RH 真空精煉對鋼中氮含量的影響

張振申 趙興通 賀瑞飛

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

氮元素對鋼材的影響是一把雙刃劍。對于低氮鋼而言，鋼中氮元素的存在會對鋼的性能造成不利影響，不但會降低鋼的高溫塑性和韌性[1]，還會與氫綜合作用使鎮(zhèn)靜鋼產(chǎn)生結疤和皮下氣泡，增加鋼材在軋制后出現(xiàn)皮下裂紋的幾率[2]，因此在生產(chǎn)低氮鋼時要盡可能降低鋼中的氮含量。對于控氮鋼而言，鋼中的氮元素與鋁、鈦、釩等作用形成的AlN、TiN、VN 等均勻彌散分布的氮化物可細化晶粒，從而提高鋼的強度和韌性，且能有效提升鋼的焊接性能[3-5]?？氐撋a(chǎn)時通常在LF 精煉工序添加氮化合金（如氮化釩、氮化鉻鐵、氮化錳鐵等）來實現(xiàn)增氮的效果，但是對于需要過RH 精煉的鋼種，提前加入氮化合金增加的氮含量會在真空階段大量脫除，增加成本，在RH 精煉結束后加入的話，則會造成鋼中氮含量控制工藝波動較大，不易控制。在正常精煉工藝結束后，不直接破空，而是關閉1～3 級真空泵，利用純凈且廉價的氮氣帶動鋼液進行環(huán)流，以此達到增氮的目的（以下簡稱環(huán)流增氮），此工藝對于控氮鋼生產(chǎn)而言，如何將鋼中的氮含量控制在較窄的合理范圍內是生產(chǎn)過程中的難點和要點。筆者以控氮鋼為研究對象，探究RH 真空精煉過程中脫氮與增氮的變化規(guī)律，從而為控氮鋼生產(chǎn)提供一種合理的氮含量控制方法。

1 生產(chǎn)工藝與試驗方法

控氮鋼的生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示，經(jīng)鐵水預處理和150 t 轉爐冶煉后，采用正常合金化工藝，LF 精煉過程采用N2進行底吹，增加鋼中的氮含量，經(jīng)RH 真空脫氣處理后進行環(huán)流增氮工藝，以此達到低成本穩(wěn)定控制鋼中氮含量的目的。

試驗方法：控氮鋼的RH 精煉周期為40 min左右，RH 過程控氮的工藝流程如圖2 所示，抽真空開始4～6 min 達到67 Pa 的真空度要求，高真空循環(huán)脫氣處理25～30 min 后，關閉1～3 級真空泵，使真空度保持在5 000～5 500 Pa，同時取樣檢測鋼液中的氮含量，并預估成分反饋時鋼中的剩余氮含量，在環(huán)流增氮過程中取樣進行檢測，根據(jù)過程檢測數(shù)據(jù)不斷修正環(huán)流氮氣增氮時間，氮含量達到目標之后處理結束。

圖2 RH 過程控氮的工藝流程

2 鋼液氮含量控制的影響因素

在煉鋼生產(chǎn)過程中，如何實現(xiàn)鋼液中氮的可控增加與逸散是一大難點；當鋼液氮含量達到一定水平后，即使讓鋼液裸露在空氣中也難以增氮，進行真空處理也難以脫氮，造成這一現(xiàn)象的主要原因有：

（1）因原子體積相對較大，氮在鋼液中的擴散速度較慢，對鋼中氮的吸入及脫除造成不利影響。

（2）氮在鋼液中的遷移過程需要穿透由表面活性物質[O]、[S]等組成的表面活性物質層，這些表面活性物質層通常存在于氣-液交界面或是渣-鋼交界面，通過上述交界面所需的能量較大，導致鋼液未進行脫氧時氮的吸入和脫除較為困難，這也是生產(chǎn)過程中采用轉爐裸露出鋼方法增氮不明顯的原因。

（3）在真空處理過程中，鋼液中游離態(tài)的氮在蒸氣壓的驅動下從鋼液中脫除，但氮與其他還原劑結合生成的氮化物通常在真空度達到10 Pa 以下才會分解，而VD/RH 真空處理工序的極限真空度難以達到這一標準，導致氮與其他還原劑結合生成的化合態(tài)的氮難以從鋼液中脫除。

