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转炉冶炼耐磨钢过程氮含量的控制刘忠义

发表时间：2020/5/20 来源：《基层建设》2020年第3期作者：刘忠义

[导读] 摘要：随着钢铁工业的快速发展，对钢材拉拔，高强度，高温塑性的要求越来越高。

        河钢集团邯钢公司河北邯郸 056003
        摘要：随着钢铁工业的快速发展，对钢材拉拔，高强度，高温塑性的要求越来越高。氮作为钢中的一种元素，在大多数情况下以杂质的形式存在，严重影响了钢的高温强度和塑性，降低了钢的拉拔性能。为了保证钢的深拉性，减少老化性，消除屈服点的延伸，使钢表面光滑，屈服度高，必须降低钢中氮含量和钢中氮的危害程度。
        关键词：转炉冶炼；耐磨钢；氮含量控制
        前言
        目前，随着用户对钢材性能要求的不断提高，钢中氮含量的控制越来越受到重视。氮对大多数钢产品的危害主要表现在：导致钢的时效性降低；降低钢的成形性；降低钢的焊接性能；降低钢的高温韧性和塑性；提高钢的冷脆性，应采取措施加强炼钢过程的脱氮和吸氮，并将钢的氮含量控制在较低水平。
        钢中氨含量的控制贯穿于铁水预处理，转炉冶炼，精炼处理和连铸全过程。理论上有铁水预处理，转炉冶炼，RH真空精炼等工艺。脱硝的主要任务应是从脱硝效率和工艺优化两个方面防止或减少转炉冶炼过程和攻丝过程中氮气的增加。
        一、转炉底吹对脱氮的影响
        当冶炼过程中全程吹氮时，钢液氮含量一般在8~10min时达到最低点，随吹氮强度增加，终点氮含量显著升高。全程底吹氮时，底吹N2强度越大，终点[N]的含量也越高。增大吹气强度有利于加强钢液的搅拌，但同时会带来很大的增氮量，为避免增氮过多，底吹强度控制的不宜过大；为了控制较低的钢中氮含量，可以更早将底吹氮切换为氩气，对一些氮含量要求很严的钢种，可以采用采用全程吹氩。
        钢水中氮含量的高低与氮氩切换时间也有很大的关系，氩气切换越早，进人钢水中的氮气就越少，钢水吸氮的几率就越低，终点钢水含氮量也就越低。所以我们可以根据钢种对氮含量要求的不同选择不同的氮氩切换时间，从而在保证钢水质量的同时最大可能的降低成本。另外，由于底吹的大流量搅拌有利于脱氮，即使氮、氩切换时间较晚，仍可通过增大吹氩强度的方法，达到较低的终点氮含量，所以可以根据钢种对氨含量的要求合理的设置底吹氮氬切换的时间和供气流量，达到最好的脱氮效果。
        二、出钢过程对增氮的影响
        转炉出钢过程中，出钢时间、出钢口的形状和脱氧程度等因素对.吸氮量都有着很重要的影响。
        出钢时间是钢水与空气直接接触的时间，这段时间钢水不但发生二次氧化，还会从空气中吸氮，所以出钢时间越长，钢水就越容易吸氮。更严重的是，如果出钢口不圆整，出钢时发生散流，钢水的吸氮量会急剧增加，一般增氮达5~7ppm左右凹，所以要经常维护出钢口，使其保持圆整，避免出钢时大量吸氬；在冶炼低氨钢时，应及时更换出钢
        另外，由于出钢是加人的脱氧剂和合金将钢水中大部分的氧脱去，造成钢水中的碳氧反应停滞，生成的CO气泡瞬间大幅减少，使钢水表面氮的平衡被破坏，造成钢水大量的吸氮。所以，在脱氧操作时应适当控制脱氧剂的加人量，使钢水中保持一定的自由氧含量，从而减，少吸氮。增碳剂、金属锰等含氮量较高的合金也可能会造成钢水增氮，所以在冶炼低氮钢时，要注意合金的氮含量，尽量使用含氮量低的合金。
        三、转炉冶炼过程中其它操作对脱氨的影响
        从冶炼操作情况来看，吹炼过程出现返干的炉次终点氮含量要明显高于未出现返干的炉次，这是由于返干时渣层较薄，造成钢水吸氮加剧。由此可知，适当的增加渣层厚度或增加渣量有利于减少钢水吸氮。
        另外，在吹炼后期向炉内加人矿石或白云石使炉渣发泡，从而减少或避免火点区钢水裸露，能够有效阻止钢水吸氮。此外，采用炉口微正压控制，适当降低后期枪位等措施都可以提高脱氮点吹对钢水氮含量的影响非常大，转炉吹炼结束后，由于温度或成分未命中，，再次下枪吹氧，此时熔池碳含量已很低，CO产生量很小，炉渣乳化现象较弱，渣层很薄，会造成钢水火点区吸氮，使钢水氮含量增加。一般一次点吹可增氮5~10ppm，点吹两次增氮可达20ppm以上网，而且再吹后钢中氮离散度很大，很容易造成钢水氮含量超标。
        四、LF精炼时耐磨钢水氮含量的控制
        转炉吹炼完后，从精炼到连铸都为钢水增氮过程，因此如何防止钢液增氮成为控制钢水氮含量的重要手段。精炼过程中氮主要来源于与钢水接触的大气、加入的合金及熔剂等。
        （一）脱氧对钢液吸氮的影响
        钢液经铝脱氧后，钢液平均溶解氧质量分数控制在小于20x10-6的水平，随着精炼时间延长，钢液吸氮现象越来越严重。在精炼中随着氧、硫含量的降低，由于氧、硫的表面活性作用而阻碍钢液吸氮的作用基本消失，只要钢液裸露就有可能吸氮。将精炼过程分为钢水到LF炉精炼前、精炼渣料加热、合金微调及喂丝后4个时段，分别取氮样，考察每个时段的增氮量，结果见图1。

