中頻爐熔煉金屬錳降低氮含量的工藝改進(jìn)

樊明濤

(新疆八鋼佳域工業(yè)材料有限公司)

前言

金屬錳作為鋼水脫氧劑被廣泛用于煉鋼生產(chǎn)中。某廠于2019年年底開始試生產(chǎn)金屬錳產(chǎn)品，2020年月產(chǎn)量已達(dá)2000t以上，基本供應(yīng)當(dāng)?shù)責(zé)掍搹S生產(chǎn)。2021年2月，該鋼廠反饋使用供應(yīng)的金屬錳產(chǎn)品冶煉60Si2Mn時氮元素含量出現(xiàn)超標(biāo)。為查找金屬錳在生產(chǎn)過程中氮超標(biāo)的問題，對生產(chǎn)金屬錳的熔煉、澆注以及成型工藝進(jìn)行了分析研究，找到了增氮的原因，改進(jìn)了生產(chǎn)工藝。改進(jìn)后的試驗結(jié)果表明，金屬錳產(chǎn)品的氮含量完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，金屬錳產(chǎn)品得到了煉鋼廠的認(rèn)可。

1 煉鋼對氮元素含量要求及錳合金的作用

隨著煉鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對鋼水質(zhì)量提出了更高要求，對鋼水的氮含量控制也越來越嚴(yán)格，如優(yōu)鋼等鋼種要求鋼水中氮含量不得超過0.004%。

在大多數(shù)鋼種中，氮被視為一種有害元素(耐熱及不銹鋼除外)，雖然鋼中殘留氮很少，但對鋼的力學(xué)性能卻有顯著的影響。

氮的危害主要表現(xiàn)在：(1)導(dǎo)致鋼的時效性、屈服點延伸和蘭脆, 降低鋼的韌性和塑性；(2)與鋼中鈦、鋁等元素形成帶棱角的夾雜物，不利于鋼的冷熱變形加工；(3)當(dāng)鋼中殘留氮較高，會導(dǎo)致鋼宏觀組織疏松甚至形成氣泡；(4)鋼中氮還降低鋼的焊接性能、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率等；(5)鋼中氮含量偏高也會使鑄坯開裂。

因此，煉鋼生產(chǎn)中必須采取有效措施降低鋼中氮含量，特別是高級別鋼種對氮控制尤顯重要[1]。各鋼鐵廠根據(jù)煉鋼工藝及設(shè)備等條件不同，對品種鋼中氮含量的控制條件也不盡相同。

金屬錳在煉鋼生產(chǎn)得到廣泛應(yīng)用，其主要作用就是脫氧、脫硫、作為合金元素。

(1)金屬錳用作脫氧劑。煉鋼過程中，鋼液中氧含量的增高會對鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，所以對含氧量有嚴(yán)格的要求，一般不準(zhǔn)超過0.02%，甚至更嚴(yán)。因此，煉鋼過程必須脫去超標(biāo)的氧。

錳是活性好的元素，其化學(xué)性能比鐵活潑，將金屬錳加入鋼液中時，可以與氧化亞鐵反應(yīng)形成不溶于鋼水中的氧化物渣，飄浮于鋼水液面，使鋼中含氧量降低。雖然錳在鋼水中的脫氧能力比其他一些元素(如鈣、鋁、硅)低，但因其易于生產(chǎn)且價格比較低，應(yīng)用廣泛。例如冶煉沸騰鋼，采用錳鐵合金脫氧是很理想的脫氧劑，因錳的脫氧能力較弱，它可以調(diào)整鋼的含氧量，而不至于使氧脫去過多而不能沸騰。同時錳的存在還可以使硅和鋁的脫氧能力增強(qiáng)，因為脫氧產(chǎn)物與其它氧化物(如Si02)可以形成低熔點化合物而有利于從鋼液中排除。

(2)金屬錳用作脫硫劑。硫在鋼液中以硫化鐵形式存在，鋼中含硫高容易產(chǎn)生熱脆，降低鋼的壓延加工性能，因此，煉鋼過程必須控制硫的含量。錳與硫的結(jié)合力大于鐵與硫的結(jié)合力，當(dāng)加入錳合金之后，鋼水中的硫很易與錳生成熔點高的硫化錳而轉(zhuǎn)入爐渣中，從而降低了鋼中的硫含量，提高鋼的壓延加工。

(3)金屬錳用作合金元素。錳之所以能成為各種鋼的重要合金元素，是因為它可以強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化珠光體，提高鋼的強(qiáng)度、淬透性、硬度和耐磨性。例如，在低合金鋼中加入0.8%～1.7%Mn，鋼的強(qiáng)度就能比普通碳鋼提高20%～30%。

2 金屬錳生產(chǎn)工藝介紹

目前，金屬錳的主要生產(chǎn)工藝有電解重熔法和電硅熱法，根據(jù)生產(chǎn)廠現(xiàn)有生產(chǎn)裝備條件，利用中頻爐進(jìn)行熔煉生產(chǎn)，使用電解重熔法生產(chǎn)物電解錳片為主要原材料。生產(chǎn)工藝流程為：

