F38MnVS非调质钢增氮工艺研究

张君平

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 100083；2.山钢股份莱芜分公司特钢事业部 山东 莱芜 271104)



F38MnVS非调质钢增氮工艺研究

张君平1,2

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 100083；2.山钢股份莱芜分公司特钢事业部 山东 莱芜 271104)

采用50 t电弧炉-50 t LF-60 t VD-180 mm×220 mm方坯连铸-热轧工艺生产F38MnVS非调质钢,在钢水入VD炉真空处理前加氮化锰线进行增氮操作，轧材后钢中氮含量稳定控制在(126-136)×10-6钢材的力学性能、低倍组织、非金属夹杂物含量均满足用户要求。

F38MnVS; 非调质; 增氮

1　引　言

微合金化是非调质钢生产的关键技术。通过向钢中加入微量元素V、Ti等，通过控锻(轧)工艺，使合金元素以C、N化合物弥散析出，使钢达到调质强度水平，从而省去调质处理，简化了生产工序，节约能源，并具有一定经济效益[1]。因此非调质钢目前被广泛应用于生产汽车连杆、曲轴等零部件。氮是含钒微合金非调质钢中一个十分有效的合金元素，在钢中主要以化合物的形式存在，随着钢中氮含量的增加，进一步增强了钒的沉淀强化作用，大幅提高钢的强度。据资料表明：在含钒中碳钢中，氮含量从0.004%增加到0.016%，屈服强度提高110 MPa，抗拉强度提高60 MPa[2]。由于氮在钢中的溶解度很小，因此研究提高钢中氮的溶解度，增加钢中氮含量是生产含钒微合金非调质钢的关键。本文结合莱钢50t电炉短流程生产线现有的工装设备，在生产含氮非调质钢F38MnVS时对钢水增氮操作进行以下研究试验。

2　F38MnVS钢主要化学成分要求

表1　F38MnVS化学成分表/%

3　短流程生产各阶段氮含量控制现状

理论研究表明：氮在液态铁中的溶解度遵循Sieverts定律，在1 600 ℃，常压状态下，液态金属铁中氮的极限溶解度为0.045 1%。影响钢液中氮的溶解度主要受钢的晶体结构、温度和氮气分压力及合金元素等因素的影响[3]。在炼钢过程中，氮随着炉料及合金带入钢水中，当原料中配加铁水时，铁水中的氮同样会成为钢中氮的来源。另外钢液也能在冶炼过程中直接从大气和炉气中吸收一部分氮，并以各种不同的形式中残留在钢中。

莱钢50 t电炉短流程炼钢系统主要工装设备包括：1座50tEBT电弧炉，出钢量50 t，1座50tLF精炼炉，1座60 t VD真空炉(单罐)。其冶炼工艺流程为：配料-50 t电弧炉冶炼-50 t LF精炼-60 t VD-连铸。

50 t电弧炉基本配料结构为65%铁水+35%废钢，石灰加入量35 kg/t左右，电炉配有四支炉壁集束氧枪，冶炼泡沫渣操作，完成脱磷、脱碳任务后，出钢温度控制在1 620～1 660 ℃之间，EBT挡渣出钢，出钢过程加入脱氧剂、渣料及合金，完成预脱氧及合金化，整个冶炼周期45 min左右。

钢水到50 t LF精炼工位后，调整好氩气流量，在保持渣面微动的情况下通电加热，依次加入脱氧剂(碳粉、SiC)进行扩散脱氧。在还原性气氛形成，炉渣流动性良好的情况下喂入铝线沉淀脱氧，搅拌均匀后取样分析；根据成分分析结果，进行成分微调，当成分和温度达到要求时出钢，白渣保持时间不低于20 min，出钢前喂入钙线进行钙处理；整个精炼周期不低于35 min，LF出钢进入VD工位前扒渣1/3-1/2，67 pa以下真空保持时间9～15 min，破空后钢水软吹15 min左右，上连铸浇注。

连铸过程采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，钢包与中间包之间采用长水口保护浇注，中间包钢水过热度控制在15～25 ℃；塞棒控制浇注，液面高度稳定在700±50 mm；浇注过程保护浇注，并使用专用保护渣保持黑渣面操作。

钢水在冶炼过程中不同阶段的增氮量是不断变化的，要完成对钢水的增氮任务，首先要研究钢中氮在不同冶炼时期的变化规律，通过对生产36 Mn2V油井管用钢时多炉次取样分析不同阶段钢中氮含量的变化情况，描绘出氮含量的变化趋势如下图1所示。

