王建

(攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司,四川江油621701)

摘 要：研究了電爐冶煉過程氮含量的控制方法，對比了工藝優化前后的氮含量的差異，說明了通過電爐氧化末期加礦，深吹氧降低電爐終點氮含量和減少精煉及澆鑄過程鋼液裸露在空氣中的機會能有效降低鋼中氮含量。

關 鍵 詞：電爐冶煉；氮含量；去氣；VD處理；保護澆注

前 言

在低合金鋼中，氮元素大多是以雜質元素存在的，氮的危害是使低碳鋼發生應變時效現象，在強度和硬度提高的同時，鋼的韌性下降，缺口敏感性增加，氮也是導致鋼的脆性主要元素，其危害性遠大于磷^[1]，因此在冶煉具有高深沖性、高韌性以及對氮化鈦夾雜有較高要求的鋼種時，必須降低鋼中的氮含量。電爐冶煉低氮鋼時，由于鋼液在爐內的攪動條件遠不及轉爐冶煉，去氮有很大的困難，因此，研究電爐冶煉過程的脫氮工藝及精煉過程的氮含量控制顯得非常重要。本文針對攀長鋼實踐中EBT+LF+VD+模鑄工藝氮含量的變化規律，提出了相應的工藝優化措施，為進一步提高鋼的質量提供一定的技術依據。

1   氮含量的控制現狀及影響鋼液吸氮的主要因素

氮氣在爐氣中的分壓力很高，大氣中氮的分壓力大體保持在7.8×10⁴Pa，因此鋼中的氮主要是鋼水裸露過程中吸入并溶解的。電爐煉鋼，包括二次精煉的電弧加熱，加速了氣體的解離，故［N］含量偏高，鐵合金、廢鋼鐵和渣料中的氮也會隨爐料帶入鋼水。要控制好鋼中的氮含量，一方面需要做好電爐氧化期及VD 真空處理時的去氣工作，另一方面需要防止精煉和澆鑄過程鋼液裸露吸氮以及使用含氮較高的原輔材料增氮。攀長鋼在冶煉有低溫沖擊韌性要求的石油用鋼40CrNi2MoA 等鋼種時對鋼中氮含量的控制進行了研究，根據常規工藝氮含量的變化規律制定了相應的優化措施，取得了一定的冶金效果。

攀長鋼的低合金結構鋼大多在兩座30 噸的EBT 電爐冶煉，經LF 精煉、VD 真空處理后模鑄成錠。在冶煉高要求的石油用鋼前對鋼中氮含量的控制現狀進行了調研，在20CrMo、35CrMo 及20SiMn2MoVA 等鋼種共計10 爐鋼的氮含量冶煉不同階段的變化規律進行了統計，圖1 為這些鋼平均氮含量的變化的曲線圖。

由圖1可以看出，除VD過程有一定的去氮效果外，鋼中的氮含量在精煉及澆鑄過程都是呈現上漲趨勢，現對各個階段氮含量的控制水平分析如下：

（1）電爐冶煉終了的氮含量偏高，樣本氮含量基本都在0.0036%左右，這與目前轉爐冶煉終了氮含量一般在0.0019%以下有很大差距，主要原因是轉爐的供氧強度遠大于電爐，且大部分轉爐還有底吹氬攪拌的優勢，要降低電爐鋼的氮含量，就需要改善鋼水的攪動條件及提高供氧強度；另一方面，電爐終點氮含量與鋼液的脫碳量有很大的關系，脫碳量越大，鋼中的碳氧反應產生的CO 氣泡越多，氣泡吸附鋼中氮元素的量越大，文獻^[2]在冶煉GCr15 時得出終點氮與脫碳量的關系見圖2，因此，適當增加氧化期的脫碳量能降低終點氮含量。

（2）電爐出鋼過程氮含量增加較多，平均增加了0.0006%，主要原因是在出鋼過程中，鋼液與空氣大量接觸，導致鋼液大量吸氮，由于鋼液中[O]是表面活性元素^[3]，它能阻止空氣中{N₂}向鋼液中溶解擴散，若鋼水中[O]含量過低，容易造成鋼水增氮，由于脫氧是在出鋼過程中進行的，在鋼液中的氧含量大幅下降的情況下，出鋼過程的氮含量有較大幅度的上升。

（3）LF 爐冶煉過程的氮含量也呈上漲趨勢，主要是在加熱過程中，如果埋弧不好，電弧的附近的鋼液就會裸露在空氣中，這部分鋼液面的溫度相對較高，在高溫下氧、硫對鋼液的表面活性作用消失，電弧將氮氣離解成氮原子，鋼液容易吸氮。有研究表明[4]，鋼液加熱時間與增氮量的關系，見圖3。

（4）LF 結束到VD 真空處理前的時間較短，但氮含量也上漲了0.0004%~0.0005%，主要原因一方面是樣本鋼液在入VD 前因渣量較大，進行了潷渣操作，潷渣過程中鋼液與空氣接觸而吸氮，另一方面VD 處理前的喂線過程吸氮。LF 精煉后，鋼液脫氧良好，在對鋼液進行Ca 處理時，鈣氣化形成鈣氣泡將鋼液面吹開或吹氬攪拌量大，造成裸露的鋼液從空氣中吸氮，同時，硅鈣線中也含有一定的氮，有調查表明^[5]，硅鈣線中有較高含量的氮（0.556%），所以在喂硅鈣線過程氮含量有一定的增加。

（5）鋼包精煉過程底吹氬對鋼液氮含量也有一定的影響，一方面，隨著氬氣泡的上升，鋼中的氮原子在氣泡與鋼液界面聚集，并隨著氣泡的上升排除；另一方面，吹氬時如果流量控制不當容易將渣面吹開造成鋼液裸露在空氣中，導致吸氮。實際生產中鋼水增氮量隨著吹氬時間增加呈現緩慢增長的趨勢。

