优钢中氮含量异常增高的初步探讨

贾文军　陆晓雷（凌源钢铁股份有限公司特钢厂，辽宁凌源　122504）



优钢中氮含量异常增高的初步探讨

贾文军陆晓雷
（凌源钢铁股份有限公司特钢厂，辽宁凌源122504）

【摘 要】除耐热及不锈钢外，在绝大多数钢中，氮被视为一种有害元素。虽然钢中残留氮很少，但对钢的力学性能却有显著的影响。一般情况下氮的危害主要表现在：FeN的析出导致钢的时效性和蓝脆，降低钢的韧性和塑性；与钢中钛、铝等元素形成带棱角而性脆的夹杂物，不利于钢的冷热变形加工；当钢中残留氮较高，会导致钢宏观组织疏松甚至形成气泡；钢中氮还会降低钢的焊接性能、电导率、导磁率等［1］；钢中氮含量偏高也会使铸坯开裂。文章介绍了凌钢特钢厂生产的优特钢氮含量异常增高的问题，通过现场跟踪实测及理论研究进行了系统的原因分析，为降低优钢中氮含量的工艺措施提出优化探讨。

【关键词】转炉冶炼氮增氮量工艺措施

凌钢采用气体分析仪在轧材所取试样分析的氮含量结果中20Cr、20CrMnTiH等钢种成品材中数值均偏高，波动在80-158ppm之间，这将不利于凌钢优特钢产品的开发生产。因此必须分工序逐个分析研究氮含量增高的原因，并初步摸索可行的措施降低钢中氮含量。

1　吸氮的条件

从热力学计算看，空气中氮的分压高及钢液中氮的溶解度高决定了钢水有很好的吸氮条件。从动力学条件看，炉渣的性质与钢液反应界面是吸氮的限制环节，而钢中氧、硫含量会影响氮的传质系数，钢中氧、硫含量越高，氮的传质系数越低［2］。

2　各工序增氮的原因分析

为详细分析优特钢增氮原因，近期特钢厂与产品研发室在45、40Cr、80钢分别对各工序点取试样分析，统计结果如下（单位ppm）：转炉终点分别波动在15-21，17-18，16-21；平均值分别为：17.8，17.3，19.4。LF炉进站分别波动在44-67，59-63，31-41；平均值分别为：58.9，61.6，35.1。 LF炉出站分别波动在58-95，60-65，32-43；平均值分别为：71.4，62.3，35.6。 连铸分别波动在72-110，86-98，43-61；平均值分别为：91.2，92.3，50.0。

2.1转炉冶炼过程氮含量变化影响

2.1.1转炉脱氮与脱碳的关系

转炉冶炼过程钢液脱氮主要是依靠C-O反应生产生成CO气泡，氮通过CO气泡携带出钢液。顶底复吹转炉冶炼过程脱碳的三个不同阶段对应不同的脱氮速度。

吹炼前期由于熔池中硅锰先氧化，C-O反应较弱，熔池搅拌力较小，脱氮速度很小。吹炼中期随着C-O增强直至达到峰值，熔池产生大量的CO气泡将钢液中的氮脱除，钢中氮含量降至较低值。吹炼末期随C-O反应强度降低，生成的CO量少，此时外部空气压力大于生成的CO压力，在氧枪火点区易造成增氮，但吹炼末期渣中氧化铁含量的增加炉渣起泡空气不会被大量吸入。因此转炉正常的吹炼过程钢中不会造成大量增氮。

2.1.2转炉底吹对转炉终点氮含量的影响

根据文献经验，底吹N2强度控制在0.030Nm3/（min·t）以下时，钢中氮含量完全可以保持在纯氧顶吹钢含氮量的水平，但当供氮强度大于0.030Nm3/（min·t）时，钢中含氮量将明显增加［2］。特钢厂120吨转炉目前底吹供氮强度约为0.028 Nm3/（min·t），因此不会造成钢中氮含量异常升高。

2.1.3出钢口对钢中氮含量的影响

转炉出钢时，出钢口的寿命及形状对吸氮量有重要影响。出钢口使用初期，由于出钢时间较长，钢水与大气接触比表面积较大，易造成吸氮；使用后期，由于出钢过程钢液散流，也易造成吸氮量增加，以上两种情况增氮量一般为5-7ppm，所以要加强出钢口后期的维护。

2.1.4转炉出钢过程对氮含量的影响

（1）增碳剂对钢液中氮含量的影响。目前特钢厂所使用的增碳剂有两种：电化焦（煅后石油焦增碳剂）及低氮低硫增碳剂，含氮量分别约为3000ppm、300ppm。统计结果中45、40Cr与80钢进站N含量较转炉终点分别升高41.1ppm、44.3ppm、15.7ppm。因45、40Cr钢使用电化焦，而80钢使用低氮增碳剂，虽不是全部由增碳剂影响，但足以说明电化焦增氮较低氮增碳剂严重。

（2）出钢脱氧对钢液氮含量的影响。根据文献研究，出钢后钢中铝含量对出钢过程钢液增氮量有较大影响，随钢液中的铝含量增加，增氮量有增大趋势。这是由于钢液中氮达饱和之前，铝能促进钢液吸氮，同时铝脱氧钢液中的溶解氧快速降低，也为吸氮创造了良好的条件［2］。统计结果中所列45、40Cr和轧材试样分析结果超标的20Cr（ALs：50-120PPm）、20CrMnTiH（ALs：200-300PPm）等优钢均为铝脱氧，且钢中铝含量不同，20CrMnTiH由于钢中Als较45、40Cr、20Cr钢高，因此出钢过程增氮量较高。而80钢为硅脱氧，钢中Als可以忽略不计，因此其出钢过程增氮量也较低。

