使用氮气代替氮化铬合金冶炼P91钢

马忠存 付宪强 谢奎龙 王刘艳

(东北特殊钢集团技术中心北满分中心，黑龙江161041)

北满特钢生产的供某钢管厂的高压锅炉管P91钢，钢中要求氮含量为0.03%～0.07%(质量分数)。在生产初期，用氮化铬合金调整钢中的氮成分。为保证氮成分的稳定合格，在真空前后均需加入氮化铬合金。在真空后加入氮化铬合金容易造成钢液纯净度的降低，并且需要在真空前预留出铬成分的调整空间，增加了冶炼时间。为此，在2009年初尝试使用氮气代替氮化铬合金冶炼P91钢。

1 设备方面的改进

为能够在LF和VD精炼工位都能够使用氮气，需要铺设专门的氮气管道到LF及VD工位，并且增加流量表及压力表。与通氩气时相同，氮气通过钢包底部的透气砖进入钢液。

2 工艺实践

P91钢冶炼工艺为30 t 的EBT+40 t的 LF+VD。主要成分见表1。

2.1 LF精炼

在钢包到达LF工位时即接通氮气，控制氮气流量在150 m3/h左右。由于钢液吸氮为液相传质控制，液相传质系数受氧、硫含量影响较大。随着钢中氧、硫含量的降低，传质系数增大，钢液吸氮的阻力减小，提高了钢液的吸氮速率[1]。

因此在LF精炼初期使用铝进行脱氧及石灰造渣。在LF精炼结束时控制[S]≤0.010%(质量分数)，精炼达到白渣操作，每次取样报出氮含量。LF精炼结束时铬成分调整到内控范围，不需再预留真空后调整铬的空间。

2.2 VD精炼

由于在高真空度时，氩气泡内的氮分压与钢液中高氮含量相平衡的氮分压相差很大，脱氮反应驱动力大，脱氮反应速度快，脱氮量大。使用氮气搅拌，虽然氮的分压也很低，但在脱氮的同时也在不断的向钢液补充氮气。相比之下，使用氮气搅拌的脱氮量要比使用氩气搅拌的小很多，有利于提高VD处理后钢液的氮含量[1]。

表1 P91钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of P91 steel/ (mass fraction，%)

因此钢液在倒渣进入真空位后，将氮气管道接到钢包的透气砖上，将氮气流量控制在(10～15)m3/h。然后进行抽真空操作，要求在67 Pa下保持时间≥10 min。真空后取样分析氮成分，根据报回的氮成分确定继续吹氮气的时间。

后期标准成分中增加了N/Al≥3的要求。为保证N/Al达到标准要求，氮含量控制较高，有些炉号达到了0.07%(质量分数)，而在后部加工工序出现了皮下气泡的缺陷。为此在生产过程中将氮含量往中下限0.03%～0.05%(质量分数)控制。

3 氮气代替氮化铬工艺实践结果

经过近1年的摸索，冶炼P91钢使用氮气代替氮化铬合金工艺已经基本稳定。我们对在炼钢过程中未使用氮化铬合金的40炉P91钢氮含量情况进行统计。LF精炼结束时氮含量N(LF)分布见图1，氮含量平均值为0.038%(质量分数)；VD精炼后氮含量N(VD)分布见图2，氮含量平均值为0.032%(质量分数)；熔炼样氮含量N(熔炼)分布见图3，氮含量平均值为0.0375%(质量分数)。

LF精炼过程氮含量在0.01%～0.064%(质量分数)范围内。通过VD精炼，氮含量集中到0.023%～0.042%(质量分数)。成品的氮含量则更加集中在了0.03%、0.04%和0.05%(质量分数)。

经过VD精炼后P91钢中检测出的氮含量N(VD)与真空前氮含量N(LF)的差值与N(LF)的统计趋势图见图4。经过软吹及浇注过程后P91钢中取样检测出的氮含量N(熔炼)与真空前氮含量N(VD)的差值与N(VD)的统计趋势图见图5。

由图4看出，对于VD过程来说，N(LF)为0.032%(质量分数)时是平衡点。偏离0.032%(质量分数)越多，则真空前后氮含量变化越大。

图1 LF精炼结束时的氮含量分布直方图Figure 1 N content distributed straight square diagram at the time of finishing LF refining

图2 VD精炼后的氮含量分布直方图Figure 2 N content distributed straight square diagram after VD refining

图3 成品样上分析的氮含量分布直方图Figure 3 N content distributed straight square diagram of analyzing finished product sample

图4 VD过程氮含量变化趋势图Figure 4 N content changeable trend diagram during VD

图5 软吹、浇注过程氮含量变化趋势图Figure 5 N content changeable trend diagram during soft blowing and pouring

表3 非金属夹杂物情况对比Table 3 Non-metallic inclusion circumstance contrast

由图5看出，对于软吹及浇注过程来说，N(VD)为0.038%(质量分数)时是平衡点。偏离0.038%(质量分数)越多，则经过软吹及浇注过程后氮含量变化越大。

经检验，使用氮气代替氮化铬合金生产的P91钢低倍质量稳定，能够满足标准的要求。工艺应用前后低倍质量对比情况见表2。同时经检验得出，使用氮气代替氮化铬合金生产的P91钢非金属夹杂物质量稳定，能够满足标准的要求，且与吹氮工艺应用前各系列非金属夹杂物级别持平。工艺应用前后非金属夹杂物对比情况见表3。

使用氮气代替氮化铬合金工艺，还能够降低冶炼成本。

没使用氮气前，冶炼P91钢时，每吨钢使用氮化铬合金6.98 kg。使用氮气后不需加氮化铬合金，考虑微铬合金与氮化铬合金价差(两种合金含铬均为58%)，则每吨钢降低成本75.38元。

2009年使用氮气代替氮化铬合金工艺生产P91钢5 200.138 t，共降低成本39.20万元。

4 结论

(1)使用氮气代替氮化铬合金工艺生产的P91钢，N含量满足标准要求，同时该工艺可以应用到其它的含氮钢种。

(2)应用吹氮工艺前后，低倍与非金属夹杂物质量情况基本持平，都能够满足标准要求。

(3)在使生产更加顺畅及降低工人劳动强度的

同时，每吨钢能够降低冶炼成本75.38元。

[1] 吕学飞，丛花越，张宇，王勇胜，乔兵.45 t LF(VD)精炼钒氮非调质钢的增氮工艺. 特殊钢，2009，30(2)：47.