（6）真空處理過程的氮含量均有一定幅度的下降，平均下降了0.0016%，這與鋼液進入VD 的初始氮含量較高有很大關系。有研究^[6]表明：鋼液的有效真空時間、鋼液的Al、Ti 含量以及真空度都與VD真空過程的脫氮率有很大的關系。真空度越低，真空室氮的分壓越低，鋼中的氮越易向外擴散；有效真空時間越長，氮的擴散時間也長，也利于鋼液去氮；鋁和鈦含量越高，在鋼中形成氮化鈦和氮化鋁的量越多，固氮的量越大，越不利于脫氮。

（7）澆鑄過程的氮含量上漲較多，平均上漲了0.0015%，說明澆鑄過程鋼液的密封性較差，鋼流細小，鋼液與空氣接觸面積和接觸時間較多，因而氧化、吸氮嚴重，尤其是含Cr、Ti、V 的Al 鎮靜鋼的吸氮嚴重成品的氮含量基本都在0.006%以上，平均為0.0065%。

2   工藝優化措施

針對鋼中氮含量的控制現狀，在冶煉對氮含量有較高要求（≤0.005%）的低溫石油機械用鋼40CrNi2MoA 前進行了工藝調整，主要的調整內容有以下幾點:

（1）電爐爐內采用埋弧泡沫渣操作，一方面避免電弧將弧光附近空氣中的氮分子離解成氮原子1/2N₂(g)＝N(g)，從而更容易進入鋼液；另一方面降低鋼液與空氣直接接觸的機會，減少吸氮。

（2）采用氧化末期向鋼中加礦及雙管深吹氧的方式改善電爐爐內鋼水的攪動條件，由于鐵礦石的主要成分為Fe₃O₄或Fe₂O₃，含有大量的氧，鐵礦石在下沉的過程中逐步融化，進入鋼液后集中釋放大量的氧，這些氧與鋼中的碳發生的劇烈的碳氧反應，產生大量的CO 氣泡，氣泡在上浮的過程中吸附氮元素，從而降低鋼中的氮含量。

（3）脫氧劑的加入由以前的出鋼過程中加調整為出鋼結束后加入，避免脫氧鋼液在出鋼過程中與空氣接觸大量吸氮。

（4）LF 爐處理時盡量減少處理時間，同時控制好氬氣流量，避免鋼液與空氣直接接觸，同時保證爐渣的發泡性能，盡量避免電弧與空氣直接接觸。

（5）延長真空處理時間，由12min 延長到15min，并保證極限真空度≤67Pa。

（6）澆鑄過程采用氬氣保護澆鑄，并在澆鋼前向中注管內吹氬，將中注管及鋼錠模內的空氣排出去，降低鋼液在澆鑄過程中吸氮。

3   工藝優化后的冶金效果

工藝優化后試制了6 爐40CrNi2MoA，3 爐

35CrMo，冶煉過程的氮含量控制情況見表1。

（1）試制時電爐冶煉適當加大了配碳量，鋼液的脫碳量在0.60%~0.90%之間，末期通過加礦及深吹氧使得電爐終點氮含量有了明顯的下降，平均氮含量為0.0029%，較工藝試驗前降低了近0.0007% ，由于冶煉的供氧方式是人工吹氧，不能保證供氧強度，終點氮含量與文獻2 的研究還有很大的差異。

（2）出鋼時，只有3爐鋼脫氧是在出鋼結束后進行的，出鋼過程鋼液的增氮量變化不大，平均為0.0005%，該增氮量包括出鋼時向鋼液加入合金Cr鐵和Mn 鐵帶來的氮含量。

（3）試制鋼液在LF 爐的處理時間在98 min~150 min 之間，平均為122 min，精煉時間偏長，試用了爐渣發泡劑，但發泡性能不理想，爐渣發泡時間只能持續3min~5 min，導致了該過程氮含量增加較多，平均增加了0.0014%。

（4）真空處理過程的平均脫氮量為0.0012%，脫氮率為25%，該脫氮效果有一定的改善。

（5）澆鑄過程氮含量平均增加了0.0011%，較試驗之前的0.0015%降低了0.0004%，但與文獻^[4]的研究還有很大差距，主要原因是保護澆鑄效果不理想，氬氣不能完全充滿流鋼系統所致。

4   結論

（1）采用改善電爐氧化渣的發泡性能、增加鋼液的脫碳量、在電爐氧化末期加入鐵礦石等措施，能有效降低電爐冶煉終點的氮含量；

（2）控制LF爐的處理時間、加強埋弧操作、降低精煉及澆鑄過程中與空氣接觸的機會能減少吸氮；

（3）真空處理時降低真空度及延長真空保持時間能提高真空脫氮率；

（4）通過工藝調整，基本能生產氮含量≤0.005%的鋼種。

參 考 文 獻

[1] 范鼎東.LF—VD鋼包精煉爐脫氮工藝[J].特殊鋼.2006.6

[2] 陳列等.50 噸電爐冶煉GCr15 氮含量的控制研究[J].特殊鋼2004. 7

[3] 吳偉等.馬鋼CSP 流程對鋼水氮含量控制的研究[C].十二屆鋼質量及非金屬夾雜論文集

[4] 凌天鷹、徐匡迪.澆注過程鋼液吸氮的研究[J].鋼鐵研究,1989.5

[5] 常金寶等.LF精煉鋼增氮因素分析[J].金屬世界.2008.4

[6] 陳從虎等.X70 管線鋼控氮工藝研究[J].河南冶金.2009.6

[7] 周德光等.鋼中氮的控制及其對質量的影響[J].煉鋼2005.2