中頻爐熔煉生產(chǎn)工藝的優(yōu)點：(1)效率高。中頻電爐送電即可開始加熱升溫，升溫速度可達(dá)30℃/min，以3t中頻爐為例，平均每爐熔煉時間約為45min。(2)成分穩(wěn)定。用中頻爐生產(chǎn)金屬錳，金屬爐料配比確定后，產(chǎn)品成分易于控制，成分穩(wěn)定。

另外，由于中頻爐具有電磁攪拌功能，采用中頻爐生產(chǎn)的金屬錳產(chǎn)品成分均勻。

生產(chǎn)現(xiàn)場使用的金屬錳澆注成型工藝為：在方型鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部打結(jié)耐火材料的內(nèi)襯，構(gòu)成金屬錳成形的鑄型，其內(nèi)襯開口尺寸為1200mm×1200mm(見圖1)。當(dāng)中頻爐爐內(nèi)金屬錳液溫度達(dá)到約1500℃時，將金屬錳液從爐內(nèi)注入鑄型內(nèi)降溫冷卻，成形后為1200mm×1200mm×140mm的金屬錳錠。為了減少鑄型用量，金屬錳錠溫度在鑄型內(nèi)降至約1000℃時，將金屬錳錠脫模放在專用料斗內(nèi)進(jìn)行冷卻，冷卻至室溫后使用破碎機(jī)將金屬錳錠破碎至粒度為10～50mm，破碎過程中產(chǎn)生的粒度小于10mm的回爐重熔。

圖1 金屬錳鋼結(jié)構(gòu)鑄型

3 氮含量超標(biāo)原因分析

根據(jù)煉鋼的技術(shù)質(zhì)量要求，金屬錳化學(xué)成分見表1。一家鋼廠使用某廠生產(chǎn)的金屬錳產(chǎn)品后，煉鋼廠冶煉優(yōu)鋼(60Si2Mn、25CrMoA等)時加入金屬錳，在對轉(zhuǎn)爐鋼包試樣檢驗中發(fā)現(xiàn)氮元素含量超標(biāo)，見表2。按規(guī)定其轉(zhuǎn)爐鋼包內(nèi)鋼水氮元素含量要求小于0.004%，為查找原因?qū)饘馘i產(chǎn)品氮元素含量進(jìn)行了分析。

表1 金屬錳化學(xué)成分

表2 某煉鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼包氣體試樣

通過查閱相關(guān)資料得知，Qiu和Guillermet的Mn-N系計算相圖(見圖2)，錳的相變溫度：α-Mn→β-Mn→γ-Mn→δ-Mn→L依次為1000K、1373K、1411K和1519K，可以看出，固相區(qū)域的相變溫度差異較小，最大值為10K；相組成的主要差別是β相中的最大含氮量。此外，Gokcen相圖是隨溫度的降低，ξ/ξ+η相界向富氮區(qū)擴(kuò)展[2]；因此在800-1300℃范圍內(nèi)滲氮速度較快，在低于700℃則滲氮的速度變慢[3]。

圖2 Qiu和Guillermet的Mn-N系計算相圖

結(jié)合圖2可以看出，在生產(chǎn)金屬錳過程中沒有人為增氮措施，但是，金屬錳在熔煉、澆注、冷卻過程中與空氣接觸，空氣中氮含量達(dá)到78%。因此，初步判斷是由于金屬錳錠在降溫過程中會從空氣中吸附氮元素，于是對生產(chǎn)現(xiàn)場的金屬錳錠分別在不同的部位進(jìn)行取樣(見圖3)，檢測金屬錳錠的氮元素含量。

1#～4#樣品為在金屬錳錠上表面和側(cè)面取樣；5#、6#樣品為在金屬錳錠內(nèi)部取樣；7#～9#樣品為在金屬錳錠底部取樣

金屬錳錠氮元素含量檢測結(jié)果見表3、圖4，通過圖3可知，5#和6#樣品取樣位置在金屬錳錠中間，降溫過程中不與空氣接觸，氮元素含量較低，符合使用要求；除5#和6#樣品外，其余樣品取樣位置分別在金屬錳錠上表面、側(cè)面和底部，降溫過程中與空氣接觸，氮元素含量較高，從而判定金屬錳錠在降溫過程中會從空氣中吸附氮元素，造成氮元素含量增加。

表3 金屬錳氮含量 %

圖4 金屬錳氮含量分布曲線

通過分析，認(rèn)為主要原因為：

(1)鑄型內(nèi)部為耐火材料修筑的內(nèi)襯，降溫速度非常慢，為了保證生產(chǎn)節(jié)奏，減少鑄型用量，金屬錳錠溫度在鑄型內(nèi)降至1000℃時，將金屬錳錠脫模放在專用料斗內(nèi)進(jìn)行冷卻，造成金屬錳錠在降溫過程中從空氣中吸氮。

