硬線鋼SWRH82B 控氮技術研究

孫福來

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

氮元素對硬線鋼來講是絕對有害元素，氮元素在鋼中溶解度很低，極易形成氮化物夾雜析出，嚴重影響硬線鋼的拉拔性能和韌性。天津鋼鐵有限公司（下稱天鋼）在生產SWRH82B 硬線鋼時，出現大量脆斷缺陷。脆斷缺陷主要表現形式：一種是盤條碳偏析導致在高速線材軋制控冷過程析出網狀碳化物，在拉拔過程中造成尖窩斷裂；另一是由于鋼中氮含量高（平均水平在50～65 ppm），在SWRH82熱軋盤條拉拔過程中，游離N 導致位錯密度增加，導致盤條現場強度和硬度升高，塑性和韌性下降，即加工硬化嚴重，在拉拔過程中表面出現的橫裂。

本文根據天鋼生產SWRH82B 硬線鋼的工藝特點，分析了各工序對鋼水中氮含量的影響因素以及鋼水中氮的主要來源。從煉鋼、連鑄兩方面提出了SWRH82B 硬線鋼控氮技術措施，制定了控氮技術措施的實施方案，并對實施方案的效果進行了歸納總結。

1 各工序對鋼水中氮含量的影響分析

由于氮含量高造成的SWRH82B 硬線鋼拉拔脆斷的缺陷占總缺陷的90%以上，其典型斷口及金相組織如圖1 所示。因此，對SWRH82B 硬線鋼生產來講，鋼中氮含量的控制尤為重要。

圖1 宏觀斷口及金相組織

對鋼水中氮含量的控制，首先要分析鋼水中的氮元素的來源。根據相關資料和生產實踐可知，鋼水中的氮主要來源于空氣帶入和冶煉過程中增碳劑、合金、造渣料等的帶入，因此要控制鋼水中氮含，就要從避免鋼水與空氣接觸，以及使用含氮量較低的增碳劑、合金、造渣料等煉鋼生產材料方面做工作。

1.1 SWRH82B 硬線鋼生產工藝

根據天鋼現有生產設備特點，SWRH82B 盤條生產采用的工藝流程為：鐵水→轉爐→LF 精煉→方坯連鑄機→檢驗精整→高速線材軋機→硬線鋼盤條。

1.2 轉爐工序鋼中氮含量的影響分析

1.2.1 轉爐吹煉對鋼中氮含量影響

一般轉爐吹煉過程中，在吹煉的前、中期鋼水中的氮含量都會降低，這是由于在冶煉整個過程會伴隨著碳氧反應生產大量一氧化碳氣體，鋼中的氮會隨著這些氣體排出鋼水。而隨著鋼中的碳含量減少，吹煉末期生成一氧化碳氣體的速度降低，而此時轉爐如果底吹是氮氣，鋼水中氮含量就會增加。

現階段生產過程中的底吹方式有全程底吹氮氣和吹煉末期底吹由氮氣切換為氬氣兩種模式，目前天鋼采用吹煉末期底吹由氮氣切換為氬氣的底吹模式。

（1）轉爐吹煉開始后，隨著劇烈的碳氧反應，鋼中的氮會隨著大量一氧化碳氣泡排出，此時與底吹氣源無關。

（2）轉爐吹煉至中期階段，此時使用底吹的氣源是氮氣或是氬氣時，通過大量取樣分析，鋼水中的氮含量相差不大，說明此時鋼中氮含量仍與底吹氣源無關。

（3）轉爐吹煉至末期階段，通過取樣分析，在盡可能保證其他冶煉條件相同的情況下，鋼中氮含量在全程底吹氮氣的爐次要比末期切換成氬氣的爐次一般高3～12 ppm，說明吹煉末期底吹氣源的選擇對鋼水增氮影響明顯。

