王建

(攀鋼集團(tuán)江油長(zhǎng)城特殊鋼有限公司,四川江油621701)

摘 要：研究了電爐冶煉過(guò)程氮含量的控制方法，對(duì)比了工藝優(yōu)化前后的氮含量的差異，說(shuō)明了通過(guò)電爐氧化末期加礦，深吹氧降低電爐終點(diǎn)氮含量和減少精煉及澆鑄過(guò)程鋼液裸露在空氣中的機(jī)會(huì)能有效降低鋼中氮含量。

關(guān) 鍵 詞：電爐冶煉；氮含量；去氣；VD處理；保護(hù)澆注

前 言

在低合金鋼中，氮元素大多是以雜質(zhì)元素存在的，氮的危害是使低碳鋼發(fā)生應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，在強(qiáng)度和硬度提高的同時(shí)，鋼的韌性下降，缺口敏感性增加，氮也是導(dǎo)致鋼的脆性主要元素，其危害性遠(yuǎn)大于磷^[1]，因此在冶煉具有高深沖性、高韌性以及對(duì)氮化鈦夾雜有較高要求的鋼種時(shí)，必須降低鋼中的氮含量。電爐冶煉低氮鋼時(shí)，由于鋼液在爐內(nèi)的攪動(dòng)條件遠(yuǎn)不及轉(zhuǎn)爐冶煉，去氮有很大的困難，因此，研究電爐冶煉過(guò)程的脫氮工藝及精煉過(guò)程的氮含量控制顯得非常重要。本文針對(duì)攀長(zhǎng)鋼實(shí)踐中EBT+LF+VD+模鑄工藝氮含量的變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，為進(jìn)一步提高鋼的質(zhì)量提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1   氮含量的控制現(xiàn)狀及影響鋼液吸氮的主要因素

氮?dú)庠跔t氣中的分壓力很高，大氣中氮的分壓力大體保持在7.8×10⁴Pa，因此鋼中的氮主要是鋼水裸露過(guò)程中吸入并溶解的。電爐煉鋼，包括二次精煉的電弧加熱，加速了氣體的解離，故［N］含量偏高，鐵合金、廢鋼鐵和渣料中的氮也會(huì)隨爐料帶入鋼水。要控制好鋼中的氮含量，一方面需要做好電爐氧化期及VD 真空處理時(shí)的去氣工作，另一方面需要防止精煉和澆鑄過(guò)程鋼液裸露吸氮以及使用含氮較高的原輔材料增氮。攀長(zhǎng)鋼在冶煉有低溫沖擊韌性要求的石油用鋼40CrNi2MoA 等鋼種時(shí)對(duì)鋼中氮含量的控制進(jìn)行了研究，根據(jù)常規(guī)工藝氮含量的變化規(guī)律制定了相應(yīng)的優(yōu)化措施，取得了一定的冶金效果。

攀長(zhǎng)鋼的低合金結(jié)構(gòu)鋼大多在兩座30 噸的EBT 電爐冶煉，經(jīng)LF 精煉、VD 真空處理后模鑄成錠。在冶煉高要求的石油用鋼前對(duì)鋼中氮含量的控制現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，在20CrMo、35CrMo 及20SiMn2MoVA 等鋼種共計(jì)10 爐鋼的氮含量冶煉不同階段的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，圖1 為這些鋼平均氮含量的變化的曲線圖。

由圖1可以看出，除VD過(guò)程有一定的去氮效果外，鋼中的氮含量在精煉及澆鑄過(guò)程都是呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，現(xiàn)對(duì)各個(gè)階段氮含量的控制水平分析如下：

（1）電爐冶煉終了的氮含量偏高，樣本氮含量基本都在0.0036%左右，這與目前轉(zhuǎn)爐冶煉終了氮含量一般在0.0019%以下有很大差距，主要原因是轉(zhuǎn)爐的供氧強(qiáng)度遠(yuǎn)大于電爐，且大部分轉(zhuǎn)爐還有底吹氬攪拌的優(yōu)勢(shì)，要降低電爐鋼的氮含量，就需要改善鋼水的攪動(dòng)條件及提高供氧強(qiáng)度；另一方面，電爐終點(diǎn)氮含量與鋼液的脫碳量有很大的關(guān)系，脫碳量越大，鋼中的碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO 氣泡越多，氣泡吸附鋼中氮元素的量越大，文獻(xiàn)^[2]在冶煉GCr15 時(shí)得出終點(diǎn)氮與脫碳量的關(guān)系見(jiàn)圖2，因此，適當(dāng)增加氧化期的脫碳量能降低終點(diǎn)氮含量。

