低碳含硼鋼控氮實踐

吳優  叢培起  魏元  王漸靈

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司）

摘  要：闡述了氮元素在低碳含硼鋼中的危害，結合低碳含硼鋼SPHCB生產工藝，分析了鋼中氮的來源及SPHCB鋼增氮原因。文章認為，在生產SPHCB鋼時，LF爐加熱電弧區電離增氮，精煉鋼液與空氣接觸增氮，鋼包澆注吸氣，中間包保護澆注不良是控氮的關鍵環節。通過采取相應的措施，SPHCB鋼中氮質量分數均值達到0.0037%，氮成分合格率達99.64%，鋼坯及鋼卷質量明顯提升，控氮措施取得實效。

關鍵詞：含硼鋼，冶煉，控氮

Nitrogen Control Practice of Low Carbon Boron Steel

Wu You，Cong Peiqi，Wei Yuan

(Ansteel Group Chaoyang Iron & Steel Co. Ltd.)

Abstract The hazards of nitrogen in low carbon boron steel are described. Combined with the production process of SPHCB, the sources of nitrogen in steel and the reasons for increasing nitrogen in SPHCB steel are analyzed. It is believed that in the production of SPHCB steel, the key links of nitrogen control are ionization and nitrogen increase in the heating arc zone of LF furnace, nitrogen increase in the contact between refining liquid steel and air, gas absorption in ladle pouring and poor protection pouring in tundish. By taking appropriate measures, the average nitrogen content in SPHCB steel reaches 0.0037%, and the qualified rate of nitrogen composition reaches 99.64%. The quality of billet and coil is obviously improved, and the nitrogen control measures have achieved actual results.

Key words boron steel smelt nitrogen control

1 前言

隨著科學技術的不斷發展，工業用鋼需求呈現出高品質化的特點，使得鋼材質量管控向潔凈化和超潔凈化方向轉變。通常鋼中雜質元素是指O、S、P、H、N等非金屬元素及有色金屬（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn等），N在一般鋼中屬于有害元素。氮可降低鋼的韌性、焊接性能、熱應力區韌性，使鋼材脆性增加，還可導致連鑄坯開裂[1]。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司煉鋼廠在生產低碳含硼鋼SPHCB時，連鑄板坯偶發角部裂紋導致熱軋板卷質量降級。對此問題與技術中心進行了合作研究，找出了生產SPHCB時鋼中硼相析出規律，由于硼元素化學性質活潑，與鋼中的氮結合生成BN在晶界偏聚，BN的析出降低了晶界結合能，導致含硼鋼在連鑄過程中產生角部裂紋。為控制BN的不良影響，按照煉鋼生產含硼鋼的工序環節剖析了鋼中增氮的因素，采取了一系列控氮措施，將低碳含硼鋼中氮的質量分數嚴格控制在0.0045%以下，較好地解決了SPHCB板坯角部裂紋及相應熱軋板卷質量降低問題。

2 SPHCB鋼生產工藝及氮的來源

2.1低碳含硼鋼生產工藝

朝陽鋼鐵煉鋼-軋鋼的主要設備包括：單噴顆粒鎂鐵水脫硫站2座，120t頂底復吹轉爐2座，120tLF精煉爐2座，ASP1700連鑄機2臺，一條1700熱軋生產線。低碳含硼鋼SPHCB鋼材的生產工藝路線：鐵水脫硫—轉爐冶煉－LF爐精煉—連鑄—軋制—冷卻卷取。

低碳含硼鋼SPHCB鋼的化學成分見表1。

表1 SPHCB鋼化學成分

2.2低碳含硼鋼中氮的來源

鋼水中含氮量的主要影響因素是氮的溶解度和鋼水吸氮動力學條件[2]。氮溶解在鐵中，服從平方根定律，即一定溫度下正比于氣相中氮分壓的平方根。氮氣在純鐵液中的溶解反應為：

1/2N2(g)=[N] (1)

計算式（1）的反應平衡常數KN為：

KN=α[N] /p1/2N2 =fNW[N]/ p1/2N2,即W[N]= KN/fN×p1/2N2

進一步計算得：

lgW[N]=1/2lgPN2+lgKN-lg fN （2）

式（2）中，W[N]為鋼水中氮的質量分數；PN2為[N]在體系中的平衡分壓；fN為鋼液中[N]的活度系數；lgKN =-188.1/T-1.246。即

lgW[N]=1/2lgPN2-188.1/T-1.246-lg fN （3）

由式（3）可見，氮在鋼水中的溶解度隨環境中氮分壓和鋼水溫度的增加而增大。經熱力學計算[3]，1600℃（ 1873K）時，氮在鐵液中的溶解度可達0.044%。結合表1的SPHCB鋼化學成分，用下列公式[4]計算氮的溶解度。

