中碳含硼钢氮含量的控制

彭其春，童志博，陈立鹏，杨 柳，彭明耀，周春泉，陈建新

（1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081；2.湖南华菱涟源钢铁集团有限公司，湖南 娄底，417009）

我国硼资源丰富，在钢中添加少量的硼元素便能替代部分贵重元素，使钢材获得优良的机械性能，因此，我国正大力推进含硼钢的研究开发。但含硼钢也有一个非常致命的缺点，即含硼钢的裂纹敏感性较强，硼含量的微小变化就会引起钢坯产生较大的缺陷［1］，如板坯边部裂纹等。湘潭钢铁集团有限公司在生产45B含硼钢过程中，通过采取降低钢水中N含量等措施将裂纹发生率由原始工艺的17.7%降至3.1%［2］。湖南华菱涟源钢铁集团有限公司（以下简称涟钢）210厂在生产中碳含硼钢A36－LB过程中铸坯角部裂纹严重，为有效地控制角部裂纹的发生，特向钢中加入Ti元素以控制氮含量，取得良好的效果。可见有效控制钢中氮的含量对控制铸坯角部裂纹有非常积极的作用。本文拟通过研究涟钢210厂生产中碳含硼钢在LF精炼—连铸过程中氮含量的变化，分析氮含量的控制现状，确定其主要增氮位置，并提出相应的氮含量控制措施。

1 取样及检测方法

在涟钢210厂中碳含硼钢A36－LB生产线上，用取样器分别于钢包进站、第一次送电、加合金、第二次送电、出站、中间包和结晶器处各取样1～2个，车削加工成φ5mm×15mm的圆柱试样，用美国LECO公司的TC－500氧氮测定仪（精度为0.1×10－6）测定各试样中的氮含量。

2 结果与分析

对涟钢生产A36－LB钢取第三、第四炉钢进行氧氮分析实验，结果如图1所示。由图1中可知，从进LF精炼站到结晶器处钢水中总共增氮量约为12×10－6。在钢水进入LF精炼站时，氮含量在16×10－6～23×10－6范围内波动，表明转炉出钢时氮含量的控制不稳定；LF精炼环节在整个工序中增氮最多，约为11×10－6，而一般情况下LF精炼过程增氮量的较好水平应为小于5×10－6，表明涟钢LF精炼过程中增氮较多。另外，中间包到结晶器环节钢中增氮约2×10－6，表明连铸保护浇铸较好。涟钢2011年7、8月份统计的该生产线不同工序氮含量的光谱分析平均值为：氩站终点16.8×10－6，LF精炼站终点26.7×10－6，铸坯中27.1×10－6，与氧氮分析的结果相一致。

图1 各工序钢中的氮含量Fig.1 Nitrogen contents in steel sample in each stage of the process

涟钢生产A36－LB钢的工艺流程为BOF－LFCC，在整个工艺流程中，除了转炉脱氮外，其余工序均为增氮工序，故为了控制钢中氮含量，应该在转炉中将氮含量控制在较低水平，并且减少精炼、连铸等工艺过程的增氮量。

3 讨论

3.1 吸氮理论计算

在1600℃的冶炼过程中，氮在钢液中的溶解度公式［3］为

式中：w［N］为氮在钢中的溶解度，cm3／100g，1cm3／100g溶解度对应的氮的质量分数为0.00125%。

表1为2011年7、8月份涟钢A36－LB钢生产不同工序钢中各元素的质量分数（平均值）。根据表1数据，由式（1）计算可得，A36－LB钢在冶炼过程中钢液氮的溶解度为425×10－6～428×10－6。但是，钢液中实测的氮含量远低于此值，并且连铸钢液脱氧、脱硫良好，氧、硫对钢液吸氮没有阻碍作用，只要钢液与大气接触就会吸氮［4］，这表明试验炉次各工序钢中氮含量均远未达到饱和，各工序过程中吸氮的驱动力很大。

表1 A36－LB钢不同工序时各元素质量分数的平均值（wB／%）Table1 The average element contents of steel in each process

3.2 转炉控氮

涟钢生产A36－LB钢采用底吹氮氩切换模式，虽然转炉终点没有取样检测氮含量，但一般情况下，氩站吸氮极少。图2所示为钢液在氩站时氮含量的光谱分布图。由图2中可知，氩站钢液氮含量约为23×10－6，这与实验所测进入LF精炼站的两炉钢含量为16×10－6和23×10－6相差不大，由此推测从转炉到氩站氮含量是满足要求的。同时由图2中可见，氩站氮含量波动较大，这也表明转炉出钢时氮含量波动较大。

图2 氩站氮含量Fig.2 ［N］distribution in steel in Ar station

转炉终点碳含量对终点氮含量的影响如图3所示。由图3中可见，终点氮含量随转炉终点碳含量的升高呈明显下降趋势。这是因为转炉冶炼过程中，钢液脱氮主要是依靠C－O反应生成的CO气泡将氮携带出钢液。吹炼开始，氧气射流冲击钢液面形成的火点（凹坑）是主要的反应区，熔池中硅先氧化，碳氧反应还未开始，脱氮速率很小。随着吹炼的进行，火点区温度升高，钢液中碳氧反应增强，熔池产生大量CO气泡将钢液中的氮脱除。在火点区温度下，钢液中氧、硫对脱氮的影响完全可以忽略，火点区虽然存在吸氮现象，但由于碳反应生成的CO量多，其压力大于外界空气压力，使空气难以与钢液接触，脱氮量大于吸氮量，脱氮速度迅速增大，到某一时刻达到最大值。随着碳氧反应强度的降低，生成的CO量减少，外部空气压力大于CO压力，这时空气就有可能与火点区的钢液接触，造成钢液的吸氮，脱氮速度逐渐降低，在某时刻脱氮速度变为负数，意味着此时钢液内脱氮变为增氮［6］。因此，采用适当的转炉吹炼终点高拉碳工艺可以降低终点氮含量。

