CO2 气保焊丝ER70S- 6 钢控氮机理分析

胡井涛，王 显，朱祥亮

（河北钢铁股份有限公司唐山分公司第二钢轧厂，河北 唐山 063016）

ER70S-6 钢盘条是CO2气体保护实心焊丝的主要原料。目前已在汽车制造、机车和化工机械、农业机械等部门得到广泛应用。气保焊丝钢为满足客户不经过中间退火，直接由Φ5.5 mm 拉拔至Φ0.8 mm的要求，必须做到化学成分均匀，非金属夹杂物低，钢质均匀，金相组织均匀。生产实践证明氮含量对气保焊丝的拉拔性能影响巨大[1]。氮作为固溶强化元素，能够提高钢材的强度，作为间隙原子，会显著降低钢材的塑性、韧性，使钢材的脆性增加，提高拉拔过程的机械性能，降低拉拔过程的面缩率[2]。因此，控制气保焊丝钢生产过程氮含量就显得尤为重要。

1 氮在钢中的溶解度

1.1 铁水中氮的溶解度

氮的溶解反应[2]：

服从西华特定律：

式中：KN为氮分压为100 kPa 时，纯铁液中的氮溶解度反应的平衡常数；PN2为纯铁液外的氢分压，kPa。

KN与绝对温度间关系可表示：

氮在纯铁中的溶解度与温度和分压的关系：

氮的溶解度可表示[4]：

式（3）在计算溶解度时适用于不产生氮化物的钢液。也可以看出，氮在铁水中的溶解度受元素影响，铁水中由于碳含量高，氮含量（质量分数）一般在（40～60）×10-6。

1.2 转炉吹炼过程氮的溶解度变化

转炉吹炼过程中各元素被分步氧化，含量逐渐降低。冶炼ER70S-6 钢315 炉次终点的成分平均值如表1 所示。

表1 ER70S- 6 样本终点成分平均值 %

转炉吹炼过程各元素含量不断降低，由于铁水V、Cr 含量远低于C 含量，根据式（3）可以得出，钢水中氮的溶解度呈现增加的趋势，吹炼至终点时钢水中饱和氮溶解度＞300×10-6，考虑合金化时氮化物的生成，钢水中的氮的溶解度会更高。实际生产过程，转炉终点w（N）＜50×10-6，远未达到饱和氮溶解度，钢水与空气接触，吸氮是自发进行。

2 氮含量控制

气保焊丝ER70S-6 钢中氮主要来源于自身的氮（铁水自身及原料加入带入）和与空气发生的自发吸氮反应（如在拉碳、出钢等冶炼过程）。由于此钢种的冶炼过程中不进行真空处理，提高转炉炼钢过程碳氧反应脱氮作用就显得尤为重要。

2.1 转炉炼钢脱氮

碳排出速度与脱碳反应速率的关系式[5]：

栽培是中药材GAP管理的重要内容,对药材道地性和稳定性有着重要作用。针对甘草多年来栽培不科学问题,本研究在保证各栽培措施相同的前提下,设立了4个不同播种时间,以产量和各项生长指标作为评价因子,确定甘草的最佳育苗播种时期。试验结果表明：播种期对甘草的出苗及生长成苗、产量等都有影响，其中对生长成苗和产量影响较大。播种期过早，甘草苗在萌发、出苗及前期叶片迅速生长期易受环境低温影响；适当推迟播种期，甘草苗受春季低温影响较小，甚至不受影响，叶片迅速生长形成，同化器官形成良好，有利于形成较高的产量。综合分析可以看出，甘草露地育苗最佳播种期应选择5月中旬—6月底。

脱氮与脱碳密切相关。脱碳产生的CO 气泡为脱氮提供了反应界面的同时还减少了氮分压，可以说CO 量是影响脱气的关键。

由式4 可以得出，脱碳反应速度决定脱氮反应速度，脱碳持续时间决定脱氮反应时间。吹炼前期为锰硅脱氧反应，不进行脱氮反应；吹炼中期随着温度升高，碳氧反应速度增加，产生的CO 量增加，脱氮反应不断加剧；吹炼后期，随着碳含量的降低，碳氧反应逐渐减弱，虽然钢水中的氧含量逐渐升高占据氮氧反应界面，但吹炼反应界面温度高于2 600 ℃，钢水中氧对脱氮、吸氮的影响减小，基本可以忽略，吹炼过程钢水卷入空气后，会出现自发吸氮现象[3]。

