中頻爐熔煉金屬錳降低氮含量的工藝改進

樊明濤

(新疆八鋼佳域工業(yè)材料有限公司)

前言

金屬錳作為鋼水脫氧劑被廣泛用于煉鋼生產中。某廠于2019年年底開始試生產金屬錳產品，2020年月產量已達2000t以上，基本供應當?shù)責掍搹S生產。2021年2月，該鋼廠反饋使用供應的金屬錳產品冶煉60Si2Mn時氮元素含量出現(xiàn)超標。為查找金屬錳在生產過程中氮超標的問題，對生產金屬錳的熔煉、澆注以及成型工藝進行了分析研究，找到了增氮的原因，改進了生產工藝。改進后的試驗結果表明，金屬錳產品的氮含量完全達到標準要求，金屬錳產品得到了煉鋼廠的認可。

1 煉鋼對氮元素含量要求及錳合金的作用

隨著煉鋼技術的不斷進步和發(fā)展，對鋼水質量提出了更高要求，對鋼水的氮含量控制也越來越嚴格，如優(yōu)鋼等鋼種要求鋼水中氮含量不得超過0.004%。

在大多數(shù)鋼種中，氮被視為一種有害元素(耐熱及不銹鋼除外)，雖然鋼中殘留氮很少，但對鋼的力學性能卻有顯著的影響。

氮的危害主要表現(xiàn)在：(1)導致鋼的時效性、屈服點延伸和蘭脆, 降低鋼的韌性和塑性；(2)與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工；(3)當鋼中殘留氮較高，會導致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡；(4)鋼中氮還降低鋼的焊接性能、電導率、導磁率等；(5)鋼中氮含量偏高也會使鑄坯開裂。

因此，煉鋼生產中必須采取有效措施降低鋼中氮含量，特別是高級別鋼種對氮控制尤顯重要[1]。各鋼鐵廠根據煉鋼工藝及設備等條件不同，對品種鋼中氮含量的控制條件也不盡相同。

金屬錳在煉鋼生產得到廣泛應用，其主要作用就是脫氧、脫硫、作為合金元素。

(1)金屬錳用作脫氧劑。煉鋼過程中，鋼液中氧含量的增高會對鋼的力學性能產生不良影響，所以對含氧量有嚴格的要求，一般不準超過0.02%，甚至更嚴。因此，煉鋼過程必須脫去超標的氧。

錳是活性好的元素，其化學性能比鐵活潑，將金屬錳加入鋼液中時，可以與氧化亞鐵反應形成不溶于鋼水中的氧化物渣，飄浮于鋼水液面，使鋼中含氧量降低。雖然錳在鋼水中的脫氧能力比其他一些元素(如鈣、鋁、硅)低，但因其易于生產且價格比較低，應用廣泛。例如冶煉沸騰鋼，采用錳鐵合金脫氧是很理想的脫氧劑，因錳的脫氧能力較弱，它可以調整鋼的含氧量，而不至于使氧脫去過多而不能沸騰。同時錳的存在還可以使硅和鋁的脫氧能力增強，因為脫氧產物與其它氧化物(如Si02)可以形成低熔點化合物而有利于從鋼液中排除。

(2)金屬錳用作脫硫劑。硫在鋼液中以硫化鐵形式存在，鋼中含硫高容易產生熱脆，降低鋼的壓延加工性能，因此，煉鋼過程必須控制硫的含量。錳與硫的結合力大于鐵與硫的結合力，當加入錳合金之后，鋼水中的硫很易與錳生成熔點高的硫化錳而轉入爐渣中，從而降低了鋼中的硫含量，提高鋼的壓延加工。

(3)金屬錳用作合金元素。錳之所以能成為各種鋼的重要合金元素，是因為它可以強化鐵素體和細化珠光體，提高鋼的強度、淬透性、硬度和耐磨性。例如，在低合金鋼中加入0.8%～1.7%Mn，鋼的強度就能比普通碳鋼提高20%～30%。

2 金屬錳生產工藝介紹

目前，金屬錳的主要生產工藝有電解重熔法和電硅熱法，根據生產廠現(xiàn)有生產裝備條件，利用中頻爐進行熔煉生產，使用電解重熔法生產物電解錳片為主要原材料。生產工藝流程為：

