薄板鋼氮含量控制生產實踐

韓志顏

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司， 河北 唐山 063016）

隨著工業技術的不斷發展，對鋼材質量的要求也越來越高，因而冶金企業在向生產超純凈鋼方向努力。由于大多數情況下氮是鋼中的有害元素，它的存在使鋼產生缺陷，高級的鋼種對氮有嚴格的要求，如果氮高會出現時效及表面質量缺陷。

1 生產設備功能

連鑄作為控制氮含量的最后一道工序就顯得尤為重要[1，2]。控制中包增氮量是一個系統工程，需要全方位控制，目前由于設備原因，中包機械臂支撐壓力最高只能達到0.85 MPa，生產難度較大；隨著低碳鋼及品種鋼的增加，對于中包保護的研究就十分必要。

2 降氮理論研究

2.1 氮對鋼的物理性能的影響

氮對鋼的不利地方主要有：氮降低了鋼的韌性和塑性；造成鋼產生時效、偏析等冶金缺陷。含氮鋼的熱加工、熱處理和切削加工等都沒有什么特殊困難，只不過它的冷軋變形硬化率較高。氮對高鉻鐵素體鋼來說可減少晶粒長大傾向并改善焊接性能，但對半鐵素體鋼來說，焊后熱影響區的硬度將大為提高，因而焊后常需要進行退火或回火處理。

時效對于鐵素體含量要求較多而塑性和韌性又要求較高的低碳鋼板來說是十分有害的，因它會導致鋼板由韌變脆，惡化鋼板的彎曲、深沖性能，還因變形不均勻而在沖壓件表面出現皺紋。氮還能導致鋼產生藍脆現象。藍脆是指鋼在300℃左右時，由于形變時效，塑性和韌性降低或基本消滅的現象。當鋼中氮含量較高時，易形成氣泡和組織疏松，還能降低鋼的延伸率、斷面收縮率及電磁性能等。

鋼中加入少量的鋁后，除能脫氧外，還能與鋼液中的氮結合形成穩定的AlN，從而減輕甚至消除氮的時效作用。此外，在鋼中形成的細小分散的AlN顆粒還能阻止奧氏體加熱時的長大，進而得到細晶粒奧氏體鋼。當鋼中含有微量的N和Al時，也能起到阻止或減少鋼在加熱時產生的過燒現象[3]。但鋁不與碳化合，不能消除碳的時效作用，而鋼中的Ir、V、Ti等既與氮化合形成氮化物，又能與碳化合形成碳化物，因此能夠使鋼的時效作用完全得到消除。

2.2 連鑄過程對氮含量的影響

研究表明，鋼液由鋼包到中間包過程，如果是長水口氬封保護澆注，鋼液吸氮量為3×10-6；鋼液由中間包到結晶器采用浸入式水口及保護渣，增氮量小于2×10-6[4]。因此在一定條件下，鋼液在連鑄過程的增氮量應為5×10-6，但在實際生產中遠大于此值。為滿足冶煉低氮鋼的要求，弄清連鑄過程鋼液增氮的原因，通過試驗研究了新型大包長水口，連鑄過程中間包覆蓋劑和結晶器保護渣對鋼液增氮的影響。

3 連鑄工序工藝過程控制

具體的工作包括大包長水口的改進及正確使用形式。具體包括壓力、對中、清理等；大包長水口機械臂支撐系統的壓力提升；氬氣流量的合理控制；中包加入足量的中包覆蓋劑。

3.1 大包長水口機械臂壓力提升

大包長水口機械臂的支撐系統由氣動缸改為液壓缸后，支撐壓力逐步提升到85 kg，密封效果明顯提高。

摸索合適的液壓缸的輸出壓力分別為70 kg和85 kg。兩種支撐壓力下保護效果的對比如下頁表1。

從表1可以看出：支撐壓力提高到85 kg后（目前認為是機械臂能承受的最大壓力），密封效果有了明顯的改善。

表1 三種支撐壓力下控制增氮的效果對比

3.2 氬氣流量的合理控制

支撐壓力提高到85 kg后，仍發現有部分爐次的中包增氮量較高，分析原因為：氬氣流量太小，起不到氬封作用，特別是大包長水口連用，水口碗部形狀侵蝕較嚴重時，增氮現象更為嚴重；氬氣流量太大，造成液面劇烈翻騰，也惡化了保護澆鑄效果；并且在7、8月份，氬氣的主管道壓力不穩，常在0.15～0.20 MPa之間波動，壓氣流量大小極不易控制，也是造成這兩個月增氮量偏高的一個原因。

通過實踐摸索確定，合適的氬氣流量就是保證長水口周圍的中包液面微微翻起，氬氣流量的大小隨鋼流的大小和水口的新舊程度隨時調整。

目前量子流量計已投入使用，在使用老的大包套管時，目前認為壓力調整到0.4 MPa，流量0.8 m3/h效果比較好。在使用新型套管時的壓力及流量正在試驗。

表2 部分爐次中包增氮情況 ×10-6

3.3 嚴細現場操作

長水口碗部要“保護性”清理且要清理干凈，長水口視碗部實際侵蝕情況及時更換，澆注低碳鋼及品種鋼時覆蓋劑要“黑渣”操作，氬氣流量根據液面攪動大小隨時進行調整，增氮情況明顯減少。如表2所示部分爐次中包增氮情況，連鑄過程增氮量平均2.4×10-6，基本控制在 5×10-6以下。

4 實施效果

1）連鑄澆注薄板鋼中包降氮由原來平均8×10-6，下降到3×10-6以下。并且鋼中氮含量（質量分數）大于50×10-6爐次比例由原來的6.5%下降至1%以下（部分氮含量超標爐次不是連鑄工序造成）。降低了鋼中氮含量，提高了薄板鋼產品質量。

2）中包氮含量控制在22.6×10-6的正態分布，如表3和圖2所示，達國內先進水平。

表3 薄板鋼中包氮含量統計表

圖2 1-7月份中包增氮趨勢圖