薄板坯含Nb微合金鋼氮含量控制工藝實(shí)踐

郝賓賓

（河鋼集團(tuán) 邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

鋼水中氮在大多數(shù)鋼中被視為夾雜物有害元素，會使鋼的塑性和沖擊韌性降低，同時可與鋼中的鈦和鋁元素形成氮化物夾雜，引起鋼的表面質(zhì)量惡化，影響成材率。我廠薄板坯近年開發(fā)含Nb低合金高強(qiáng)鋼以來，采用鋁脫氧，氮在鋼水中的溶解度較高，控制難度大，在采用轉(zhuǎn)爐-LF-CSP連鑄工藝流程生產(chǎn)含Nb低合金高強(qiáng)鋼時，連鑄中間包鋼水N含量最初平均控制在50～60ppm，一定程度上引發(fā)含Nb鋼邊裂缺陷，但通過工藝優(yōu)化改進(jìn)攻關(guān)，目前N含量穩(wěn)定控制在50ppm以下比例占到95%以上，同時通過提高拉速和冷卻設(shè)備優(yōu)化等工作，含Nb微合金鋼表面裂紋缺陷明顯改善，效果良好。

1 含Nb低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝與增氮來源

1.1 含Nb低合金高強(qiáng)鋼主要化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝路線

CSP含Nb低合金鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 含Nb鋼主要化學(xué)成分（%）

含Nb低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝路徑為：鐵水→100t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→薄板坯連鑄→軋制。

1.2 含Nb低合金高強(qiáng)鋼增氮來源

鋼中的氮主要是通過鋼水與空氣接觸后吸入并溶解導(dǎo)致，通過對含Nb鋼LF精煉爐進(jìn)站、出站和連鑄中間包以及鑄坯進(jìn)行取樣氮含量檢測跟蹤分析，確定主要的增氮環(huán)節(jié)，進(jìn)行增氮原因分析和優(yōu)化。由表1可知，LF精煉工序平均增氮9.3ppm，中間包工序增氮13.3ppm，結(jié)晶器增氮2.0ppm，從LF出站鋼包到中包澆注過程中的增氮量最為明顯為22.8ppm，因此生產(chǎn)過程中將連鑄澆注過程中的增氮控制作為主要關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，同時由表1中可以看出，LF極個別爐次增氮量達(dá)到14.6ppm，極大的提高了連鑄進(jìn)站鋼水N含量水平，在后期連鑄增氮控制不穩(wěn)時很容易造成連鑄中包N含量超標(biāo)。

2 鋼水增氮原因分析

通過對含Nb低合金高強(qiáng)鋼連鑄中包鋼水N含量高的原因進(jìn)行分析，具體結(jié)果如下。

2.1 LF爐鋼水增氮原因分析

（1）供電制度。LF爐在加熱過程中，如果短時間內(nèi)處于功率較大的檔位下加熱，鋼液的升溫快，可以減少電離增氮幾率，減少高溫渣的存在，有利于減少鋼水增氮，但是如果泡沫渣造的不好，埋弧效果不良，長時間大功率加熱會增加鋼水增氮機(jī)率。大功率短時間鋼水加熱可減少鋼水增氮。

（2）埋弧效果影響。LF爐如果埋弧效果不好，在電極加熱過程中，石墨電極會與鋼渣之間產(chǎn)生高溫電弧，熔池表面形成凹坑，凹坑處鋼液面會裸露，此處鋼水溫度比其它部位低，高溫下氧、硫?qū)︿撘好姹砻婊钚宰饔孟?，鋼液面裸露會吸氮。同時電弧溫度達(dá)到幾千攝氏度，高溫電弧使周圍的空氣電離，很容易造成鋼水增氮。

（3）吹氬操作。在LF操作過程中，必須通過吹氬攪拌去除夾雜、均勻成分和溫度。但是如果控制不當(dāng)，吹氬量較大啊，就容易造成鋼液面裸露增氮。由下圖1吹氬時間與鋼水增氮關(guān)系可知，隨著吹氬時間的延長，鋼水增氮量呈上升趨勢。

圖1 吹氬時間與增氮關(guān)系曲線

（4）喂線處理影響。LF爐脫氧過程中，會向鋼水中喂入鋁線進(jìn)行脫氧，脫氧結(jié)束后，會進(jìn)行喂鈣線夾雜物變性處理，尤其是喂鈣線容易氣化，形成鈣氣泡將將鋼液面吹開，造成鋼液面裸露增氮。經(jīng)統(tǒng)計表明，喂線前鋼水N含量平均為32.2×10-6，喂線后平均為36.6×10-6，表明鋼水喂線過程增氮達(dá)到了4.4×10-6。

2.2 連鑄鋼水增氮原因分析

（1）連鑄鋼水增氮機(jī)理，很多研究證明，氧、硫等元素屬于鋼液表面活性元素，在氧、硫等元素含量較低的時候，鋼液更容易吸氮[1]，由鋼液吸氮動力學(xué)方程（1）可知

