安钢低碳高强钢碳氮控制工艺研究

孙 拓 田云生

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

安钢炉卷生产线生产的Q690及以上级别的低碳高强钢采用的成分设计是低碳加硼。生产时需要控制转炉终点碳、过程增碳及钢中的氮含量，但由于安钢采用宽板坯铸机（1 600～3 250 mm）×150 mm生产，宽厚比较大，碳含量控制不当易产生铸坯裂纹，恶化冲击韧性；同时若钢中氮含量过高，易生成氮化硼，产生铸坯裂纹，降低硼的析出强化作用，甚至失效，因此控制冶炼过程中的增碳及钢中的氮含量是冶炼这类钢种的关键。为提高这类钢种的冶炼命中率，开展了相关工艺研究，以期能为今后的科学生产提供帮助。

1 冶炼工艺路线及主要设备

冶炼工艺路线：铁水预处理→150 t转炉→LF→VD→宽板坯连铸机。

主要冶炼装备：采用150 t复吹转炉，氧枪为五孔拉瓦尔氧枪喷头，配备副枪测温取样系统，冶炼周期35～38 min； 配备150 t LF炉，平均精炼周期为30 min，二次精炼为150 t VD炉，后续使用超宽板坯连铸机，其规格为（1 600～3 250 mm）×150 mm，配备液面自动控制系统以及动态轻压下系统。

2 产生原因及控制工艺分析

2.1 冶炼过程碳的控制

在低碳钢冶炼过程中，影响冶炼过程中碳的控制因素主要有两个，一是转炉冶炼终点的界面控制，主要指转炉冶炼终点碳和温度的控制；二是钢水接触介质的增碳控制，冶炼过程中钢水主要接触钢包、合金、石灰、精炼剂、电极、空气及底吹氩气，石灰、精炼剂等造渣料中的含碳量极低，可忽略。因此，在钢水冶炼过程中，增碳主要来源于钢包、合金及电极。

2.1.1转炉终点的界面控制

转炉终点的界面控制对控制冶炼过程增碳非常重要。转炉终点的界面控制主要指转炉终点碳和终点温度的控制，转炉终点碳一旦控制过高，对后续碳的冶炼控制将会带来较大难度，一般要求转炉出钢碳含量不宜超过0.050%；其次，重要的是转炉终点温度的控制，温度过低，后续LF精炼造渣、升温困难，长时间的送电不仅会造成电极增碳，更会造成送电过程中电极电离空气，从而使钢水大量吸氮，因而一般要求LF精炼开始前钢水的温度不宜低于1 560 ℃，反推得出转炉出钢温度不宜低于1 650 ℃；同时，需要注意钢包的保温效果及钢包内钢水界面的炉渣保温，必要时可加入200～300 kg石灰，以保证合适的渣层厚度。

实践表明：转炉终点碳含量小于0.050%的控制难度不大，命中率可达到100%；精炼LF的到站温度控制受钢包烘烤状态、出钢时间及钢包内钢水界面保温情况等因素影响，存在一定波动。随机抽取50炉低碳钢冶炼的控制记录分析，如图1、2所示。

图1 转炉终点碳含量控制情况

图2 LF精炼到站温度控制情况

从图1可以看出，在冶炼低碳高强钢种时，转炉终点碳基本可稳定在0.030%～0.050%之间，但需要说明的是转炉终点拉碳过低易造成终点钢水氧含量偏高，增加转炉吹损及后续冶炼负担，造成成本增加；从图2可以看出，温度控制明显存在一定波动，其中有6炉低于1 560 ℃，LF精炼到站温度偏低对冶炼过程中的碳氮控制均不利；但终点温度也不宜过高，温度过高会影响转炉炉衬寿命。由此可以得出，在冶炼低碳高强钢种时，转炉终点碳含量控制在0.030%～0.050%，转炉终点温度控制在1 650～1 680 ℃为宜；另外，钢包烘烤效果和钢水界面保温也不可忽视，它们是影响钢包过程温降的主要因素。

2.1.2 钢包影响

由于在采用LF+VD长流程精炼时，热负荷时间较长，对钢包耐材侵蚀相对较重，因此钢包的清洁度、包衬耐材等对钢水增碳影响较大。特别是在VD真空冶炼过程中，镁碳砖中的镁易于挥发，耐材易疏松剥落，钢水增碳明显。生产实践表明，该工艺下下钢包增碳量一般在0.005%～0.010%。

首先，钢包清洁度是引起钢水冶炼过程钢包增碳的主要原因之一，重点是钢包内的残钢、残渣对钢水的污染增碳。因此，在使用前务必将钢包清理干净，避免在生产过程中出现异常增碳现象。