图1　生产36Mn2V钢时各阶段氮含量的变化趋势

由图1可见，电炉终点至LF炉精炼至LF炉结束(VD炉真空处理前)，钢液中的氮含量是增加的；VD炉真空处理前至VD炉真空处理后，钢液中的氮含量总体是降低的，VD炉真空处理后至连铸中间包至成品材(连铸坯)，钢中的氮含量增加。

4　钢水增氮试验研究

4.1钢水增氮方案的确定

目前开发的增氮工艺有多种，其中工业化生产中最常用的主要有两种，一种是固体含氮合金加入法，该法主要通过向钢液中添加含氮铁合金，如Mn-Fe，Cr-Fe，V-Fe等，另一种是通过向钢中吹入氮气来实现氮的合金化。

目前莱钢50 t电弧炉短流程生产线生产的成品材中检验出的氮含量基本控制在0.006 5～0.009%范围内，氮含量相对偏高，增氮优势较为明显。所生产的非调质钢38MnVS对氮含量要求范围是0.012～0.020%，因此确定非调质钢F38MnVS增氮方案为：首先要提高精炼钢水的初始氮含量，其次是在LF精炼后期对钢水VD真空处理前，采用向钢液中加入氮化合金的方式对钢液进行增氮，从而达到非调质钢对氮含量要求。

环境生态学是高等院校环境科学专业的一门重要核心必修课，是伴随着环境问题而产生的综合性学科，它提供了综合、定量和跨学科的方法来研究环境系统，具有多学科相互交叉渗透的特点[1]。对于我国发展过程中出现的新环境问题，如何开设好环境生态学课程，如何结合实践对环境生态学课程进行创新和改革，意义重大。

4.2钢种初始氮含量的控制措施

由于目前电炉采用高铁水比冶炼，铁水兑入比例达65%，脱碳量大，熔池激烈的碳氧沸腾，电炉出钢前终点氮含量基本在40 ppm以下。因此为提高钢中的初始氮含量，主要从电炉出钢至VD真空处理前这阶段进行控制，制定出钢液增氮措施主要包括以下几方面：

(1)电炉出钢过程钢液增氮的控制措施。电炉出钢过程需要完成渣料、脱氧剂及合金加入。根据不同合金的氮含量，选择加入氮含量高的合金可提高钢中氮含量。根据F38MnVS钢硅、锰成分要求，电炉出钢时适当增加氮含量高的硅锰合金加入量，同时电炉出钢时加入铝脱氧剂，确保脱氧效果，降低因钢中溶解氧含量高对过程吸氮的影响。

表2　部分合金的含氮量情况%

(2)LF精炼过程钢液增氮的控制措施。研究表明，在原材料基本相同的情况下，LF炉冶炼过程主要是电弧区增氮。LF加热过程中，石墨电极与钢渣之间产生高温电弧，电弧的温度可高达几千摄氏度，高温电弧使周围的空气电离，造成钢水增氮。由于电炉出钢过程加铝强脱氧，进入LF工位的钢液氧含量已较低，为钢液吸氮创造了条件。

为提高钢水在精炼过程的氮含量，在整个精炼阶段，通过合金下料孔处连接的氮气管道向LF水冷炉盖内全程吹入氮气，确保精炼气氛始终保持一定的氮分压，并在保证稳弧的前提下，尽可能增加氩气流量，并增加非送电时间内的搅拌功率来增加精炼过程钢水增氮量。

4.3采用含氮合金增氮的控制措施

为确保试验过程中合金的增氮效果，项目研究选择了采用氮化锰包芯线，其牌号及化学成分如下表3所示。试验时氮化锰线在钢水经VD真空处理前加入，充分考虑好加入氮化锰线对钢液锰成分增加量，根据加入量计算出增锰量，并在LF出钢前将钢中锰含量控制在合适范围内。

表3　氮化锰包芯线牌号及理化指标

由于该钢种对硫含量控制严格，钢水入VD炉前需扒渣1/2～2/3，试验时氮化锰线在钢水VD真空处理前按5 m/t加入，硫铁线按4 m/t加入。 钢水在67 Mpa以下VD真空处理时间9 min以上；值得注意的是钢水在VD工位加入氮化锰线和硫线过程中，钢水会出现翻腾激烈现象，钢水温降在10 ℃左右，因此LF要根据钢包状况控制好出钢温度，确保钢水温度能够满足VD真空处理及连铸生产过程要求。