式中，[%N]為時間t時的氮濃度，%；[%N]e為與氣相中的氮分壓平衡時的氮濃度；KL為液相傳質(zhì)控制時的傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；A-氣液兩相間反應(yīng)界面積；V-液相體積。

目前LF爐精煉結(jié)束后，鋼水中的氧和硫都處于較低水平。目前精煉出站鋼水氧通常低于27ppm，硫含量低于60ppm，是含Nb低合金高強(qiáng)鋼容易吸氮的主要原因。在開澆的第一爐，鋼水沒有加入覆蓋劑，會增氮嚴(yán)重，但是隨著澆注的進(jìn)行會不斷下降，最后穩(wěn)定在某一范圍。但是如果一旦出現(xiàn)鋼液面裸露鋼水就會迅速增氮。

（2）連鑄鋼水增氮原因，首先設(shè)備原因，連鑄中間包的鋼水是鋼包鋼水經(jīng)長水口進(jìn)入，因此在鋼包下水口與長水口之間的連接處，會因為長水口內(nèi)鋼水的高速流動與周圍外界空氣形成負(fù)壓，空氣會通過接觸間隙進(jìn)入鋼水，所以現(xiàn)場通過長水口處吹氬來彌補(bǔ)鋼液帶走的氣體，使此處產(chǎn)生微正壓防止空氣進(jìn)入。因此實(shí)現(xiàn)長水口與鋼包下水口的密封接觸非常重要。

3 鋼水增氮控制措施與效果

3.1 LF過程增氮控制措施

（1）加強(qiáng)埋弧操作，目前本廠LF爐埋弧效果根據(jù)進(jìn)站鋼水的鋼渣情況進(jìn)行埋弧操作，但是隨著轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)的應(yīng)用，轉(zhuǎn)爐下渣量減少，因此在鋼水進(jìn)入LF爐后根據(jù)不同情況加入適量的泡沫渣，在加熱等操作過程中，根據(jù)埋弧效果，隨時補(bǔ)加泡沫渣，造好埋弧渣，避免鋼水與空氣接觸。

（2）合理控制供電功率，通過對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行維修，盡可能實(shí)現(xiàn)低功率化渣，高功率加熱的模式，同時盡量縮短升溫時間，對于進(jìn)站鋼水溫度較低的，盡可能以少的升溫次數(shù)達(dá)到溫度要求，避免電極頻繁起弧，將空氣電離造成鋼水增氮。

（3）合理吹氬，生產(chǎn)中，根據(jù)進(jìn)站鋼水的鋼渣，如果鋼渣較大且結(jié)殼嚴(yán)重，應(yīng)采用加入化渣劑進(jìn)行化渣，避免通過吹氬攪拌化渣。

（4）優(yōu)化喂線設(shè)備，為了對鋼水進(jìn)行脫氧和調(diào)整Als加入鋁線，以及夾雜物變性處理喂入鈣線，但是鈣線喂入與鋁線喂入相比，鈣線喂入時穿透力小，容易氣化，形成鈣氣泡將鋼液面吹開，造成鋼液面裸露增氮嚴(yán)重。因此在喂絲管旁增加一吹氬管設(shè)備，實(shí)現(xiàn)喂線時接觸部位惰性氣氛，防止鋼水增氮。

3.2 連鑄增氮控制措施

（1）設(shè)備優(yōu)化，首先對長水口與鋼包下水口接觸位置的密封碗形狀進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)長水口上水口位置確定最佳的密封碗形狀，防止因為密封墊形狀原因，導(dǎo)致安裝長水口對位不當(dāng)，密封不好吸入空氣增氮。同時長水口處的吹氬形式采用暗埋內(nèi)置式，更有利于氬氣的密封效果。通過實(shí)驗，優(yōu)化鋼包滑動水口下滑板與長水口密封碗之間壓氣流量，減少整個澆鋼過程中的鋼水增氮。

（2）通過標(biāo)準(zhǔn)化操作，要求操作工及時清理長水口上水口和鋼包下水口位置處的殘渣和鋼渣，以免造成接觸不良影響增氮。同時提高鋼包自開率，減少燒眼爐次，同時嚴(yán)格執(zhí)行開澆過程中，長水口浸入中間包鋼液面以下浸入式開澆。

3.3 取得效果

通過以上工藝技術(shù)優(yōu)化與設(shè)備改進(jìn)，鋼水氮含量控制水平得到了明顯改善，由圖2可以看出，連鑄中間包平均增氮量由優(yōu)化前的15ppm降低到了優(yōu)化后的8ppm以下，全流程控氮水平提升。

圖2 各工序氮含量變化曲線

4 結(jié)論

通過優(yōu)化LF埋弧效果、供電制度、合理吹氬以及喂絲機(jī)改造，連鑄密封碗形狀優(yōu)化、吹氬流量優(yōu)化以及埋弧開澆等一系列工藝和操作，形成了一套全工序控制鋼水增氮的技術(shù)。改進(jìn)后，連鑄中間包鋼水N含量控制在50ppm以下比例達(dá)到95%以上，含Nb微合金鋼邊裂缺陷改善，邊裂缺陷率控制在0.32%以下。