其次，钢包耐材熔损增碳是低碳高强钢冶炼过程中增碳的另一主要原因。钢包耐材增碳主要原因有两点：一是钢包包龄，在钢包使用过程中，随着包龄的增长，钢包内衬受钢水、钢渣的侵蚀程度逐渐增加，特别是钢渣的侵蚀，钢渣能够随着钢包耐材的气孔、缝隙侵入耐材内部，导致钢包耐材主体成分发生变化（特别是钢包的渣线砖），在承受高温、长时间冶炼时，钢包耐材更易于熔损、脱落[1]；二是安钢在冶炼低碳高强钢时需要VD真空脱气工艺，由于钢包处于真空状态时钢包耐材镁碳砖中的镁的挥发性较高，特别是在钢包内衬表面层及熔渣层中，镁碳砖中的镁挥发后，碳失去了骨架支撑，更易于熔于钢水，导致钢水增碳，尤其是钢包渣线部位侵蚀严重。随机抽取10个钢包的使用情况后发现，在冶炼低碳高强钢时，采用的钢包渣线寿命普遍偏低，大部分炉次所使用的钢包渣线的寿命不超过20次，最小值为3次，最大值为34次，平均值13次。因此，在选择钢包时，建议以中前期包为主，最大限度地降低冶炼过程中对钢水的污染。

2.1.3 合金影响

根据工艺要求，冶炼低碳高强钢需要进行合金化的元素主要有Si、Mn、Ti、Nb等，随机抽取10批合金对其碳含量进行检测，10批合金的试样编号为1号～10号，合金中的含碳量见表1。

从表1可以看出，这几种合金相比较，硅锰合金的含碳量最高，平均1.5%，锰系合金中金属锰含碳量最低，平均0.07%，但金属锰的成本较高，综合考虑锰系合金化采用低碳锰铁，同时结合生产实际及物料供应情况，其他合金化过程采用硅铁、30钛铁、铌铁。根据低碳高强钢的成分设计要求及表1中的合金含碳量，可以计算出合金加入量及合金加入后引起钢水碳含量的增加量，具体情况见表2。

从表2可以看出，低碳锰铁的合金加入量最高，增碳量较多；铌铁、钛铁的增碳量较少；在冶炼过程中合金总增碳量约0.006 4%。由此可见，合金增碳量基本是可控的。

2.1.4 电极影响

在LF炉冶炼过程中，除钢包增碳外，电极增碳是LF炉低碳高强钢增碳的主要原因，电极增碳主要有两个来源：（1）电极在送电过程熔损增碳，这一增碳过程是不可避免的。实践表明，一般电极的熔损增碳量约0.005%～0.010%，主要受电极自身质量和LF精炼到站温度的影响；（2）电极断裂、掉头等导致电极头或电极残渣掉入钢水中，导致钢水异常增碳，这种情况一旦发生就意味着钢水中的碳含量将出现不可控的局面。因此，应加强检查，发现有异常的电极，及时更换，从而避免电极断裂掉块、掉头现象的发生。

表1 合金抽检含碳量 %

表2 合金加入量及增碳情况

综上分析，控制好转炉冶炼终点碳和终点温度，尽量抑制钢水接触介质的过程增碳，同时保证钢包烘烤及钢包内钢水界面的保温效果，是保证低碳高强钢冶炼过程中控制碳含量的关键。通过分析发现，钢包增碳0.005%～0.010%，合金增碳约0.006 4%，电极增碳0.005%～0.010%，总增碳量约0.016%～0.026%，转炉出钢碳含量控制在[C]≤0.050%是必需的。

2.2 冶炼过程钢中氮的控制

钢水冶炼过程中造成增氮的主要因素有钢水裸露、电弧电离吸氮、保护浇注等，需要重点控制；同时，需要说明的是钢水冶炼过程中的增氮与LF精炼开始前的初始硫含量及温度也有着密切关系。

2.2.1 钢液裸露增氮

钢水裸露吸氮的主要原因有两点：一是钢液中的[O］、［S］等表面活性元素，随着“造白渣-脱硫”的进行，其浓度不断降低，钢液吸氮速率增加。当炉内气氛中的N2与钢液接触时，在钢液表面发生“吸附-分解”反应，氮原子进入钢液，造成钢液增氮[2]。二是钢液中的［O］通过影响氮在钢液中的传质系数，一方面能够阻止氮从钢液中脱除， 另一方面也能够阻止钢水从大气中吸氮。当钢液中的溶解氧较高时(如转炉条件)，传质系数很小，不利于钢液吸氮；反之，当溶解氧较低时，则有利于吸氮过程的发生。然而，LF过程钢液脱［S］前必须进行充分脱［O］，两者相互耦合，互为消减。因此，调渣过程中渣颜色的变化随着渣的还原从黑色到白色，［O］、［S］逐渐降低，钢液吸氮速率增加，造成钢液增氮。

