150tLF 爐冶煉熱軋帶肋鋼吹氮控氮的探究

馬進(jìn)國(guó)

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

1 引言

為應(yīng)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的局面，鋼企在成本控制的基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。近年來(lái)，一些煉鋼廠就非調(diào)質(zhì)鋼通過(guò)添加V-VN、Nb、Ti 等開展吹氮微合金化新工藝開展了研究，八鋼150t 轉(zhuǎn)爐產(chǎn)線結(jié)合自身生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，提出了熱軋帶肋鋼筋精煉LF 鋼包吹氮增氮的研究思路，并經(jīng)過(guò)不斷的摸索及實(shí)踐，取得了一定的成績(jī)，為穩(wěn)定控制鋼種氮含量提供了有力支撐。

2 鋼中氮的作用

在低碳合金鋼中，氮與鋼中微合金元素釩、鈦、鈮等元素有很強(qiáng)的親和力，其中N 與Ti、Nb 的親和力大于與V 的親和力。在復(fù)合微合金鋼中，N 優(yōu)先與Ti、Nb 形成化合物，形成極穩(wěn)定的間隙相，結(jié)合后形成V(C,N)、TiN、Nb（CN）等（碳）氮化物。在鋼中，這些化合物在奧式體- 鐵素體相變中多為相間析出，常以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)存在，以點(diǎn)列狀析出；在奧式體- 鐵素體相變后，在鐵素體中析出的呈無(wú)序彌散狀態(tài)[1]。(碳)氮化物在鋼中析出，促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形成，提升奧式體- 鐵素體相變比率，起到細(xì)化鐵素體組織作用，達(dá)到沉淀強(qiáng)化效果。可見，氮在非調(diào)質(zhì)鋼中是有益的合金元素，同時(shí)增加鋼中的氮含量，可以有效地發(fā)揮微合金化元素的作用。

在低碳合金鋼鍛造及軋制前加熱、均熱時(shí)，未溶解的微合金碳氮化物通過(guò)質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界機(jī)制，阻止晶粒長(zhǎng)大，其中TiN 阻止加熱時(shí)晶粒（奧氏體）粗大的作用大于Nb 化合物，V、Nb 化合物次之；在鍛造及軋制過(guò)程中，通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)，析出的Ti、Nb、V 的碳氮化物沉淀在晶界和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，Nb 阻止奧氏體回復(fù)、再結(jié)晶的作用強(qiáng)于Ti、V，Ti 元素次之。再者V、Nb、Ti 碳氮化物彌散分布在晶粒中，起到彌散強(qiáng)化作用[1]。

3 鋼中增氮方式的選擇

鋼中增氮的方式通常采用向鋼液中添加氮化物合金來(lái)增氮，較為普遍的是采用釩氮合金、氮化合金，也有采用Nb、Ti 微合金化等固氮增加鋼中的氮含量。

釩氮合金增氮控氮工藝技術(shù)已較為成熟，在生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋的應(yīng)用中效果優(yōu)異，但釩氮合金產(chǎn)量受限且價(jià)格較高，尤其是市場(chǎng)資源緊缺時(shí)期采用釩氮合金對(duì)成本影響最為直觀。雖然氮化合金（氮化硅錳）已在八鋼煉鋼成功應(yīng)用，但基于成本控制的要求下增氮受限。采用Nb 微合金化時(shí)，Nb 在鋼中雖具有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化強(qiáng)化效果，其沉淀強(qiáng)化效果較弱，價(jià)格較釩氮低，關(guān)鍵在于含Nb 鋼的強(qiáng)度隨溫度變化較大，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)加熱溫度范圍要求較窄，溫控精度高是必要生產(chǎn)條件，對(duì)工況要求較高。Ti 微合金化的強(qiáng)化作用介于Nb 和V 之間，資源不受限，價(jià)格較低。

綜合以上鋼中增氮方式，八鋼煉鋼結(jié)合工藝及成本提出了生產(chǎn)熱軋帶肋鋼精煉LF 鋼包吹氮并配加微合金含鈦合金強(qiáng)化的研究思路，利用低價(jià)的氮?dú)饧昂伜辖鹳Y源，在保證一定強(qiáng)度水平下降低合金成本。

4 150tLF 鋼包吹氮控氮理論分析

4.1 鋼液增氮控氮鋼中氮溶解度

冶煉熱軋帶肋鋼結(jié)合生產(chǎn)工藝路徑，鋼水的連澆溫度在1570～1600℃，精煉LF 爐鋼包入站溫度要求≥1540℃。研究此階段氮的溶解度，為后續(xù)研究鋼液增氮控氮奠定基礎(chǔ)。

初選溫度T=1837K，常壓條件下氮在鋼液中溶解度的計(jì)算，氮在鋼液中的溶解反應(yīng)：

式中，[%N]為常壓下氮在鋼液中的溶解度；KN為氮溶解反應(yīng)平衡常數(shù)；PN2為氮?dú)庠诖髿庵械姆謮?；fN為鋼液中氮的活度系數(shù)。

等式兩邊取對(duì)數(shù)，進(jìn)而得到：

溶解度的平衡常數(shù)KN和活度系數(shù)fN，不同研究者測(cè)定值均有一定的差異，采用R.D Pehlke 和Chipman 等人的研究結(jié)果[2]，常壓條件下鋼液中氮的溶解度與鋼液成分、溫度的關(guān)系：熱力學(xué)中鋼液元素的含量多少都會(huì)對(duì)fN 的數(shù)

值產(chǎn)生影響，從而影響鋼液中的平衡氮含量。由于生

產(chǎn)熱軋帶肋鋼中的S、P、O、Cr、Mo、Ni 等元素的含量較低，設(shè)定其對(duì)N 的活度系數(shù)的影響可忽略。因此，整理上式可得氮在鋼液中溶解度公式：