废钢内的碳含量远低于铁水的碳含量，所以提高铁水比例有力于提高熔池中的碳含量。但是，过高的铁水比例会造成物理热化学热过大，吹炼过程温度过高，反应剧烈，造成温高反干，使钢水暴露在空气下，后期碳氧反应减弱时反而容易造成吸氮，同时会造成终点成分不合，给操作带来困难。如表2 所示，对废钢加入比例进行优化，废钢从原来的85%提高至92%左右，最大限度的提高熔池反应。

表2 废钢比与终点氮（质量分数）的影响

由于转炉吹炼后期碳含量降低，吹炼过程存在吸氮反应，终点碳含量对转炉终点氮存在影响如图1。终点碳为0.11%时，终点氮最低为20×10-6；随着终点碳的降低，碳氧反应减弱，终点氮逐渐增加，终点碳为0.04%时，氮含量为30×10-6；随着终点碳升高，碳氧反应产生CO 脱碳作用未充分发挥，终点氮也会增加。由于气保焊丝ER70S-6 钢成品w（C）≤0.1%，LF 炉精炼和浇铸过程存在增碳现象，终点C控制目标不能过高要求0.030%～0.055%，低碳出钢控制钢水基础氮含量显得尤为重要。

图1 终点碳对钢水氮含量影响图

吹炼终点碳低状态下，钢水吸氮主要是吹炼过程钢水卷入空气，空气中的氮与钢水发生界面反应造成的氮含量增加。保证吹炼中后期化渣效果，钢液表面良好的泡沫渣可有效隔绝钢水，有利于降低钢水基础氮，吹炼中期发现炉渣返干，及时提高枪位，加入适量铁皮球或矿石降低熔池温度减缓熔池碳氧反应，提高渣中氧化铁含量，促进化渣形成泡沫渣；吹炼后期炉渣返干，吊枪化渣，加入铁皮球，强行化渣，提高泡沫渣覆盖效果。

倒炉取样测温的前提是减弱泡沫渣发泡效果，如果一倒成分不合再次吹炼时，空气会伴随着吹炼过程混入钢水，由于此时钢水碳较低同时泡沫渣薄，碳氧反应脱氮效果低，钢水中的氮含量会增加。统计96炉冶炼数据，按补吹时间长短，以10 s 为区间进行分组，如图2 所示补吹时间与终点增氮量关系。补吹时间与终点增氮量基本成正比，补吹时间大于60 s，增氮量大于16×10-6。吹炼过程保证全程化渣效果，根据碳火焰判定一倒，保证磷、碳一倒合格，此外禁止倒炉前用氮气吹扫渣子，防止增加氮分压，钢水增氮。

图2 补吹时间与增氮量关系

转炉底吹氩气可以在钢液中形成小气泡，减少氮分压，同时可以提高熔池搅拌强度，有助于气泡上浮。吹炼前期温度低，碳氧反应较小，氮的溶解度变化不大，氮的界面反应速度低，氮分压的高低对吸、脱氮影响不大；随着碳氧反应加剧，溶解度逐渐增加，温度升高，氮的界面反应速度增加，降低氮分压有助于脱氮，所以底吹氩气有助于脱氮。同时考虑到氮气和氩气成本，冶炼气保焊丝ER70S-6 钢时选择氮氩切换。下页表3 为氮氩切换时间与终点氮的关系，从表中可以看出，3 min 与5 min 进行切换时，对终点氮影响不大，基本保持在24×10-6左右；7 min 进行氮氩切换，终点氧有所提高。现场实际吹炼过程产生碳火焰在开吹3～4 min，氮氩切换时间设定为开吹5 min 进行切换，可以达到随着碳氧反应深入进行，氩气泡和CO 气泡共同作用进行脱氮。

表3 氮氩切换时间与终点氮（质量分数）的影响

2.2 出钢过程吸氮控制

钢液吸氮是由三个步骤决定：气体向钢液表面扩散；吸附化学反应；气体原子在钢液中扩散。转炉出钢过程N2在钢液表面的吸附是N2在钢液中溶解的限制环节时，氮的溶解速度[3]：