W[N]=0.044-0.01W[C]-0.0025W[Mn]-0.003W[Si]-0.0043W[P] -0.001W[S]+0.0069W[Cr]+0.013W[V]-0.001W[Ni]-0.01W[Al] +0.1W[Ti]+0.0015W[Mo]+0.0102W[Nb]-0.0004W[Cu]

計算結果表明，SPHCB鋼中氮的溶解度可達426.78×10-6。該數據比低碳含硼鋼氮質量分數管控標準（≤0.0045%）高出一個數量級。說明在煉鋼生產中，鋼液中氮遠未達到平衡，只要存在溶解氮的條件，鋼中必然增氮。

從生產低碳含硼鋼工藝過程分析，可能造成鋼水氮含量變化的因素有：氧氣純度、廢鋼、鐵水、造渣輔料、終點補吹、底吹氣氮氬切換、出鋼口規則程度、脫氧合金化、全程鋼包吹氬、LF爐精煉吹氬、精煉埋弧加熱、精煉造渣脫硫、精煉喂線鈣處理、連鑄鋼包到中包的保護澆注等工藝環節。對現場生產低碳含硼鋼主要工序點氮含量進行統計，結果見表2。

表2 SPHCB鋼各工序氮含量

由表2可以看出，在熔煉SPHCB鋼過程中鋼水平均增氮情況，轉爐出鋼至進入LF爐，鋼水增氮2ppm；鋼水經LF處理增氮10ppm；連鑄澆注過程增氮11ppm。低碳含硼鋼生產過程合計增氮量達23ppm，個別爐次（中包）鋼中氮含量達到70ppm,超標嚴重。相比較而言，連鑄和LF精煉工序鋼水增氮量較大，下面重點圍繞SPHCB鋼在LF精煉和連鑄澆注過程中的增氮因素進行分析，采取措施加以防控。

3 SPHCB鋼精煉過程控氮措施

SPHCB鋼在LF爐精煉的主要過程包括：白渣精煉（脫氧、脫硫）、微調鋼水成分(控氮、加鈦)、喂線鈣處理、吹氬去夾雜、精準控溫。該過程中的增氮因素有：LF爐給電加熱電弧區電離增氮、鋼液與空氣接觸增氮，對應的控氮措施如下。

3.1 控制LF爐給電加熱電弧區電離增氮采取的措施

在LF爐給電加熱時，爐內氣氛中的N2受到電弧作用發生電解反應：1／2N2=[N]，氮原子經過熔渣層進人鋼液[5]。另外電極加熱時，電弧區溫度可達6000℃，鋼液在電弧作用下，溫度會超過2300℃。由式（2）可知，當氮分壓一定時，鋼液中氮的溶解度與氮溶解反應常數及活度系數有關，當溫度升高時，反應常數值增大，鋼液中氮的溶解度隨之增加。防止該過程鋼液增氮的措施有：（1）提高鋼水溫度，減少LF爐給電加熱時間，要求SPHCB鋼轉爐出鋼后鋼水溫度提高20℃，按照LF爐提溫效率3～5℃/min計算，可減少加熱時間4～6分鐘。根據現場測定：每給電加熱10℃，鋼水增氮3ppm計算，相應減少增氮6ppm左右；（2）冶煉SPHCB鋼時，必須回收連鑄注余渣，利于快速成渣埋弧加熱，減少因渣層薄、化渣加熱導致的增氮。與不回收注余渣比較，加熱時間縮短約3分鐘，影響增氮約3ppm；（3）嚴格控制進LF爐鋼水硫含量[S]≤0.040%，減少LF爐精煉環節因創造“高溫、高堿度、低氧化性”脫硫條件而造成的增氮。當鋼水[S]＞0.040%時，LF精煉處理鋼中硫的效率約為40ppm/min，鋼水[S]每增加0.010%，處理周期延長2～3分鐘，增氮量約1～3ppm。

3.2 控制LF爐鋼水與空氣接觸增氮采取的措施

氧是表面活性元素，會吸附在鋼液表面，阻礙鋼液吸氮和脫氮界面反應的進行。SPHCB鋼在精煉期鋼液脫氧充分，氧活度低，動力學條件良好，吸氮傾向非常明顯，只要脫氧鋼液與大氣接觸就會吸氮。 所以，在精煉期的全過程都要嚴控鋼液面裸露增氮。避免鋼水與空氣接觸的措施有：（1）LF爐爐蓋升降到位扣嚴，精煉過程處于微正壓氣氛，減少吸氣；（2）控制精煉底吹氬氣量，鋼水罐進入待機位人工開氬氣破殼，破殼后即切換為設定流量35Nm3/h的氬氣吹氬攪拌，防止鋼水液面裸露；（3）精煉后期喂線鈣處理時控制好喂線速度，工藝設定值為4m/s,避免因喂線機故障或線絲質量導致喂線卡阻攪動鋼液面，使鋼水接觸空氣。有文獻[6]研究表明：鋼水喂絲裸露增氮量可達6～9ppm；（4）靜吹氬去夾雜時控制好氬氣流量，防止鋼水因氬氣量過大造成表面渣層破裂吸氣增氮。