低碳高强钢在LF炉冶炼过程中，硫含量一般控制在0.005%，钢液进站硫含量一般控制在0.015%～0.030%，随机抽取50组LF进站初始硫含量进行分析，结果如图3所示。因此，LF炉在脱硫过程中，需要增大搅拌强度，保证钢水硫含量进入目标要求。

图3 LF精炼到站初始硫含量统计分析

从图3可以看出，低碳高强钢在进LF炉时钢水中的硫含量相对较高，平均为0.024%，最高接近0.040%。因此，在LF炉脱硫过程中，首先要保证脱硫的热力学条件，再进行必要的搅拌，强化脱硫动力学条件，这样才可以有效实现冶炼过程中的控氮操作。

实践表明，在脱硫过程中，一般需要将LF炉炉渣造成还原性白渣，再通过控制除尘阀门的开口度，保持LF炉内微正压气氛[3]，最后集中搅拌，强化脱硫操作，搅拌时间一般控制在5～6 min，根据搅拌情况，将氩气流量控制在600～850 NL/min为宜，其余氩气流量一般控制在50 NL/min（进站破渣层除外），脱硫后的硫含量一般在0.005%以内。

2.2.2 电弧区增氮

LF精炼送电时，石墨电极的位置处在熔渣层，炉内气氛中的N2在电弧区受电弧作用发生分解反应1/2N2→［N］。当钢液被适当厚度的炉渣覆盖时(化渣期)，氮原子必须通过熔渣层才能进人钢液，氮原子在熔渣层的扩散成为限制性环节，因此吸氮少；当氮原子直接与钢液接触时(脱硫期)，特别在［O］、［S］较低的情况下，也就是随着LF“造白渣-脱硫”的不断进行，钢液吸氮现象开始凸现，造成钢液增氮，因此在钢液加热中要做到埋弧送电。

综合以上两点，LF“造白渣-脱硫”处理过程中电弧区“钢液-大气-熔渣”界面更新频繁，炉气内的N2分压较高(大气中氮分压大体保持在7.8×104 Pa)，钢液裸露现象严重，具备钢液吸氮的所有热力学与动力学条件，是LF冶炼周期波动与钢液控氮的关键环节。同时，根据氮在钢中的溶解反应式符合平方根定律，可知通过降低气相中的氮分压可以使钢液脱[N]、[H]得到净化。

实践表明：LF的到站温度低会使加热时间过长，造成钢水增碳、增氮和冶炼节奏紧张，为减少增氮，到站温度应＞1 550 ℃，且单次送电时间不宜大于10 min。此外，在VD真空条件下，控制极限真空度不大于70 Pa，吹氩搅拌时间≥10 min，VD出站氮含量平均可控制在35×10-6。

2.2.3 加强保护浇注

在连铸浇注过程中保护浇注非常重要，否则易造成钢水与大气接触吸氮[4]。在生产低碳高强钢时，加强保护浇注应做到：长水口安装良好，保证垂直对中；长水口与钢包下水口间采用氩封，保持微正压状态；中包液面采用覆盖剂，保证钢水不裸露；中包包盖孔洞采用石棉毡封闭，降低中包内与外界环境的气体交换速度；浸入式水口与中包上水口之间采用氩封，氩气调整保证微正压状态；结晶器内添加适量的保护渣，保证钢水不与外界接触。.实践表明，保护浇注良好时，钢水增氮量可控制在3×10-6～5×10-6的水平。

3 应用效果

低碳高强钢的成品碳要求[C]：0.05%～0.08%，成品氮要求[N]≤0.006 0%。通过采取上述措施，取得了较好的控制效果，随机抽取50炉低碳高强钢冶炼控制情况，结果见表3。

表3 低碳高强钢的冶炼过程控制及效果

从表3可以看出，成品碳的合格率为98%，氮的合格率为100%，可满足这类钢种冶炼生产的控制要求。通过进一步分析，发现成品碳含量可全部控制在0.05%～0.08%，最大为0.076%；成品氮可基本控制在30×10-6～60×10-6，其中出现1炉控制在63×10-6，主要原因为钢包底吹不畅造成LF造渣时间过长，最好水平可控制在34×10-6。

4 结论

（1）控制转炉冶炼终点碳含量不大于0.050%，LF到站温度不低于1 560 ℃，尽量抑制钢水接触介质的过程增碳，同时采用中前期钢包，保证钢包烘烤及钢水界面的保温效果，是低碳高强钢冶炼过程中控制碳含量的关键；工艺实践表明，一般过程总增碳量可控制在0.026%以内。

（2）分析认为，冶炼过程中的钢水裸露、电弧电离吸氮、保护浇注是钢水增氮的主要因素；通过控制LF冶炼造白渣和脱硫的时机，调整脱硫时的氩气流量（600～850 NL/min），搅拌时间控制在5～6 min，保证VD极限真空度在70 Pa，真空处理时间不低于10 min，同时严格保护浇注，可取得较好的控制效果，成品氮可基本控制在 30×10-6～ 60×10-6。