式中：kN为氮在钢液表面的吸附反应速率常数；1-θN为钢液表面未被吸附物占据的面积分数（1-θN=ks，ko为吸附常数）。

氮在钢液中的溶解速度与氮的分压及界面上未被占据的活性点数1-θN成正比。

气保焊丝ER70S-6 出钢前后硫变化不大，由于终点w（C）要求较低＜0.05%，终点w（O）较高（800～1 000）×10-6，经过出钢过程的脱氧合金化进行脱氧反应，w（O）控制在30×10-6，在此过程氮的溶解速度提高20～30 倍。因此，出钢时，钢水从转炉至钢包过程，钢水氧含量高，钢水单位面积与空气接触时间短，钢水吸氮不大；但钢流的高速运动将空气带入钢水包内，随着钢水运动，空气变成细小气泡，加大了与钢水接触面积，随着钢水氧含量的降低，提高了氮的溶解速度，成为出钢过程增氮的控制环节。出钢过程脱氧剂及合金料要求晚加，出钢量达到1/2 后加脱氧剂及合金料，同时不可大气翻包，小气量控制气眼，减少脱氧后与空气接触吸氮。同时，脱氧强度不要过深，LF 精炼分担脱氧任务，有利于降低钢水氮含量，如表4 所示。

表4 脱氧与钢水氮的关系 ×10- 6

2.3 LF 精炼过程控氮

LF 精炼流程：化渣—升温—成分微调—软吹。

钢水进站后加入造渣料后通过电弧产生高温逐步熔化，由于此时渣料未熔化渣层较薄，产生弧光区域温度＞2 000 ℃，空气中被电离的氮，与钢水接触后极易吸氮。随着渣料熔化，通过加入发泡剂和还原剂作用，精炼渣发泡埋弧加热，此时由于产生还原气体及底吹氩气作用将空气进行隔绝，钢水吸氮效果减弱。由于成分偏差需要进行成分微调，合金加入后为保证成分均匀需要大气搅拌，搅拌过程一般不伴随起弧，此时水冷炉盖内的还原、惰性气氛补充较少卷入空气，钢水吸氮量增加。钢水中的氧在LF 炉精炼过程进一步降低，软吹过程钢水与空气接触后更容易吸氮。

1）转炉出钢1/2 后时加入石灰，通过钢流冲击、底吹搅拌将造渣料充分熔化，缩短LF 炉化渣时间；化渣过程加入50～60 kg 发泡剂，通过发泡剂分解反应产生CO2气体隔绝空气，可以降低化渣吸氮量（如表5 所示）。

表5 石灰与钢水氮的关系

2）提高成分微调一次命中率，减少成分调整次数，缩短大气搅拌造成钢水卷入空气和与空气接触时间，可有效降低钢水接触氮的量，从而降低钢水增氮。

3）LF 生产节奏紧凑可以有效减少大气翻包和降电极起弧次数，减少钢水与空气接触时间，图3为精炼周期与出站氮含量关系图，LF 炉精炼周期＜55 min，出站w（N）高于50×10-6几率减小。

图3 精炼周期与出站氮含量关系图

通过以上措施的落实，LF 炉精炼过程增氮量控制在5×10-6以内。

2.4 连铸浇铸过程控氮

气保焊丝ER70S-6 在浇铸时钢水氧、硫含量低，由式（3）、式（5）可以得出钢水吸氮是自发反应，同时吸氮反应速率高。保证浇注过程有效隔绝钢水与空气接触是控制吸氮的必要手段。中包开浇前进行氩气吹扫，保证中包开浇前中包内部为氩气环境，可降低开浇过程钢水与空气接触量，防止头坯氮高。浇铸过程采用氩封铝碳长水口保护浇注，防止钢水在浇注过程与空气接触吸氮；保证长水口垂直，插入深度100～200 mm，中包液面不得低于500 mm，防止浇注过程钢水翻腾；大包不自流时，需要烧眼引流，钢水下流后方可带长水口，钢流会与空气接触吸氮，所以引流砂加入时保证加入量充足，呈“馒头”状，确保大包自流率，防止烧眼引流；中包冲击区采用氩封保护，保证中包液面不裸露，充分隔绝液面与空气接触。钢水与空气有效隔绝可有效降低浇注过程钢水吸氮量，通过以上措施浇注过程钢水吸氮量控制＜5×10-6。

3 结语

本文通过分析钢水冶炼过程吸氮、脱氮机理，从控制转炉原料加入、吹炼过程枪位控制，底吹切换时机的把握得出了脱氮措施；通过转炉出钢脱氧剂延后加入，LF 精炼、连铸浇钢过程有效隔绝钢水与空气接触，可控制钢水吸氮。通过措施的落实，气保焊丝ER70S-6 氮质量分数＜50×10-6合格率达到了100%，提高了焊丝钢的拉拔性能，满足用户要求。