薄板坯含Nb微合金鋼氮含量控制工藝實(shí)踐

郝賓賓

（河鋼集團(tuán) 邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

鋼水中氮在大多數(shù)鋼中被視為夾雜物有害元素，會(huì)使鋼的塑性和沖擊韌性降低，同時(shí)可與鋼中的鈦和鋁元素形成氮化物夾雜，引起鋼的表面質(zhì)量惡化，影響成材率。我廠薄板坯近年開發(fā)含Nb低合金高強(qiáng)鋼以來，采用鋁脫氧，氮在鋼水中的溶解度較高，控制難度大，在采用轉(zhuǎn)爐-LF-CSP連鑄工藝流程生產(chǎn)含Nb低合金高強(qiáng)鋼時(shí)，連鑄中間包鋼水N含量最初平均控制在50～60ppm，一定程度上引發(fā)含Nb鋼邊裂缺陷，但通過工藝優(yōu)化改進(jìn)攻關(guān)，目前N含量穩(wěn)定控制在50ppm以下比例占到95%以上，同時(shí)通過提高拉速和冷卻設(shè)備優(yōu)化等工作，含Nb微合金鋼表面裂紋缺陷明顯改善，效果良好。

1 含Nb低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝與增氮來源

1.1 含Nb低合金高強(qiáng)鋼主要化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝路線

CSP含Nb低合金鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 含Nb鋼主要化學(xué)成分（%）

含Nb低合金高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝路徑為：鐵水→100t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→薄板坯連鑄→軋制。

1.2 含Nb低合金高強(qiáng)鋼增氮來源

鋼中的氮主要是通過鋼水與空氣接觸后吸入并溶解導(dǎo)致，通過對含Nb鋼LF精煉爐進(jìn)站、出站和連鑄中間包以及鑄坯進(jìn)行取樣氮含量檢測跟蹤分析，確定主要的增氮環(huán)節(jié)，進(jìn)行增氮原因分析和優(yōu)化。由表1可知，LF精煉工序平均增氮9.3ppm，中間包工序增氮13.3ppm，結(jié)晶器增氮2.0ppm，從LF出站鋼包到中包澆注過程中的增氮量最為明顯為22.8ppm，因此生產(chǎn)過程中將連鑄澆注過程中的增氮控制作為主要關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)由表1中可以看出，LF極個(gè)別爐次增氮量達(dá)到14.6ppm，極大的提高了連鑄進(jìn)站鋼水N含量水平，在后期連鑄增氮控制不穩(wěn)時(shí)很容易造成連鑄中包N含量超標(biāo)。

2 鋼水增氮原因分析

通過對含Nb低合金高強(qiáng)鋼連鑄中包鋼水N含量高的原因進(jìn)行分析，具體結(jié)果如下。

2.1 LF爐鋼水增氮原因分析

（1）供電制度。LF爐在加熱過程中，如果短時(shí)間內(nèi)處于功率較大的檔位下加熱，鋼液的升溫快，可以減少電離增氮幾率，減少高溫渣的存在，有利于減少鋼水增氮，但是如果泡沫渣造的不好，埋弧效果不良，長時(shí)間大功率加熱會(huì)增加鋼水增氮機(jī)率。大功率短時(shí)間鋼水加熱可減少鋼水增氮。

（2）埋弧效果影響。LF爐如果埋弧效果不好，在電極加熱過程中，石墨電極會(huì)與鋼渣之間產(chǎn)生高溫電弧，熔池表面形成凹坑，凹坑處鋼液面會(huì)裸露，此處鋼水溫度比其它部位低，高溫下氧、硫?qū)︿撘好姹砻婊钚宰饔孟В撘好媛懵稌?huì)吸氮。同時(shí)電弧溫度達(dá)到幾千攝氏度，高溫電弧使周圍的空氣電離，很容易造成鋼水增氮。

（3）吹氬操作。在LF操作過程中，必須通過吹氬攪拌去除夾雜、均勻成分和溫度。但是如果控制不當(dāng)，吹氬量較大啊，就容易造成鋼液面裸露增氮。由下圖1吹氬時(shí)間與鋼水增氮關(guān)系可知，隨著吹氬時(shí)間的延長，鋼水增氮量呈上升趨勢。

圖1 吹氬時(shí)間與增氮關(guān)系曲線

（4）喂線處理影響。LF爐脫氧過程中，會(huì)向鋼水中喂入鋁線進(jìn)行脫氧，脫氧結(jié)束后，會(huì)進(jìn)行喂鈣線夾雜物變性處理，尤其是喂鈣線容易氣化，形成鈣氣泡將將鋼液面吹開，造成鋼液面裸露增氮。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，喂線前鋼水N含量平均為32.2×10-6，喂線后平均為36.6×10-6，表明鋼水喂線過程增氮達(dá)到了4.4×10-6。

2.2 連鑄鋼水增氮原因分析

（1）連鑄鋼水增氮機(jī)理，很多研究證明，氧、硫等元素屬于鋼液表面活性元素，在氧、硫等元素含量較低的時(shí)候，鋼液更容易吸氮[1]，由鋼液吸氮?jiǎng)恿W(xué)方程（1）可知