（2）電爐出鋼過(guò)程氮含量增加較多，平均增加了0.0006%，主要原因是在出鋼過(guò)程中，鋼液與空氣大量接觸，導(dǎo)致鋼液大量吸氮，由于鋼液中[O]是表面活性元素^[3]，它能阻止空氣中{N₂}向鋼液中溶解擴(kuò)散，若鋼水中[O]含量過(guò)低，容易造成鋼水增氮，由于脫氧是在出鋼過(guò)程中進(jìn)行的，在鋼液中的氧含量大幅下降的情況下，出鋼過(guò)程的氮含量有較大幅度的上升。

（3）LF 爐冶煉過(guò)程的氮含量也呈上漲趨勢(shì)，主要是在加熱過(guò)程中，如果埋弧不好，電弧的附近的鋼液就會(huì)裸露在空氣中，這部分鋼液面的溫度相對(duì)較高，在高溫下氧、硫?qū)︿撘旱谋砻婊钚宰饔孟?，電弧將氮?dú)怆x解成氮原子，鋼液容易吸氮。有研究表明[4]，鋼液加熱時(shí)間與增氮量的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

（4）LF 結(jié)束到VD 真空處理前的時(shí)間較短，但氮含量也上漲了0.0004%~0.0005%，主要原因一方面是樣本鋼液在入VD 前因渣量較大，進(jìn)行了潷渣操作，潷渣過(guò)程中鋼液與空氣接觸而吸氮，另一方面VD 處理前的喂線過(guò)程吸氮。LF 精煉后，鋼液脫氧良好，在對(duì)鋼液進(jìn)行Ca 處理時(shí)，鈣氣化形成鈣氣泡將鋼液面吹開或吹氬攪拌量大，造成裸露的鋼液從空氣中吸氮，同時(shí)，硅鈣線中也含有一定的氮，有調(diào)查表明^[5]，硅鈣線中有較高含量的氮（0.556%），所以在喂硅鈣線過(guò)程氮含量有一定的增加。

（5）鋼包精煉過(guò)程底吹氬對(duì)鋼液氮含量也有一定的影響，一方面，隨著氬氣泡的上升，鋼中的氮原子在氣泡與鋼液界面聚集，并隨著氣泡的上升排除；另一方面，吹氬時(shí)如果流量控制不當(dāng)容易將渣面吹開造成鋼液裸露在空氣中，導(dǎo)致吸氮。實(shí)際生產(chǎn)中鋼水增氮量隨著吹氬時(shí)間增加呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（6）真空處理過(guò)程的氮含量均有一定幅度的下降，平均下降了0.0016%，這與鋼液進(jìn)入VD 的初始氮含量較高有很大關(guān)系。有研究^[6]表明：鋼液的有效真空時(shí)間、鋼液的Al、Ti 含量以及真空度都與VD真空過(guò)程的脫氮率有很大的關(guān)系。真空度越低，真空室氮的分壓越低，鋼中的氮越易向外擴(kuò)散；有效真空時(shí)間越長(zhǎng)，氮的擴(kuò)散時(shí)間也長(zhǎng)，也利于鋼液去氮；鋁和鈦含量越高，在鋼中形成氮化鈦和氮化鋁的量越多，固氮的量越大，越不利于脫氮。

（7）澆鑄過(guò)程的氮含量上漲較多，平均上漲了0.0015%，說(shuō)明澆鑄過(guò)程鋼液的密封性較差，鋼流細(xì)小，鋼液與空氣接觸面積和接觸時(shí)間較多，因而氧化、吸氮嚴(yán)重，尤其是含Cr、Ti、V 的Al 鎮(zhèn)靜鋼的吸氮嚴(yán)重成品的氮含量基本都在0.006%以上，平均為0.0065%。

2   工藝優(yōu)化措施

針對(duì)鋼中氮含量的控制現(xiàn)狀，在冶煉對(duì)氮含量有較高要求（≤0.005%）的低溫石油機(jī)械用鋼40CrNi2MoA 前進(jìn)行了工藝調(diào)整，主要的調(diào)整內(nèi)容有以下幾點(diǎn):

（1）電爐爐內(nèi)采用埋弧泡沫渣操作，一方面避免電弧將弧光附近空氣中的氮分子離解成氮原子1/2N₂(g)＝N(g)，從而更容易進(jìn)入鋼液；另一方面降低鋼液與空氣直接接觸的機(jī)會(huì)，減少吸氮。