中頻爐熔煉生產工藝的優(yōu)點：(1)效率高。中頻電爐送電即可開始加熱升溫，升溫速度可達30℃/min，以3t中頻爐為例，平均每爐熔煉時間約為45min。(2)成分穩(wěn)定。用中頻爐生產金屬錳，金屬爐料配比確定后，產品成分易于控制，成分穩(wěn)定。

另外，由于中頻爐具有電磁攪拌功能，采用中頻爐生產的金屬錳產品成分均勻。

生產現(xiàn)場使用的金屬錳澆注成型工藝為：在方型鋼結構的內部打結耐火材料的內襯，構成金屬錳成形的鑄型，其內襯開口尺寸為1200mm×1200mm(見圖1)。當中頻爐爐內金屬錳液溫度達到約1500℃時，將金屬錳液從爐內注入鑄型內降溫冷卻，成形后為1200mm×1200mm×140mm的金屬錳錠。為了減少鑄型用量，金屬錳錠溫度在鑄型內降至約1000℃時，將金屬錳錠脫模放在專用料斗內進行冷卻，冷卻至室溫后使用破碎機將金屬錳錠破碎至粒度為10～50mm，破碎過程中產生的粒度小于10mm的回爐重熔。

圖1 金屬錳鋼結構鑄型

3 氮含量超標原因分析

根據煉鋼的技術質量要求，金屬錳化學成分見表1。一家鋼廠使用某廠生產的金屬錳產品后，煉鋼廠冶煉優(yōu)鋼(60Si2Mn、25CrMoA等)時加入金屬錳，在對轉爐鋼包試樣檢驗中發(fā)現(xiàn)氮元素含量超標，見表2。按規(guī)定其轉爐鋼包內鋼水氮元素含量要求小于0.004%，為查找原因對金屬錳產品氮元素含量進行了分析。

表1 金屬錳化學成分

表2 某煉鋼廠轉爐鋼包氣體試樣

通過查閱相關資料得知，Qiu和Guillermet的Mn-N系計算相圖(見圖2)，錳的相變溫度：α-Mn→β-Mn→γ-Mn→δ-Mn→L依次為1000K、1373K、1411K和1519K，可以看出，固相區(qū)域的相變溫度差異較小，最大值為10K；相組成的主要差別是β相中的最大含氮量。此外，Gokcen相圖是隨溫度的降低，ξ/ξ+η相界向富氮區(qū)擴展[2]；因此在800-1300℃范圍內滲氮速度較快，在低于700℃則滲氮的速度變慢[3]。

圖2 Qiu和Guillermet的Mn-N系計算相圖

結合圖2可以看出，在生產金屬錳過程中沒有人為增氮措施，但是，金屬錳在熔煉、澆注、冷卻過程中與空氣接觸，空氣中氮含量達到78%。因此，初步判斷是由于金屬錳錠在降溫過程中會從空氣中吸附氮元素，于是對生產現(xiàn)場的金屬錳錠分別在不同的部位進行取樣(見圖3)，檢測金屬錳錠的氮元素含量。

1#～4#樣品為在金屬錳錠上表面和側面取樣；5#、6#樣品為在金屬錳錠內部取樣；7#～9#樣品為在金屬錳錠底部取樣

金屬錳錠氮元素含量檢測結果見表3、圖4，通過圖3可知，5#和6#樣品取樣位置在金屬錳錠中間，降溫過程中不與空氣接觸，氮元素含量較低，符合使用要求；除5#和6#樣品外，其余樣品取樣位置分別在金屬錳錠上表面、側面和底部，降溫過程中與空氣接觸，氮元素含量較高，從而判定金屬錳錠在降溫過程中會從空氣中吸附氮元素，造成氮元素含量增加。

表3 金屬錳氮含量 %

圖4 金屬錳氮含量分布曲線

通過分析，認為主要原因為：

(1)鑄型內部為耐火材料修筑的內襯，降溫速度非常慢，為了保證生產節(jié)奏，減少鑄型用量，金屬錳錠溫度在鑄型內降至1000℃時，將金屬錳錠脫模放在專用料斗內進行冷卻，造成金屬錳錠在降溫過程中從空氣中吸氮。