图3 转炉终点碳含量与终点氮含量的关系［5］Fig.3 Effect of［C］on［N］for steel in BOF endpoint

图4所示为涟钢在2011年7、8月份生产的A36－LB钢在转炉终点的碳含量。由图4中可见，涟钢该阶段生产的A36－LB钢碳含量控制不稳定，这导致转炉终点钢中氮含量不稳定。另外，虽然转炉终点碳含量高可以降低钢中氮含量，但同时也会导致钢中磷含量增高，如图5所示。这是由于，从热力学角度来看，氧化条件是有利于脱磷的，而转炉终点碳含量高，会导致氧含量低，不利于磷与氧结合后被去除。涟钢生产要求转炉终点w［C］＝0.06%～0.14%，故建议提高转炉终点命中率，稳定碳含量在内控成分的较高范围内。

图4 转炉终点钢中碳含量分布Fig.4 ［C］distribution in steel in BOF endpoint

图5 转炉终点磷含量与碳含量的关系Fig.5 Relationship between［C］and［P］for steel in BOF endpoint

3.3 LF精炼过程控氮

图6所示为LF精炼末期钢中的氮含量。对比氩站钢中氮含量可知，LF精炼末期钢中氮含量增加较多，这与前面分析LF精炼增氮最多结论一致。钢液中氧含量和硫含量越低，吸氮越严重，只要钢液与大气接触就会引起钢液增氮；而氮在渣中的溶解度很低，只要保证渣层均匀覆盖在钢液表面就可以有效防止吸氮［7－10］。在LF炉精炼后期喂Ca－Si线过程中，钙气化形成的钙气泡会吹开钢液面而使钢液吸氮；但如果渣层较厚，钢液面不被吹开，就有可能避免裸露钢液吸氮［5］，另外，硅钙线、增碳剂中的氮含量也会使钢液中氮含量增加［11］。

图6 LF精炼环节钢中氮含量Fig.6 ［N］content in steel in LF refining

电弧区的钢水裸露在空气中吸氮是LF精炼阶段吸氮的一个重要原因，因此必须造好泡沫渣，保证起渣快，缩短冶炼时间，确保埋弧效果佳；在泡沫渣形成前，使用小电流、小电压操作，随着泡沫渣的形成，依次提高电极的电流和电压；LF渣料的加入也要避免一次添加量过大，避免造渣速度慢，形成渣料堆积，影响脱硫效果［11］。另外，钢包底吹氩的时间、压力及状态均对增氮有影响［11－12］。

由图1可知，在加合金过程中钢中氮含量并没有很明显的增加，故推测原材料增氮并不是主要原因；而经过第一次电弧加热后，第三、第四炉钢中氮含量分别由进站的16×10－6和23×10－6增至23×10－6和25×10－6左右，可见电弧加热过程增氮较为严重，这可能是由于在LF精炼泡沫渣未形成前，操作中使用过大的电流、电压导致的钢液增氮。

3.4 连铸过程控氮

图7 连铸坯氮含量Fig.7 ［N］content in steel in slab

图7为连铸坯氮含量分布图。为了防止连铸过程的二次氧化和吸氮，钢厂普遍采用保护浇铸。钢液由钢包到中间包过程，如果是长水口氩封保护浇铸，钢液吸氮量为3×10－6；钢液由中间包到结晶器采用浸入式水口及保护渣，增氮量小于2×10－6，因此在一定条件下，钢液在连铸过程的增氮量应为5×10－6［10］。由涟钢实际测量氮含量来看，连铸环节钢中增氮较少，即控制较好，但连铸终点钢坯中氮含量波动较大（见图7），这将会导致氮与硼、钛、铝等合金在铸坯中形成的氮化物不同，影响产品性能的稳定性，实践证明，涟钢在氮含量变化较大的情况下，铸坯强度波动较大。

4 结语

（1）涟钢A36－LB钢生产中，转炉终点碳含量控制不稳定，导致转炉终点和最终的钢产品中氮含量波动较大；转炉终点碳含量高可使钢中氮含量降低，但同时也会导致磷含量升高；精炼环节增氮较多，其主要原因是电弧加热的操作过程中，在精炼泡沫渣未形成前使用过大的电流、电压引起的；连铸环节钢中增氮较少，但连铸终点钢中氮含量的波动较大。

（2）稳定控制涟钢A36－LB钢生产中转炉终点氮含量的措施主要有：稳定转炉终点碳含量在内控成分的较高范围内；在LF炉精炼过程中保证渣层均匀覆盖在钢液表面，在后期喂Ca－Si线时，使渣层较厚从而避免裸露钢液吸氮；造好泡沫渣，保证起渣快，缩短冶炼时间，确保埋弧效果佳；出钢前2min提前进行钢包底吹氩，同时在出钢过程中关小底吹氩气量并进行软吹。

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