(2)金屬錳錠表面積約3.04m2、體積約為0.17m3(solidworks軟件計算)，金屬錳錠表面積較大，造成金屬錳產(chǎn)品整體含氮量偏高。

(3)破碎過程中會產(chǎn)生約10%的金屬錳渣粉，為降低金屬錳生產(chǎn)成本及提高收得率，將部分金屬錳渣粉鋪到金屬錳鑄型底部，利用高溫金屬液沖入熔化，同時也保護(hù)鑄型。但是金屬錳渣粉在加入鑄型底部經(jīng)高溫金屬液沖入后沒有完全熔化并附著在金屬錳錠上，再次破碎后形成二次金屬錳渣粉，經(jīng)反復(fù)加熱循環(huán)吸氮，金屬錳渣粉吸氮量不斷累加，氮含量在0.31%～0.53%，是造成金屬錳錠底部氮元素含量高的原因。也是金屬錳上表面樣品(1#～4#樣品)與底部樣品(7#～9#樣品)氮元素含量偏差較大的原因。

(4)鑄型深度較淺，只有240mm，如中頻爐大流出爐時會發(fā)生高溫液體噴濺，因此只能小流出爐，出爐時間長達(dá)40s，金屬錳高溫液體與空氣接觸時間較長。

4 金屬錳控氮工藝設(shè)計和優(yōu)化

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場需求，對金屬錳產(chǎn)品氮元素含量偏高的問題，須從生產(chǎn)工藝分析解決。針對發(fā)現(xiàn)的問題點，對金屬錳生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。

4.1 金屬錳成型金屬型改進(jìn)

將鋼結(jié)構(gòu)金屬錳鑄型更改為鐵質(zhì)金屬型，由1200×1200(mm)方形鑄型改為Φ980×900(mm)圓形金屬型(見圖5)，金屬錳錠表面積約2.03m2、體積約為0.22m3(solidworks軟件計算)，增加了體積，金屬錳錠的表面積比原鋼結(jié)構(gòu)金屬錳鑄型的表面積減少了33.2%。

圖5 金屬錳金屬型示意圖

由于圓形金屬型深度比方形鋼結(jié)構(gòu)鑄型深度深，因此在中頻爐出爐時只需在圓形金屬型沖擊區(qū)做相應(yīng)防護(hù)外，即可大流出爐，無需擔(dān)心出爐時高溫液體噴濺問題，每爐出爐時間由40s縮短至25s，減少出爐時金屬錳高溫液體與空氣接觸時間，降低了增氮的機(jī)率。

4.2 冷卻工藝改進(jìn)

金屬錳高溫液體倒入金屬型內(nèi)后，溫度降至1300℃時開始往金屬錳錠表面噴水霧冷卻，一方面可以快速將金屬錳錠表面溫度降至700℃以下，加速整個金屬錳錠的冷卻速度；另一方面水霧還可以起到較好的隔絕空氣的作用，減少金屬錳降溫過程中吸氮增氮的傾向。金屬錳錠噴水霧冷卻至400℃以下脫模。

4.3 金屬錳渣粉回收工藝改進(jìn)

在金屬型內(nèi)不再加入金屬錳錠破碎渣粉，金屬錳渣粉全部回爐重熔，或用于生產(chǎn)其它產(chǎn)品時回收利用，避免了金屬錳渣粉反復(fù)加熱循環(huán)吸氮的問題。

5 改進(jìn)取得的效果

金屬錳生產(chǎn)工藝優(yōu)化改進(jìn)后，在2021年3月生產(chǎn)420t金屬錳，送至煉鋼廠120t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行試驗，轉(zhuǎn)爐鋼包內(nèi)鋼水氮元素含量檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 某煉鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼包氣體樣

煉鋼廠從2021年4月1日開始使用本廠生產(chǎn)工藝調(diào)整后的金屬錳產(chǎn)品，轉(zhuǎn)爐鋼包內(nèi)鋼水氮含量明顯降低，降幅37.04%，氮含量檢測結(jié)果都在0.004%以下，達(dá)到了煉鋼廠對金屬錳含氮量的技術(shù)質(zhì)量要求。

截止2021年12月，累計生產(chǎn)金屬錳8533t，其含氮量均在0.0035%以內(nèi)，質(zhì)量穩(wěn)定，煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場未發(fā)生過質(zhì)量異議。

6 結(jié)束語

金屬錳錠生產(chǎn)廠工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的金屬錳產(chǎn)品，完全滿足煉鋼廠生產(chǎn)的質(zhì)量要求，目前，已實現(xiàn)金屬錳錠的穩(wěn)定供貨。

金屬錳錠生產(chǎn)廠通過降氮工藝改進(jìn)的實踐，為企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)此類產(chǎn)品，積累了寶貴的經(jīng)驗。特別是金屬錳鑄型改進(jìn)、高溫金屬錳液噴水霧冷卻等降氮工藝措施的實施，對今后的新產(chǎn)品開發(fā)具有十分重要的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。