（4）終點補吹對鋼水增氮是轉爐工序影響最大的因素。吹煉結束后，有時會因為終點溫度、鋼水成分等因素進行補吹。在補吹前，轉爐爐內已經充滿空氣，在進行補吹的過程中，隨著受到氧氣壓力的沖擊，使得轉爐內空氣與鋼水有了接觸的機會，進而使鋼水中氮含量增加。經實踐證明，未補吹爐次與補吹0～30 秒和30～90 秒的爐次出鋼后測定鋼中氮相差5～10 ppm。圖2 顯示補吹氧氣量對鋼中氮含量的影響。

圖2 補吹氧氣量對鋼中氮的影響

1.2.2 脫氧合金化對鋼水增氮的影響

一般鋼種采用鋁脫氧，但是由于鋁元素與氮可以相結合生成氮化鋁化合物，具有固氮作用，因此，在冶煉SWRH82B 鋼時，我們采用不含鋁的硅鈣鋇合金作為脫氧劑。

由于SWRH82B 鋼種成品碳含量較高，在出鋼時要使用大量增碳劑，普通增碳劑的氮含量在標準中和協議中都沒有要求，經檢測通常在2000～4000 ppm，用這種增碳劑增碳0.10%時，鋼中氮含量增加約2～5 ppm。而低氮增碳劑氮含量要求≤300 ppm，因此，在冶煉SWRH82B 鋼種時，使用低氮增碳劑是降低鋼中氮含量最直接最有效的方法。

1.2.3 轉爐其他操作對鋼水增氮的影響

（1）未出鋼前，轉爐處在吹煉位置，此時如果進行煙道吹掃、壓泡沫渣等操作，會造成鋼水增氮。

（2）吹煉末期，由于操作不當，氧槍大幅度升高，此時鋼水可能出現大翻，造成與空氣接觸，使得鋼水氮增加。

（3）由于鋼包內充滿空氣，在出鋼過程中，鋼水和鋼包內空氣“充分接觸”，致使空氣進入鋼水，造成鋼水增氮。同理，出鋼時間的減少，也減少了鋼液與空氣“充分接觸”，有利于減少鋼水增氮。

（4）出鋼過程后半程對鋼水加入石灰，進行渣洗，形成一層隔絕空氣的渣層，一方面可以減少鋼水增氮，另一方面利于精煉快速化渣，有益于精煉脫硫操作。

1.3 精煉過程對鋼中氮含量的影響

通過分析發現：LF 精煉過程中對鋼水增氮影響較大的因素是電離使空氣中的氮由分子狀轉變為原子狀，而氮原子可以更容易融入到鋼液中，使鋼液增氮；另一個影響因素就是精煉過程中鋼液與空氣接觸，造成空氣中的氮元素進入到鋼液，使鋼液增氮。

在現實生產中，LF 精煉對鋼水增氮影響較小（見圖3）。這主要是由于精煉渣可有效阻隔空氣與電弧和鋼水的接觸，防止氮分子電離和鋼水吸氮。同時，在生產SWRH82B 的精煉過程中，適當降低LF 爐給電過程中底吹氬的氣量，保證軟吹過程中鋼液不接觸空氣，也是防止鋼水吸氮的一個重要環節。而精煉渣的堿度和流動性對鋼水脫硫、脫氧和吸附夾雜物影響極大，在實際鋼種冶煉過程中應根據SWRH82B 性質對精煉渣成分進行調整[1]。因天鋼以往生產SWRH82B 過程中，精煉在造渣和底吹氬氣方面做得較好，因此精煉過程增氮較少。

圖3 LF 精煉過程氮含量變化

1.4 連鑄保護澆鑄對鋼中氮含量的影響

連鑄采用全程保護澆注，使得鋼水與空氣難以接觸。在鋼包到中間包，中間包到結晶器的過程中，分別采用長水口、浸入式水口；在中間包要使用覆蓋劑，在結晶器使用保護渣，這些都是全程保護的措施。而在各部位連接處，如果不采用相應的處理方式，鋼水也會在這些地方與空氣進行接觸，進而增氮，使用氬氣氣封可很好地解決這個問題。連鑄中間包覆蓋劑與結晶器保護渣，對鋼液吸氮的影響較小或幾乎不影響，通過對鋼水進行取樣分析，鋼水氮含量幾乎沒有變化。

