鐘曉丹1，2，宋滿堂1，于華財1，王會忠1，鄒宗樹2

( 1． 本溪鋼鐵( 集團) 有限責任公司，遼寧 本溪 117021; 2． 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

摘  要: 為了使非調(diào)質(zhì)曲軸鋼中氮含量達到標準要求，本溪鋼鐵( 集團) 有限責任公司采用“轉(zhuǎn)爐→LF→RH→矩形坯連鑄”工藝，RH 全程用氮氣做提升氣體，同時補加氮化錳合金，滿足鋼中氮含量要求。實踐表明，此工藝可行，w( N) 可穩(wěn)定控制在( 110 ～160) ×10－ 6。另外，中包鋼水中 w( H) 可以有效控制在2． 5 × 10－ 6以下，鋼材各項檢驗結(jié)果可以滿足標準要求。

關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐; 非調(diào)質(zhì)曲軸鋼; 氮合金化; 矩形坯

非調(diào)質(zhì)曲軸鋼的生產(chǎn)一般在鋼中加入一定量的氮來固溶強化，提高鋼的強度和低溫韌性。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)曲軸鋼采用鐵水冶煉，鋼中原始氮含量較低，因此必須在精煉工序進行氮合金化。本溪鋼鐵( 集團) 有限責任公司( 以下簡稱“本鋼”) 煉鋼廠經(jīng)過試驗，采用“轉(zhuǎn)爐→LF→RH→矩形坯連鑄”工藝生產(chǎn)曲軸鋼，通過將 RH 工序的提升氣體改為氮氣，另外適當補充一定量的氮化錳合金來保證鋼中的氮含量。生產(chǎn)實踐表明，此方法可以穩(wěn)定控制鋼中的氮含量。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

曲軸鋼冶煉的限制環(huán)節(jié)主要是氮的合金化，傳統(tǒng)工藝一般是通過向鋼水中加入氮合金或者鋼包吹氮等來增氮［1-2］，但是多是在常壓條件下進行。在 VD 真空條件下，多通過鋼包吹氮來滿足含氮鋼的氮要求［3］。

本鋼從2007 年末采用轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)曲軸鋼。最初生產(chǎn)曲軸鋼時，為了保證鋼中氮含量，不進行 RH 工藝處理，只是在 LF 工序加入含氮合金來增氮，氮的收得率比較穩(wěn)定基本在45 % 左右。此工藝雖然能夠保證鋼中氮的含量，但是由于該鋼種合金加入量大，再加上過程其它因素影響，鋼中氫含量往往偏高，中包鋼水 w( H) 達到( 5 ～7)× 10－ 6，很容易在軋制鋼材后出現(xiàn)白點缺陷。

為了控制鋼中的氫含量，后來把精煉工藝改成 RH + LF，即先通過 RH 循環(huán)來降低鋼中原始氫含量，然后在到 LF 進行氮的合金化。但由于 LF周期長，加入的造渣料及合金也難免帶入鋼中水分，鋼水中氫含量雖比單獨走 LF 路徑的要低，但實際氫質(zhì)量分數(shù)基本上為( 3 ～5) ×10－ 6，仍然不能避免軋材發(fā)生白點缺陷。

到 2009 年，非調(diào)質(zhì)曲軸鋼精煉工藝開始采用LF + RH。通過近一年的研究和實踐，摸索出利用氮氣做 RH 提升氣體并適當補充一定量的氮化錳合金來增氮的方法。

2 曲軸鋼化學(xué)成分及工藝流程

2． 1 化學(xué)成分

本 鋼 生 產(chǎn) 的 曲 軸 鋼 主 要 為 48MnV 和S38MnSiV 兩個牌號，其主要化學(xué)成分見表 1 所示。

2． 2 工藝流程

生產(chǎn)曲軸鋼的基本工藝流程為: 鐵水預(yù)處理→150 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→RH 脫氣→矩形坯連鑄( 350 mm ×470 mm) 。

轉(zhuǎn)爐出鋼時，將 w( Mn) 調(diào)整至 0． 65 % 左右，預(yù)留一部分到 RH 加氮化錳增氮，其他成分調(diào)整至內(nèi)控下限。LF 造白渣，微合金化。LF 后期用硫線調(diào)硫。最后在 RH 工序采用氮氣做提升氣體并且加氮化錳調(diào)整氮含量至目標值。

3 RH 工序氮合金化工藝

3． 1 本鋼 4 號 RH 基本工藝參數(shù)

本鋼 4 號 RH 為西安重型機械研究所設(shè)計制造，2008 年 12 月建成投產(chǎn)，鋼包容量 150 t。4 號RH 部分基本工藝參數(shù)見表 2。

3． 2 氮在鋼水中的行為

氮在鋼水中的溶解過程可通過式 ( 1) 表示［4］

從式( 3) 可以看出，氮在鋼中的溶解度取決于溫度、金屬成分以及與金屬相平衡的氣相中該氣體的分壓; 氮在液態(tài)鋼水中的溶解度隨著溫度的升高而增加。鋼中各元素對氮的溶解度也有影響: Mo、Mn、Cr、V、Ti、Al 等元素能夠增加氮在鋼水中的溶解度; Si、C、S、O 等元素能夠降低氮的溶解度［4］。鋼液中合金元素 j 與氮的活度相互作用系數(shù) ejN見表 3［5］。對于 48MnV 曲軸鋼，計算1 873 K 時，氮氣分壓為 1 個大氣壓、5 000 Pa、100Pa 時，鋼水中氮的理論溶解度分別為 488 × 10－ 6、108 × 10－ 6、16 ×10－ 6。

