐出鋼時氮含量的控制不穩(wěn)定；LF精煉環(huán)節(jié)在整個工序中增氮最多，約為11×10－6，而一般情況下LF精煉過程增氮量的較好水平應(yīng)為小于5×10－6，表明漣鋼LF精煉過程中增氮較多。另外，中間包到結(jié)晶器環(huán)節(jié)鋼中增氮約2×10－6，表明連鑄保護(hù)澆鑄較好。漣鋼2011年7、8月份統(tǒng)計的該生產(chǎn)線不同工序氮含量的光譜分析平均值為：氬站終點(diǎn)16.8×10－6，LF精煉站終點(diǎn)26.7×10－6，鑄坯中27.1×10－6，與氧氮分析的結(jié)果相一致。

圖1 各工序鋼中的氮含量Fig.1 Nitrogen contents in steel sample in each stage of the process

漣鋼生產(chǎn)A36－LB鋼的工藝流程為BOF－LFCC，在整個工藝流程中，除了轉(zhuǎn)爐脫氮外，其余工序均為增氮工序，故為了控制鋼中氮含量，應(yīng)該在轉(zhuǎn)爐中將氮含量控制在較低水平，并且減少精煉、連鑄等工藝過程的增氮量。

3 討論

3.1 吸氮理論計算

在1600℃的冶煉過程中，氮在鋼液中的溶解度公式［3］為

式中：w［N］為氮在鋼中的溶解度，cm3／100g，1cm3／100g溶解度對應(yīng)的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00125%。

表1為2011年7、8月份漣鋼A36－LB鋼生產(chǎn)不同工序鋼中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（平均值）。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，由式（1）計算可得，A36－LB鋼在冶煉過程中鋼液氮的溶解度為425×10－6～428×10－6。但是，鋼液中實(shí)測的氮含量遠(yuǎn)低于此值，并且連鑄鋼液脫氧、脫硫良好，氧、硫?qū)︿撘何獩]有阻礙作用，只要鋼液與大氣接觸就會吸氮［4］，這表明試驗(yàn)爐次各工序鋼中氮含量均遠(yuǎn)未達(dá)到飽和，各工序過程中吸氮的驅(qū)動力很大。

表1 A36－LB鋼不同工序時各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值（wB／%）Table1 The average element contents of steel in each process

3.2 轉(zhuǎn)爐控氮

漣鋼生產(chǎn)A36－LB鋼采用底吹氮?dú)迩袚Q模式，雖然轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)沒有取樣檢測氮含量，但一般情況下，氬站吸氮極少。圖2所示為鋼液在氬站時氮含量的光譜分布圖。由圖2中可知，氬站鋼液氮含量約為23×10－6，這與實(shí)驗(yàn)所測進(jìn)入LF精煉站的兩爐鋼含量為16×10－6和23×10－6相差不大，由此推測從轉(zhuǎn)爐到氬站氮含量是滿足要求的。同時由圖2中可見，氬站氮含量波動較大，這也表明轉(zhuǎn)爐出鋼時氮含量波動較大。

圖2 氬站氮含量Fig.2 ［N］distribution in steel in Ar station

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量對終點(diǎn)氮含量的影響如圖3所示。由圖3中可見，終點(diǎn)氮含量隨轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量的升高呈明顯下降趨勢。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐冶煉過程中，鋼液脫氮主要是依靠C－O反應(yīng)生成的CO氣泡將氮攜帶出鋼液。吹煉開始，氧氣射流沖擊鋼液面形成的火點(diǎn)（凹坑）是主要的反應(yīng)區(qū)，熔池中硅先氧化，碳氧反應(yīng)還未開始，脫氮速率很小。隨著吹煉的進(jìn)行，火點(diǎn)區(qū)溫度升高，鋼液中碳氧反應(yīng)增強(qiáng)，熔池產(chǎn)生大量CO氣泡將鋼液中的氮脫除。在火點(diǎn)區(qū)溫度下，鋼液中氧、硫?qū)γ摰挠绊懲耆梢院雎裕瘘c(diǎn)區(qū)雖然存在吸氮現(xiàn)象，但由于碳反應(yīng)生成的CO量多，其壓力大于外界空氣壓力，使空氣難以與鋼液接觸，脫氮量大于吸氮量，脫氮速度迅速增大，到某一時刻達(dá)到最大值。隨著碳氧反應(yīng)強(qiáng)度的降低，生成的CO量減少，外部空氣壓力大于CO壓力，這時空氣就有可能與火點(diǎn)區(qū)的鋼液接觸，造成鋼液的吸氮，脫氮速度逐漸降低，在某時刻脫氮速度變?yōu)樨?fù)數(shù)，意味著此時鋼液內(nèi)脫氮變?yōu)樵龅?］。因此，采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)高拉碳工藝可以降低終點(diǎn)氮含量。

圖3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量與終點(diǎn)氮含量的關(guān)系［5］Fig.3 Effect of［C］on［N］for steel in BOF endpoint