研究表明，鋼液由鋼包至中間包過程：無保護澆注時，鋼液增氮約17 ppm；無長水口保護澆注，鋼液增氮約14 ppm；無鋼包與長水口間氬氣保護澆注，鋼液增氮約3 ppm。因此做好鋼包至中間包的鋼液保護是連鑄工藝防止鋼液增氮的關鍵。

2 控氮改進措施

鋼水中氮元素的去除是非常困難的，因此要想控制鋼水中氮含量，只能通過控制氮元素進入鋼水的途徑來減少氮含量。根據氮元素的來源和在鋼水中帶入的機理，要控制好鋼水中氮含量的水平，主要從造渣料、合金、脫氧劑等帶入氮元素和鋼液與空氣接觸帶入兩方面進行控制。通過對以上各工藝環節的分析和實際生產取樣分析，制定出符合天鋼實際生產的SWRH82B 鋼控氮措施：

（1）轉爐吹煉采用氮氬切換的轉爐底吹模式，減少吹煉后期鋼水增氮；提高SWRH82B 鋼冶煉操作控制水平，在保證轉爐終點碳、磷、溫度等關鍵工藝點命中的同時，盡量減少補吹；

（2）使用不含鋁的硅鈣鋇脫氧合金對鋼水進行脫氧，使用低氮碳粉進行鋼水增碳；

（3）連鑄采用全程保護澆注，鋼包到中間包應采用長水口保護，連接處采用氬氣氣封；

（4）做好穩定澆注（包括鋼液面波動小、中間包覆蓋良好、長水口浸沒在鋼液中等），保證鋼液與大氣盡可能少的接觸。

3 控氮改進措施實施效果

在實際生產過程中，連鑄過程取氣體樣做氮含量分析與在鑄坯中取樣做氮分析值接近，因此，上述控氮改進措施實施后，在SWRH82B 連鑄坯取樣進行鋼中氮分析，其情況見表1。同批次高線盤條性能情況見表2。

（1）由表1 可以看出，SWRH82B 連鑄坯中平均氮含量不到30 ppm，較原先的50～65 ppm 的水平顯著降低。

表1 鋼中氮、氧含量分析結果 /%

（2）由表2 可以看出，控氮改進措施實施后，SWRH82B 高線盤條抗拉強度要比原來略低，但面縮情況明顯改善，面縮情況不合格率為0，極大改善了產品質量。

表2 力學性能

（3）同時根據抽查結果顯示，同批次高線盤條金相組織不合格（要求馬氏體（M）、碳化物網狀（C）≤2 級為合格）占比為0。

4 結語

通過對硬線鋼生產過程控氮措施的實施，天鋼生產的SWRH82B 盤條產品實物質量得到了極大改善，同時在硬線鋼控氮措施分析、研究和實施過程中也獲取了寶貴的經驗。

（1）根據實際生產及設備情況，分析導致鋼水增氮的主要關鍵工藝環節為鋼水配加增碳劑和連鑄保護澆鑄。通過使用低氮增碳劑和加強連鑄保護澆鑄，使鋼水氮含量較之前大幅減少，鋼水中平均氮含量由50～65 ppm 將至不到30 ppm，盤條面縮合格率及金相組織合格率接近100%，SWRH82B 盤條合格率顯著提高。根據用戶反饋，控氮之后所生產的硬線盤條拉拔斷裂情況大幅減少，產品質量符合使用要求。

（2）控氮措施實施后，鋼水中氮含量降低，結合成品成分進行分析和攻關前后抗拉強度比較，盡管抗拉強度符合產品標準，煉鋼中也應注意錳含量不應過低，在今后的生產實踐中要關注鋼中錳含量與抗拉強度的關系，保證產品性能。