        图1 LF精炼过程中钢液氮含量变化图
        在LF炉精炼开始阶段，加入的渣料未完全熔化，电弧不能埋于渣中，电弧区钢液极易吸氮，此时钢水增氮量（质量分数）约为12x 10-6。加入的渣料完全熔化后，钢水增氮不明显。在LF炉精炼结束喂Ca-Si包芯线过程中，钙气化所形成的钙气泡将钢液面吹开，裸露的钢液从空气中吸入的氮质量分数：平均约为5.8x10-6。LF炉渣碱度的控制也不容忽视，有研究表明，LF炉渣碱度不宜大于1.9，否则渣的熔点升高，可能会有部分炉渣未完全熔化造成炉渣结构松散而有空隙，使钢液吸氮的可能性增加。若钢中含有容易形成氮化物的元素时，钢中的氮也会随之增加。因此，在LF精炼过程中要避免钢液裸露与大气接触，尽可能防止钢液吸氮。
        （二）供电制度对钢液氮含量的影响
        渣温高低会对钢液吸氮产生一定影响，渣温越高，越有利于钢液吸氮。如LF加热采用大功率供电，短时间内，钢液迅速升温，可减少电弧电离增氮的机会，同时减少了高温渣存在的时间。因此，在LF精炼钢水时，加热采用大功率供电，缩短加热时间，采用大渣量埋弧操作及合理的氩气搅拌制度等措施可减少钢液吸氮量。在LF精炼过程中氮质量分数增加（8~15）x10-6。
        五、结语
        降低炼钢过程中的氮含量应从源头抓起，精选原材料，尽可能控制转炉终点的[N]含量在较低的范围；严格控制钢水从LF（VD）-CCM全过程的吸氮量，减少钢液与大气接触，且严格执行上述分析讨论的各项技术措施。因此，在生产过程中可以对各影响因素进行控制来减少钢水中的氮含量。
        1）顶底复吹转炉中合理切换底吹氮气、氩气时间的工艺可以满足多数钢种对氮含量的要求，同时会降低底吹成本。
        2）LF精炼过程中合理控制精炼时间和供电制度，避免钢液裸露，减少钢液增氮量，在控制好的情况下平均增氮量（质量分数）不超过5x10-6。
        3）从LF精炼结束到连铸中包过程中增氮明显，增加VD工序，可将氮质量分数控制在（30~40）x10-6，但需要合理控制VD精炼时间和造渣量。
        4）钢液从中间包到结晶器二次氧化和吸氮现象也比较明显，在浇注过程中应提高操作水平，改善钢包到中间包的保护浇注方式，采用新型垫圈提高保护浇注的密封性。进一步加大覆盖剂层的厚度，浇注过程中尽量使得钢流平稳来减少钢液吸氮。
        参考文献：
        [1]周贺贺；曹余良；耐磨钢钢水氮含量控制实践[J]；南钢科技与管理；2018年02期