圖4所示為漣鋼在2011年7、8月份生產(chǎn)的A36－LB鋼在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳含量。由圖4中可見，漣鋼該階段生產(chǎn)的A36－LB鋼碳含量控制不穩(wěn)定，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中氮含量不穩(wěn)定。另外，雖然轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量高可以降低鋼中氮含量，但同時也會導(dǎo)致鋼中磷含量增高，如圖5所示。這是由于，從熱力學(xué)角度來看，氧化條件是有利于脫磷的，而轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量高，會導(dǎo)致氧含量低，不利于磷與氧結(jié)合后被去除。漣鋼生產(chǎn)要求轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)w［C］＝0.06%～0.14%，故建議提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率，穩(wěn)定碳含量在內(nèi)控成分的較高范圍內(nèi)。

圖4 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中碳含量分布Fig.4 ［C］distribution in steel in BOF endpoint

圖5 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量與碳含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between［C］and［P］for steel in BOF endpoint

3.3 LF精煉過程控氮

圖6所示為LF精煉末期鋼中的氮含量。對比氬站鋼中氮含量可知，LF精煉末期鋼中氮含量增加較多，這與前面分析LF精煉增氮最多結(jié)論一致。鋼液中氧含量和硫含量越低，吸氮越嚴(yán)重，只要鋼液與大氣接觸就會引起鋼液增氮；而氮在渣中的溶解度很低，只要保證渣層均勻覆蓋在鋼液表面就可以有效防止吸氮［7－10］。在LF爐精煉后期喂Ca－Si線過程中，鈣氣化形成的鈣氣泡會吹開鋼液面而使鋼液吸氮；但如果渣層較厚，鋼液面不被吹開，就有可能避免裸露鋼液吸氮［5］，另外，硅鈣線、增碳劑中的氮含量也會使鋼液中氮含量增加［11］。

圖6 LF精煉環(huán)節(jié)鋼中氮含量Fig.6 ［N］content in steel in LF refining

電弧區(qū)的鋼水裸露在空氣中吸氮是LF精煉階段吸氮的一個重要原因，因此必須造好泡沫渣，保證起渣快，縮短冶煉時間，確保埋弧效果佳；在泡沫渣形成前，使用小電流、小電壓操作，隨著泡沫渣的形成，依次提高電極的電流和電壓；LF渣料的加入也要避免一次添加量過大，避免造渣速度慢，形成渣料堆積，影響脫硫效果［11］。另外，鋼包底吹氬的時間、壓力及狀態(tài)均對增氮有影響［11－12］。

由圖1可知，在加合金過程中鋼中氮含量并沒有很明顯的增加，故推測原材料增氮并不是主要原因；而經(jīng)過第一次電弧加熱后，第三、第四爐鋼中氮含量分別由進(jìn)站的16×10－6和23×10－6增至23×10－6和25×10－6左右，可見電弧加熱過程增氮較為嚴(yán)重，這可能是由于在LF精煉泡沫渣未形成前，操作中使用過大的電流、電壓導(dǎo)致的鋼液增氮。

3.4 連鑄過程控氮

圖7 連鑄坯氮含量Fig.7 ［N］content in steel in slab

圖7為連鑄坯氮含量分布圖。為了防止連鑄過程的二次氧化和吸氮，鋼廠普遍采用保護(hù)澆鑄。鋼液由鋼包到中間包過程，如果是長水口氬封保護(hù)澆鑄，鋼液吸氮量為3×10－6；鋼液由中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口及保護(hù)渣，增氮量小于2×10－6，因此在一定條件下，鋼液在連鑄過程的增氮量應(yīng)為5×10－6［10］。由漣鋼實(shí)際測量氮含量來看，連鑄環(huán)節(jié)鋼中增氮較少，即控制較好，但連鑄終點(diǎn)鋼坯中氮含量波動較大（見圖7），這將會導(dǎo)致氮與硼、鈦、鋁等合金在鑄坯中形成的氮化物不同，影響產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，實(shí)踐證明，漣鋼在氮含量變化較大的情況下，鑄坯強(qiáng)度波動較大。

4 結(jié)語

（1）漣鋼A36－LB鋼生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)和最終的鋼產(chǎn)品中氮含量波動較大；轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量高可使鋼中氮含量降低，但同時也會導(dǎo)致磷含量升高；精煉環(huán)節(jié)增氮較多，其主要原因是電弧加熱的操作過程中，在精煉泡沫渣未形成前使用過大的電流、電壓引起的；連鑄環(huán)節(jié)鋼中增氮較少，但連鑄終點(diǎn)鋼中氮含量的波動較大。

（2）穩(wěn)定控制漣鋼A36－LB鋼生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量的措施主要有：穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量在內(nèi)控成分的較高范圍內(nèi)；在LF爐精煉過程中保證渣層均勻覆蓋在鋼液表面，在后期喂Ca－Si線時，使渣層較厚從而避免裸露鋼液吸氮；造好泡沫渣，保證起渣快，縮短冶煉時間，確保埋弧效果佳；出鋼前2min提前進(jìn)行鋼包底吹氬，同時在出鋼過程中關(guān)小底吹氬氣量并進(jìn)行軟吹。

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