式中，[%N]為時(shí)間t時(shí)的氮濃度，%；[%N]e為與氣相中的氮分壓平衡時(shí)的氮濃度；KL為液相傳質(zhì)控制時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；A-氣液兩相間反應(yīng)界面積；V-液相體積。

目前LF爐精煉結(jié)束后，鋼水中的氧和硫都處于較低水平。目前精煉出站鋼水氧通常低于27ppm，硫含量低于60ppm，是含Nb低合金高強(qiáng)鋼容易吸氮的主要原因。在開澆的第一爐，鋼水沒有加入覆蓋劑，會(huì)增氮嚴(yán)重，但是隨著澆注的進(jìn)行會(huì)不斷下降，最后穩(wěn)定在某一范圍。但是如果一旦出現(xiàn)鋼液面裸露鋼水就會(huì)迅速增氮。

（2）連鑄鋼水增氮原因，首先設(shè)備原因，連鑄中間包的鋼水是鋼包鋼水經(jīng)長水口進(jìn)入，因此在鋼包下水口與長水口之間的連接處，會(huì)因?yàn)殚L水口內(nèi)鋼水的高速流動(dòng)與周圍外界空氣形成負(fù)壓，空氣會(huì)通過接觸間隙進(jìn)入鋼水，所以現(xiàn)場通過長水口處吹氬來彌補(bǔ)鋼液帶走的氣體，使此處產(chǎn)生微正壓防止空氣進(jìn)入。因此實(shí)現(xiàn)長水口與鋼包下水口的密封接觸非常重要。

3 鋼水增氮控制措施與效果

3.1 LF過程增氮控制措施

（1）加強(qiáng)埋弧操作，目前本廠LF爐埋弧效果根據(jù)進(jìn)站鋼水的鋼渣情況進(jìn)行埋弧操作，但是隨著轉(zhuǎn)爐滑板擋渣技術(shù)的應(yīng)用，轉(zhuǎn)爐下渣量減少，因此在鋼水進(jìn)入LF爐后根據(jù)不同情況加入適量的泡沫渣，在加熱等操作過程中，根據(jù)埋弧效果，隨時(shí)補(bǔ)加泡沫渣，造好埋弧渣，避免鋼水與空氣接觸。

（2）合理控制供電功率，通過對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行維修，盡可能實(shí)現(xiàn)低功率化渣，高功率加熱的模式，同時(shí)盡量縮短升溫時(shí)間，對于進(jìn)站鋼水溫度較低的，盡可能以少的升溫次數(shù)達(dá)到溫度要求，避免電極頻繁起弧，將空氣電離造成鋼水增氮。

（3）合理吹氬，生產(chǎn)中，根據(jù)進(jìn)站鋼水的鋼渣，如果鋼渣較大且結(jié)殼嚴(yán)重，應(yīng)采用加入化渣劑進(jìn)行化渣，避免通過吹氬攪拌化渣。

（4）優(yōu)化喂線設(shè)備，為了對鋼水進(jìn)行脫氧和調(diào)整Als加入鋁線，以及夾雜物變性處理喂入鈣線，但是鈣線喂入與鋁線喂入相比，鈣線喂入時(shí)穿透力小，容易氣化，形成鈣氣泡將鋼液面吹開，造成鋼液面裸露增氮嚴(yán)重。因此在喂絲管旁增加一吹氬管設(shè)備，實(shí)現(xiàn)喂線時(shí)接觸部位惰性氣氛，防止鋼水增氮。

3.2 連鑄增氮控制措施

（1）設(shè)備優(yōu)化，首先對長水口與鋼包下水口接觸位置的密封碗形狀進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)長水口上水口位置確定最佳的密封碗形狀，防止因?yàn)槊芊鈮|形狀原因，導(dǎo)致安裝長水口對位不當(dāng)，密封不好吸入空氣增氮。同時(shí)長水口處的吹氬形式采用暗埋內(nèi)置式，更有利于氬氣的密封效果。通過實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化鋼包滑動(dòng)水口下滑板與長水口密封碗之間壓氣流量，減少整個(gè)澆鋼過程中的鋼水增氮。

（2）通過標(biāo)準(zhǔn)化操作，要求操作工及時(shí)清理長水口上水口和鋼包下水口位置處的殘?jiān)弯撛?，以免造成接觸不良影響增氮。同時(shí)提高鋼包自開率，減少燒眼爐次，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行開澆過程中，長水口浸入中間包鋼液面以下浸入式開澆。

3.3 取得效果

通過以上工藝技術(shù)優(yōu)化與設(shè)備改進(jìn)，鋼水氮含量控制水平得到了明顯改善，由圖2可以看出，連鑄中間包平均增氮量由優(yōu)化前的15ppm降低到了優(yōu)化后的8ppm以下，全流程控氮水平提升。

圖2 各工序氮含量變化曲線

4 結(jié)論

通過優(yōu)化LF埋弧效果、供電制度、合理吹氬以及喂絲機(jī)改造，連鑄密封碗形狀優(yōu)化、吹氬流量優(yōu)化以及埋弧開澆等一系列工藝和操作，形成了一套全工序控制鋼水增氮的技術(shù)。改進(jìn)后，連鑄中間包鋼水N含量控制在50ppm以下比例達(dá)到95%以上，含Nb微合金鋼邊裂缺陷改善，邊裂缺陷率控制在0.32%以下。