(2)金屬錳錠表面積約3.04m2、體積約為0.17m3(solidworks軟件計算)，金屬錳錠表面積較大，造成金屬錳產品整體含氮量偏高。

(3)破碎過程中會產生約10%的金屬錳渣粉，為降低金屬錳生產成本及提高收得率，將部分金屬錳渣粉鋪到金屬錳鑄型底部，利用高溫金屬液沖入熔化，同時也保護鑄型。但是金屬錳渣粉在加入鑄型底部經高溫金屬液沖入后沒有完全熔化并附著在金屬錳錠上，再次破碎后形成二次金屬錳渣粉，經反復加熱循環(huán)吸氮，金屬錳渣粉吸氮量不斷累加，氮含量在0.31%～0.53%，是造成金屬錳錠底部氮元素含量高的原因。也是金屬錳上表面樣品(1#～4#樣品)與底部樣品(7#～9#樣品)氮元素含量偏差較大的原因。

(4)鑄型深度較淺，只有240mm，如中頻爐大流出爐時會發(fā)生高溫液體噴濺，因此只能小流出爐，出爐時間長達40s，金屬錳高溫液體與空氣接觸時間較長。

4 金屬錳控氮工藝設計和優(yōu)化

為了保證產品質量，滿足市場需求，對金屬錳產品氮元素含量偏高的問題，須從生產工藝分析解決。針對發(fā)現(xiàn)的問題點，對金屬錳生產工藝進行了改進和優(yōu)化。

4.1 金屬錳成型金屬型改進

將鋼結構金屬錳鑄型更改為鐵質金屬型，由1200×1200(mm)方形鑄型改為Φ980×900(mm)圓形金屬型(見圖5)，金屬錳錠表面積約2.03m2、體積約為0.22m3(solidworks軟件計算)，增加了體積，金屬錳錠的表面積比原鋼結構金屬錳鑄型的表面積減少了33.2%。

圖5 金屬錳金屬型示意圖

由于圓形金屬型深度比方形鋼結構鑄型深度深，因此在中頻爐出爐時只需在圓形金屬型沖擊區(qū)做相應防護外，即可大流出爐，無需擔心出爐時高溫液體噴濺問題，每爐出爐時間由40s縮短至25s，減少出爐時金屬錳高溫液體與空氣接觸時間，降低了增氮的機率。

4.2 冷卻工藝改進

金屬錳高溫液體倒入金屬型內后，溫度降至1300℃時開始往金屬錳錠表面噴水霧冷卻，一方面可以快速將金屬錳錠表面溫度降至700℃以下，加速整個金屬錳錠的冷卻速度；另一方面水霧還可以起到較好的隔絕空氣的作用，減少金屬錳降溫過程中吸氮增氮的傾向。金屬錳錠噴水霧冷卻至400℃以下脫模。

4.3 金屬錳渣粉回收工藝改進

在金屬型內不再加入金屬錳錠破碎渣粉，金屬錳渣粉全部回爐重熔，或用于生產其它產品時回收利用，避免了金屬錳渣粉反復加熱循環(huán)吸氮的問題。

5 改進取得的效果

金屬錳生產工藝優(yōu)化改進后，在2021年3月生產420t金屬錳，送至煉鋼廠120t轉爐進行試驗，轉爐鋼包內鋼水氮元素含量檢測數(shù)據見表4。

表4 某煉鋼廠轉爐鋼包氣體樣

煉鋼廠從2021年4月1日開始使用本廠生產工藝調整后的金屬錳產品，轉爐鋼包內鋼水氮含量明顯降低，降幅37.04%，氮含量檢測結果都在0.004%以下，達到了煉鋼廠對金屬錳含氮量的技術質量要求。

截止2021年12月，累計生產金屬錳8533t，其含氮量均在0.0035%以內，質量穩(wěn)定，煉鋼生產現(xiàn)場未發(fā)生過質量異議。

6 結束語

金屬錳錠生產廠工藝改進后生產的金屬錳產品，完全滿足煉鋼廠生產的質量要求，目前，已實現(xiàn)金屬錳錠的穩(wěn)定供貨。

金屬錳錠生產廠通過降氮工藝改進的實踐，為企業(yè)開發(fā)生產此類產品，積累了寶貴的經驗。特別是金屬錳鑄型改進、高溫金屬錳液噴水霧冷卻等降氮工藝措施的實施，對今后的新產品開發(fā)具有十分重要的啟發(fā)和指導意義。