3． 3 RH 增氮工藝實踐

鋼水進入 RH 工序后，將提升氣體從氬氣切換成氮氣，先采用小泵循環(huán)，RH 真空度達到100 Pa 以下，循環(huán)10 min 左右。此過程主要為了降低鋼水中的氫含量，小泵循環(huán)后，鋼中w( H) 降低至1 ×10－ 6以下; 然后改為大泵循環(huán)。當真空度達到5 000 Pa 左右時，根據(jù)標準對氮含量的要求不同，從高位料倉加入一定量的氮化錳合金( w( C) ≤1．0 %，w( Mn) =73 % ～78 % ，w( N) = 4 % ～ 5 % ) 。加入合金后循環(huán)3 ～5 min 復(fù)壓，喂完鈣線后軟吹 15 min 以上，成分合格后吊至矩形坯鑄機澆鑄。

3． 4 氮在冶煉過程的變化

試驗對生產(chǎn)的 3 爐 48MnV 鋼的過程氮含量進行了分析、標定。

3． 4． 1 轉(zhuǎn)爐至 RH 前鋼水中氮的變化

由于采用轉(zhuǎn)爐冶煉，鋼水中原始的氮含量很低。從轉(zhuǎn)爐到 RH 精煉前，轉(zhuǎn)爐出鋼過程的初始合金化、從空氣中吸氮及 LF 工序電極電離產(chǎn)生的氮是鋼水中增氮的主要來源。過程氮含量的變化趨勢見圖 1。

3． 4． 2 RH 鋼水中氮的變化

RH 處理過程中氮的變化趨勢見圖 2?？梢钥闯?，RH 過程中增氮主要為提升氣體及氮化錳合金兩部分，RH 復(fù)壓后至中包氮含量變化不大。提升氣體能夠使 w( N) 增加( 15 ～ 25) × 10－ 6，在提升氣體為氮氣的情況下，加入 800 kg 左右的氮化錳合金能夠使 w( N) 增加( 30 ～ 40) × 10－ 6左右，氮化錳合金中氮元素的收得率為15 % ～20 % ，比在 LF 加氮化錳合金的收得率低20 % 左右，這主要是由于常壓下氮在鋼中的溶解度比在真空下高得多。

在真空條件下鋼中實際氮含量比利用式( 3)理論計算的溶解度要高，這主要是由于實際鋼水溫度有偏差以及 RH 真空罐的真空度有波動等原因造成的。

4 矩形坯連鑄工藝

矩形坯鑄機從達涅利引進，為 4 機 4 流全弧形，弧形半徑 14 m，斷面尺寸 350 mm × 470 mm。矩形坯連鑄采用全程保護澆鑄，采用結(jié)晶器電磁攪拌及輕壓下工藝，保證了鑄坯低倍質(zhì)量。對非調(diào)質(zhì)曲軸鋼( 包括 48MnV、S38MnSiV) 鑄坯取試片，冷酸侵蝕后做低倍檢驗。共檢驗 18 個試片，其中鑄坯中心疏松級別最大不超過 1． 0 級，鑄坯縮孔缺陷不超過 0． 5 級，可滿足后續(xù)軋制要求。

5 曲軸鋼軋材檢驗結(jié)果

自從采用“轉(zhuǎn)爐→LF→RH→矩形坯連鑄”工藝，并利用氮氣做 RH 提升氣體增氮生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)曲軸鋼以來，不僅氮含量控制穩(wěn)定，而且中包鋼水氫質(zhì)量分數(shù)也有效控制在2． 5 × 10－ 6以下。表 4～ 表 7 為調(diào)整工藝后 2010 年全年曲軸鋼軋材的檢化驗結(jié)果，可以看出，鋼材的各項檢驗結(jié)果均符合標準要求，鋼材逐支探傷，符合國標探傷 A 級標準。雖然該工藝可以保證曲軸鋼的成分及性能要求，但是在生產(chǎn)中仍需補充一定量的含氮合金。如何調(diào)整合適的工藝減少含氮合金的加入，甚至完全用氣體增氮取代含氮合金以降低成本，是今后生產(chǎn)試驗中需要研究的方向。

6 結(jié) 論

1) 采用“復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐→RH→矩形坯連鑄”工藝生產(chǎn)曲軸鋼，通過用氮氣做 RH 提升氣體配合加氮化錳合金化來滿足鋼中氮含量要求，工藝可行，鋼材的化學(xué)成分均達到了標準控制范圍，w( N) 可穩(wěn)定控制在( 110 ～160) ×10－ 6。

2) 在 RH 真空狀態(tài)下，提升氣體為氮氣的情況下，加入氮化錳合金后氮的收得率為15 % ～20 % 。

3) 在試驗鋼材的物理檢驗評級中，低倍組織缺陷等級低、非金屬夾雜物等級低、力學(xué)性能滿足標準要求，各項評級等級完全滿足技術(shù)條件要求。

參 考 文 獻

［1］  劉守平，孫善長． 含氮鋼吹氮合金化［J］． 重慶大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ，2002( 5) : 83-85．

［2］  戴觀文，梁玫，武云峰，等． 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)熱鍛非調(diào)質(zhì)鋼 F40MnV的工藝實踐［J］． 特殊鋼，2005( 3) : 57-58．

［3］  高金濤，李士琦，關(guān)勇，等． BOF-LF-VD 冶煉非調(diào)質(zhì) N80 鋼工藝［J］． 北京科技大學(xué)學(xué)報，2011( 增刊 1) : 57-62．

［4］  王雅貞，李承祚． 轉(zhuǎn)爐煉鋼問答［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2003．

［5］  陳家祥． 煉鋼常用圖標數(shù)據(jù)手冊［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2010．