4.4钢水增氮试验及结果分析

本批次F38MnVS试验生产4炉次，试验序号分别编号为1#、2#、3#、4#炉次，为研究钢水增氮效果，每炉在加入氮化锰线前后各取一支试样；VD破空后取一支试样；钢材轧制后在成品材一支试样，对所取试样加工后分析氮含量。

通过对加入氮化锰合金前后、VD真空处理后及轧材进行取样分析氮含量，并计算出各阶段氮含量收得率，试验数据如下表4-5所示：

表4　加入氮化锰合金试验数据及结果

表5　各阶段钢水增氮结果计算

由表4-5数据计算出各阶段钢水增氮结果如下：加入氮化锰线前，钢液初始氮含量平均为75.5 ppm，加入氮化锰线后，钢液平均氮含量为159.75，增氮量平均为84.25 ppm，含氮合金氮的收得率平均为53.49%，但钢水经VD真空处理时脱氮量较大，平均脱氮量38.5 ppm，脱氮率达到23.92%，但连铸过程是增氮的，增氮量在8～15 ppm范围内，一定程度上弥补了VD过程的脱氮量；根据VD后成品氮计算氮的收得率达到29.21%左右，与加氮化钒铁增氮相比，氮收得率提高13.21%；从试验炉次轧材反映的氮含量情况看，成品材氮含量平均130.5 ppm，完全达到了非调质钢对氮含量的要求。

4.5实物质量分析

F38MnVS经连铸生产成180×220 mm矩形坯，再经过轧制成Ф50 mm规格的圆钢，按标准取样分析，经检验钢材的力学性能、低倍组织和非金属夹杂物及F38MnVS金相组织及钢中非金属夹杂物形貌及能谱分析结果均符合相应规定，检测结果如表6-8，图2及图3。

表6　F38MnVS钢的力学性能

表7　F38MnVS钢的低倍组织检测结果

表8　F38MnVS钢非金属夹杂检测结果

图2　F38MnVS钢材金相组织

5　结　语

(1)通过对F38MnVS钢增氮过程试验研究，电炉出钢过程配加含氮量高的合金，LF精炼过程向LF水冷炉盖内全程吹入氮气，增加精炼炉盖内的氮分压，提高钢水中初始氮含量。

(2)采用VD前喂氮化锰线控氮的操作方法，稳定了钢中[N]含量的控制范围，加入氮化锰线后增氮量平均为84.25 ppm，含氮合金氮的收得率平均为53.49%，但VD过程脱氮量较大，平均脱氮量38.5 ppm，脱氮率达到23.92%。

(3)生产实践表明：莱钢短流程试生产的F38MnVS非调质用钢，通过合理的工艺和过程控制，钢中氮含量得到稳定控制，钢材经轧制后检验，其力学性能、低倍组织和非金属夹杂物水平均达到了用户要求，实现了批量化生产要求。

图3　钢材非金属夹杂物形貌及能谱分析结果

[1]王小红，谢兵. 国内外易切削钢的现状和研究发展.特殊钢，2005(4)：26.

[2]Nikolaev O A，Komilov V L，Morozov Y D．Evaluating the quality of new microalloy steel for large-diameter pipe．Steel in Translation，2007，37(2)：180-184.

[3]干勇,刘浏,张家泉,等.品种钢、优特钢连铸900问[M].北京:中国科学技术出版社,2007:119-134.

Process Study on nitrogen pick-up in Non-Quenched and Tempered Steel F38MnVS

ZHANG Junping1,2

(1.Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology,Beijing 100083； 2.SThe Special Steel Plant of Laiwu Breach Company,Shandong Iron and Steel Co.,Ltd., Laiwu 271105,Shandong)

The Non-Quenched and Tempered Steel F38MnVS were produced by 50t EAF-50t LF-60t VD-180 mm×220 mm bloom concasting-hot rolling process;The Manganese nitride wire is added into the steel to increase the nitrogen content before the molten steel into the VD furnace vacuum treatment．After rolling the nitrogen content in the steel can be controlled consistently in the range of (126～136)×10-6The examination results showed that the mechanical properties、macrostructure and structure non metallic inclusion all met the requirement of consumer.

F38MnVS; non-quenching and tempering; increasing nitrogen content

张君平(1981- ),男，山东安丘人，研究生学历，工程师，从事电炉炼钢工艺研究.

TG161

A

1671-3818(2016)01-0001-05