（3）钢包对出钢氮含量的影响。转炉出钢前钢包内充满大量空气，出钢前期极易造成增氮。

2.2LF精炼对氮含量的影响

2.2.1LF精炼前期造渣对氮含量的影响

在LF炉精炼前期加入大量渣料，由于加入的渣料没有化开形成较大的间隙，形成钢液吸氮的通道，化渣过程氩气量较大，致使脱氧良好的钢液不断与空气接触，加快了吸氮的速度。

2.2.2电弧电离对钢液增氮的影响

在电极加热时，电弧作用到钢液上时，这部分钢液比其它部位的钢液温度高，超过2300℃。而当钢液温度超过2130℃时，发生如下反应：N2=2N（g） （1）

N（g）＋Q=［N］ （2）

在渣钢界面存在大量被电离的［N］，随着氧、硫在钢中的浓度急剧下降，吸氮趋势加强。被电离的［N］在裸露区域被钢液吸入，钢液中氮含量增加。

2.2.3喂钙线对钢液增氮的影响

精炼结束后，进行Ca处理过程中，会造成一定的增氮量，主要是由于Ca气化形成Ca气泡将钢液面吹开，造成裸露的钢液从空气中吸氮而产生的。如果渣层较厚钙线穿过渣层进人钢液反应而不把钢液面吹开，就有可能避免裸露钢液吸氮。

2.3连铸浇注对氮含量的影响

特钢厂连铸机钢包到中间包之间的钢水保护采用大包长水口加氩气密封和中间包加覆盖剂保护钢液。由于钢包下水口和长水口之间钢水的快速流动，使得期间产生负压，在它们的接缝处钢水容易吸气。钢水在中间包内液面面积很大，如果与空气接触会产生大量的吸氮。中间包到结晶器采用浸入式水口加连铸保护渣对钢液进行保护浇注，浸入式水口与中间罐上水口的接缝处容易吸氮，保护渣加入的不规范也会造成吸氮。Thomas J等人研究表明，钢液由钢包至中间包过程，无保护浇注时，钢液增氮17ppm；长水口保护浇注，钢液增氮14ppm；长水口加氩气保护浇注，钢液增氮3ppm，而无氩封且中间包钢液不良好被渣覆盖，增氮更为严重，为28ppm。所以保护浇注系统的完善程度决定了该阶段的保护工作是连铸防止增氮的主要任务。

2.4真空脱氮

通过VD、VOD、RH等真空脱气精炼手段，可以去除一定的氮含量，一般脱氮率约25%。

3　各工序防止增氮的改进措施

除采取真空脱气外，特钢厂各工序控制氮含量采取如下措施。

（1）控制转炉底吹供氮强度不大于0.030Nm3/（min·t）。（2）生产低氮钢时选在出钢口寿命中期时生产，并选用低氮增碳剂进行增碳。生产高铝钢种，出钢前1分钟应将钢包底吹氩气开通排除空气；出钢时可采取先加小部分铝铁、再加合金、最后加铝锭的方式；也可以采用出钢不加或少加含铝材料、出完钢后喂入铝线脱氧的方式，减少增氮量。（3）优化转炉顶渣改质，提高进精炼时的顶渣熔化效果；造好泡沫渣；及时调整除尘阀，保证炉内微正压，减少电弧区钢液的增氮。（4）生产优钢时保证有足够的LF炉渣量，优化喂线速度来改善喂线效果，避免剧烈喷溅，降低钢液吸氮量。（5）控制合适的长水口氩封吹氩量，保证稳流器内钢水不大翻但要看见蠕动而不裸露。钢包和中间包覆盖剂良好覆盖钢液面；中间罐盖周围涂上耐火泥；开浇前中间包通氩气；较高的钢包自开率；采取先上钢包保护套管再开浇；勤加、少加、均匀加入保护渣；采用内装水口；改进密封形式和优化操作来保证浸入式水口和中间罐下水口的密封效果等措施，降低连铸系统增氮。

4　取得效果

除未采用真空脱气外，通过分钢种采取以上其中的多项措施，近期对轧材20Cr、45、40Cr、20CrMnTiH等含铝钢种近150炉轧材取样分析结果汇总，20Cr、45、40Cr氮含量分析结果在67-98ppm之间，20CrMnTiH氮含量分析结果在78-120ppm之间，基本满足目前凌钢用户的使用需要。

5　结语

本文通过对各工序增氮影响因素分析，对降低各工序过程增氮提出了相应的改进措施，经过生产实践表明，钢中氮含量比优化前降低13-38ppm，可有效降低各工序的增氮量，为生产对钢中氮含量有要求的钢种提供了参考。

参考文献：

［1］谯明亮.转炉冶炼过程钢液中氮含量变化研究与分析［J］.江苏冶金，2008，36（3）:11-12.

［2］李晶.LF炉精炼技术.冶金工业出版社，2012（9）.

作者简介：贾文军（1974.5-），男，汉，辽宁凌源人，本科，凌源钢铁股份有限公司优特钢事业部特钢厂高级工程师，研究方向：转炉、LF炉、脱硫工艺及新品种钢开发的技术和管理。