式中：ω[j]為鋼中組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)%；ejN為元素一階相互作用系數(shù)；rjN為元素二階相互作用系數(shù)。

1873K 溫度下鋼液中各元素對(duì)N 的一、二階相互作用系數(shù)如表1所示。

表1 1873K 溫度下各元素對(duì)氮的相互作用系數(shù)

考慮鋼中Cr、Mn、Ni 含量低不予考慮其對(duì)氮的相互作用系數(shù)，將以上參數(shù)代入整理得氮在鋼液中的溶解度和溫度間的關(guān)系式：

在1813～1873K 的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)公式（6）計(jì)算可知，鋼中氮的理論溶解度在0.0503%～0.0508%。從而可看出，與八鋼煉鋼廠目標(biāo)控制熱軋帶肋鋼筋HRB400E 氮含量90×10-6～120×10-6還要高。故結(jié)合LF 鋼包吹氮及控氮工藝可以將鋼中氮含量限定在合適的范圍內(nèi)，在理論上證明了LF鋼包吹氮進(jìn)行鋼液增氮的可行性。

4.2 鋼包增氮控氮配加鈦鐵合金原理

在精煉LF 冶煉過(guò)程向帶有鋼水的鋼包進(jìn)行吹氮操作，如圖1所示，同時(shí)配加含有微量合金元素的鈦鐵合金。吹氮會(huì)產(chǎn)生彌散分布的氮?dú)馀?，其攪拌作用可使鋼液溫度和合金元素成分更加均勻，同時(shí)彌散分布在鋼液中的氮?dú)馀莶粌H可以改善鋼液內(nèi)氮合金化的動(dòng)力學(xué)條件，還可以使氣—液兩相的接觸面積增大，增大氮原子與碳及與微量合金元素的反應(yīng)幾率，進(jìn)而生成對(duì)應(yīng)的碳氮化物，起到強(qiáng)化作用。

圖1 鋼包吹氮示意圖

5 鋼包吹氮加含鈦合金生產(chǎn)HRB400E 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

工藝路徑：高爐鐵水→150t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→精煉LF→連鑄。

試驗(yàn)鋼種：HRB400E 試驗(yàn)，依據(jù)加釩工藝HRB400E 成分，初步設(shè)計(jì)鋼包吹氮配加含鈦合金的試驗(yàn)鋼成分，先少量多次試驗(yàn)摸索，根據(jù)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終確定試驗(yàn)成分見表2。

表2 試驗(yàn)鋼成分要求 ω%

轉(zhuǎn)爐脫氧合金化鋼包成分按中下線控制；鋼包到精煉，只做成分輕微微調(diào)；鋼包吹氮要求：鋼包到LF 爐后實(shí)施鋼包底吹氮?dú)?，底吹流量均設(shè)定為30 Nm3/h，精煉送電10min 后配加含鈦合金，軟吹8min，精煉總時(shí)間控制在20～35min。

通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)鋼包吹氮初始及吹氮配加鈦合金后上鋼終點(diǎn)氮含量變化，分析鋼液中增氮情況及試驗(yàn)鋼材的力學(xué)性能是否滿足國(guó)標(biāo)要求。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）試驗(yàn)20 爐，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制在1630℃～1680℃，終點(diǎn)碳控制0.08%～0.16%，鋼包到精煉初始及精煉終點(diǎn)進(jìn)行取樣氮分析。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 吹氮前后鋼中氮數(shù)據(jù)比對(duì)

從圖2 中看出，LF 鋼包吹氮前鋼中的氮含量在54×10-6～78×10-6，經(jīng)過(guò)吹氮及配加含鈦合金且吹氮結(jié)束后，鋼中氮含量在91×10-6～116×10-6。鋼中氮含量有上升且上升較為明顯。

（2）試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能。在現(xiàn)有軋制工藝下進(jìn)行組織軋制不同規(guī)格的線材，其力學(xué)性能如表3所示。

表3 試驗(yàn)鋼軋材力學(xué)性能

續(xù)表3

試驗(yàn)鋼種HRB400E 軋制Φ12mm、Φ14mm、Φ16mm、Φ25mm 規(guī)格材質(zhì)，力學(xué)性能均滿足國(guó)標(biāo)要求，其屈服強(qiáng)度在434～467MPa 范圍波動(dòng),均值為446.7MPa。

（3）試驗(yàn)鋼材金相組織。

隨機(jī)抽取2 爐鋼進(jìn)行金相組織分析，如圖3所示，金相組成為鐵素體+珠光體，晶粒度等級(jí)9 級(jí)。從圖3 中可以觀察到鐵素體晶粒及晶界中有細(xì)小析出物。析出物能實(shí)現(xiàn)鑄態(tài)缺陷彌合、再結(jié)晶（碳)氮化物析出、晶粒細(xì)化，實(shí)現(xiàn)鋼筋的性能優(yōu)化。

6 結(jié)束語(yǔ)

150tLF 爐生產(chǎn)熱軋帶肋鋼控氮的試驗(yàn)表明：鋼包吹氮配加含鈦合金能實(shí)現(xiàn)增加鋼中氮含量；通過(guò)金相分析可觀察到鐵素體晶粒及晶界中有細(xì)小析出物，有效發(fā)揮了微合金化元素的作用，同時(shí)試驗(yàn)鋼種軋制的鋼材力學(xué)性能均滿足要求。在保證產(chǎn)品的成分和性能合格條件下，試驗(yàn)結(jié)論為減少貴重合金降低生產(chǎn)成本提供可靠依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)如何穩(wěn)定增氮控氮研究奠定了基礎(chǔ)。