4 SPHCB鋼連鑄過程控氮措施

低碳含硼鋼SPHCB在連鑄工序的主要工藝過程包括：鋼包澆注、中包澆注、結晶器澆鋼、凝固切割、鑄坯評價下送。連鑄過程應采取的控氮措施主要是保護澆注，避免鋼水接觸空氣而增氮。

4.1 控制鋼包澆注吸氣采取的措施

連鑄轉臺澆鋼時，鋼水經鋼包水口、中間包長水口進入中間罐，因鋼液的高速流動使得鋼包下水口與中間包長水口結合部位產生負壓，鋼水容易在此位置吸氣，出現二次氧化和增氮。對應的控制措施是除在鋼包下水口與中間包長水口之間吹氬外，優化調整了鋼包下水口與中間包長水口結構尺寸，并墊加纖維質密封碗，使二者嚙合緊密，防止空氣通過此空隙進入鋼液。采用吹氬密封的目的是使該處產生微正壓阻隔空氣。操作的關鍵是吹氬量的控制，吹氬量過小不能形成有效的微正壓氣幕，吹氬量過大時氬氣會隨著鋼流進入中間包，攪動長水口周圍鋼液面而引發吸氣。通過現場的不斷摸索，目前在生產SPHCB鋼時設定的長水口吹氬量標準為3～5Nm3/h。

4.2 控制連鑄中間包吸氣采取的措施

為了防止澆鑄過程中中間包鋼水接觸空氣出現二次氧化和增氮，首先要確保鋼包自開，避免燒氧操作；二是規范使用中間包覆蓋劑，消耗量按0.5～0.7kg/t控制，開澆和注中的添加使用必須合規，防止中間包鋼液面裸露，該環節是防控中間包鋼液增氮的關鍵。現場實測鋼水自中包開澆到正常澆注不同時段的鋼中氮含量（見表3），數據表明：中間包保護澆注不良，鋼液氮含量會波動3～17ppm；三是做好中間包本體密封，包括中間包包蓋與中間包上沿之間、中間包包蓋與中間包溢流槽之間、中間包包蓋工藝開孔的相對封閉，以控制中間包內部的空氣流動，起到減少鋼液與空氣接觸的作用。

表3 澆注不同時段鋼水氮含量

5低碳含硼鋼控氮效果

通過分析低碳含硼鋼SPHCB在冶煉生產過程中的增氮原因，找到了關鍵的控氮環節，采取了必要的應對措施。鑄坯質量跟蹤和生產數據的統計結果（見圖1）顯示，SPHCB鋼的成品熔煉成分（中包樣）氮的質量分數均值為0.0037%，比之前（見表2）降低了0.0008%，氮成分合格率達99.64%。氮質量分數≤0.0045%的過程控制指數Cpk達到1.24。取樣酸煮后檢驗結果表明SPHCB鋼坯角部裂紋缺陷明顯改善。熱軋板卷綜合合格率達99.93%，目前該品種的月市場訂貨量同比增加了140%。綜上，在SPHCB鋼冶煉過程中采取的控氮措施取得了實效。

6 結論

（1）在SPHCB鋼冶煉生產中，鋼液中氮遠未達到平衡，只要存在溶解氮的條件，鋼中必然增氮。

（2）分析認為，低碳含硼鋼生產過程中LF爐給電加熱電弧區電離增氮，鋼液與空氣接觸增氮，鋼包澆注吸氣，中間包保護澆注不良是控氮的關鍵環節。

（3）通過提高轉爐出鋼溫度、回收注余渣、控制精煉鋼水硫含量、防止精煉鋼水裸露、連鑄保護澆注等措施，SPHCB鋼的成品熔煉成分（中包樣）氮的質量分數均值達到0.0037%，氮質量分數≤0.0045%的過程控制指數Cpk=1.24，控氮措施取得實效。

參考文獻

[1] 周德光、羅伯鋼等.鋼中氮的控制及其對質量的影響[J]．煉鋼，2005，2l(1).

[2] 劉國慶、沈岸明.x80管線鋼生產過程氮的控制實踐[J]. 2015年煉鋼品種、質量提升研討會論文集，406～412.

[3] 黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].冶金工業出版社，2004年1月第9次印刷，116.

[4] 彭其春、李源源等.SPHC鋼過程氮含量變化以及吸氮機理分析[J]. 武漢科技大學學報(自然科學版)，2006年4月，29（2）.

[5] 王偉、仇圣桃等.GCrl5軸承鋼LF控氮工藝分析[J].鑄造，2014年6月，617～619.