（2）采用氧化末期向鋼中加礦及雙管深吹氧的方式改善電爐爐內(nèi)鋼水的攪動(dòng)條件，由于鐵礦石的主要成分為Fe₃O₄或Fe₂O₃，含有大量的氧，鐵礦石在下沉的過(guò)程中逐步融化，進(jìn)入鋼液后集中釋放大量的氧，這些氧與鋼中的碳發(fā)生的劇烈的碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生大量的CO 氣泡，氣泡在上浮的過(guò)程中吸附氮元素，從而降低鋼中的氮含量。

（3）脫氧劑的加入由以前的出鋼過(guò)程中加調(diào)整為出鋼結(jié)束后加入，避免脫氧鋼液在出鋼過(guò)程中與空氣接觸大量吸氮。

（4）LF 爐處理時(shí)盡量減少處理時(shí)間，同時(shí)控制好氬氣流量，避免鋼液與空氣直接接觸，同時(shí)保證爐渣的發(fā)泡性能，盡量避免電弧與空氣直接接觸。

（5）延長(zhǎng)真空處理時(shí)間，由12min 延長(zhǎng)到15min，并保證極限真空度≤67Pa。

（6）澆鑄過(guò)程采用氬氣保護(hù)澆鑄，并在澆鋼前向中注管內(nèi)吹氬，將中注管及鋼錠模內(nèi)的空氣排出去，降低鋼液在澆鑄過(guò)程中吸氮。

3   工藝優(yōu)化后的冶金效果

工藝優(yōu)化后試制了6 爐40CrNi2MoA，3 爐

35CrMo，冶煉過(guò)程的氮含量控制情況見(jiàn)表1。

（1）試制時(shí)電爐冶煉適當(dāng)加大了配碳量，鋼液的脫碳量在0.60%~0.90%之間，末期通過(guò)加礦及深吹氧使得電爐終點(diǎn)氮含量有了明顯的下降，平均氮含量為0.0029%，較工藝試驗(yàn)前降低了近0.0007% ，由于冶煉的供氧方式是人工吹氧，不能保證供氧強(qiáng)度，終點(diǎn)氮含量與文獻(xiàn)2 的研究還有很大的差異。

（2）出鋼時(shí)，只有3爐鋼脫氧是在出鋼結(jié)束后進(jìn)行的，出鋼過(guò)程鋼液的增氮量變化不大，平均為0.0005%，該增氮量包括出鋼時(shí)向鋼液加入合金Cr鐵和Mn 鐵帶來(lái)的氮含量。

（3）試制鋼液在LF 爐的處理時(shí)間在98 min~150 min 之間，平均為122 min，精煉時(shí)間偏長(zhǎng)，試用了爐渣發(fā)泡劑，但發(fā)泡性能不理想，爐渣發(fā)泡時(shí)間只能持續(xù)3min~5 min，導(dǎo)致了該過(guò)程氮含量增加較多，平均增加了0.0014%。

（4）真空處理過(guò)程的平均脫氮量為0.0012%，脫氮率為25%，該脫氮效果有一定的改善。

（5）澆鑄過(guò)程氮含量平均增加了0.0011%，較試驗(yàn)之前的0.0015%降低了0.0004%，但與文獻(xiàn)^[4]的研究還有很大差距，主要原因是保護(hù)澆鑄效果不理想，氬氣不能完全充滿流鋼系統(tǒng)所致。

4   結(jié)論

（1）采用改善電爐氧化渣的發(fā)泡性能、增加鋼液的脫碳量、在電爐氧化末期加入鐵礦石等措施，能有效降低電爐冶煉終點(diǎn)的氮含量；

（2）控制LF爐的處理時(shí)間、加強(qiáng)埋弧操作、降低精煉及澆鑄過(guò)程中與空氣接觸的機(jī)會(huì)能減少吸氮；

（3）真空處理時(shí)降低真空度及延長(zhǎng)真空保持時(shí)間能提高真空脫氮率；

（4）通過(guò)工藝調(diào)整，基本能生產(chǎn)氮含量≤0.005%的鋼種。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 范鼎東.LF—VD鋼包精煉爐脫氮工藝[J].特殊鋼.2006.6

[2] 陳列等.50 噸電爐冶煉GCr15 氮含量的控制研究[J].特殊鋼2004. 7

[3] 吳偉等.馬鋼CSP 流程對(duì)鋼水氮含量控制的研究[C].十二屆鋼質(zhì)量及非金屬夾雜論文集

[4] 凌天鷹、徐匡迪.澆注過(guò)程鋼液吸氮的研究[J].鋼鐵研究,1989.5

[5] 常金寶等.LF精煉鋼增氮因素分析[J].金屬世界.2008.4

[6] 陳從虎等.X70 管線鋼控氮工藝研究[J].河南冶金.2009.6

[7] 周德光等.鋼中氮的控制及其對(duì)質(zhì)量的影響[J].煉鋼2005.2