3 RH 真空精煉控氮工藝試驗

對于控氮鋼而言，通過RH 工序進行控氮的難點在于鋼中的[N]測定流程分為鋼液取樣→試樣冷卻→試樣發(fā)送→試樣接收→試樣制備→試樣化驗→試樣成分反饋7 個步驟，整個測定流程耗費時間約為7～9 min，而此時鋼液仍在進行真空處理，鋼中的氮仍在不斷逸出，這就需要根據(jù)取樣的成分含量和反饋時間進一步評估鋼液中剩余的氮含量，以此反復最終確定環(huán)流增氮的時間，才能保障氮氣環(huán)流結束后鋼液氮含量準確命中目標范圍。

真空保持時間達到鋼種要求后，關閉1～3 級真空泵，使RH 真空壓力至5 000～5 500 Pa，采用120 m3/h 的氮氣做為鋼液環(huán)流提升氣體，整個環(huán)流增氮過程進行取樣，檢測鋼中的氮含量，以此探究真空階段脫氮總量和脫氮速率。

試驗鋼RH 工序具體過程數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)RH 工序過程數(shù)據(jù)計算所得相關數(shù)據(jù)見表2。抽真空開始至高真空循環(huán)脫氣結束的處理時間平均為33.77 min，平均脫氮量為0.004 7%，真空脫氮速率為0.000 14%/min；關閉1～3 級泵后將RH 真空度保持在5 000～5 500 Pa，采用120 m3/h 的氮氣流量進行鋼液環(huán)流增氮，鋼液平均增氮量為0.002 1%，環(huán)流增氮處理時間平均為3.3 min，環(huán)流增氮平均增氮速率為0.000 7%/min；連鑄澆鑄過程平均增氮量0.000 8%。

表1 試驗鋼RH 工序過程數(shù)據(jù)

表2 RH 工序過程數(shù)據(jù)計算所得相關數(shù)據(jù)

4 控氮工藝實施效果

根據(jù)試驗結果可知，影響控氮鋼氮含量控制的主要因素為初始氮含量、真空脫氮量、環(huán)流增氮速率和環(huán)流時間等。高真空循環(huán)脫氣結束后關閉1～3級泵時的氮含量根據(jù)進站氮含量和0.000 14 %/min 的真空脫氮速率進行估算，采用120 m3/h 的氮氣流量進行鋼液環(huán)流增氮，環(huán)流增氮過程的增氮速率按0.000 7%/min 進行計算，根據(jù)取樣檢測的實際氮含量修正環(huán)流增氮的時間，同時考慮連鑄過程增氮0.000 4%～0.001 7%（平均增氮量0.000 8%），達到精確控制鋼中氮含量的目的。通過RH 精煉工藝過程參數(shù)控制實現(xiàn)了控氮鋼的批量生產(chǎn)，控氮鋼成品氮含量控制情況如圖3 所示，RH 工序氮含量按中下限進行控制，平均氮含量為0.009 3 %，符合內控標準要求的控氮鋼比例為98.4%，氮含量控制效果較好，實現(xiàn)了控氮鋼氮含量的穩(wěn)定控制。

圖3 控氮鋼成品氮含量控制情況

5 結論

RH 精煉時，在4～6 min 內將真空度抽至67 Pa，真空保持25～30 min 后關閉1～3 級真空泵，使真空度保持在5 000～5 500 Pa，采用120 m3/h 的氮氣流量進行環(huán)流增氮。

高真空循環(huán)脫氣階段的真空脫氮速率為0.000 14 %/min，采用120 m3/h 的氮氣流量進行鋼液環(huán)流增氮，環(huán)流增氮過程的增氮速率為0.000 7 %/min，連鑄過程平均增氮量為0.000 8%。

隨著控氮鋼RH 精煉工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化，內控0.008 0%～0.012 0%的要求范圍內，控氮鋼的成分合格率達98.4%，實現(xiàn)了控氮鋼氮含量的穩(wěn)定控制。