铁路轮轴钢生产过程控氮工艺与实践

王 威

（山西太钢不锈股份有限公司，山西 太原030003）

山西太钢不锈股份有限公司（全文简称太钢）炼钢一厂，是国内铁路轮轴钢的重点生产厂，铁路车轴钢和车轮钢占有较大的市场份额，为适应高品质铁路用钢的需求，对原有设备进行改造，主要生产线全套引进德国西马克公司设备，主要设备：双工位80 t CONARC炉1座，双工位80 t LF炉两座，双工位80 t VD炉2座，3机3流大圆坯连铸机1台，于2015年元月投产，主要工艺线路CONARC—LF—VD—CC(大圆坯)或CONARC—LF—VD—模铸，主要生产以铁路车轴LZ50等为代表的车轴系列产品、铁路车轮CL60等为代表的车轮系列产品、以及合金结构钢、齿轮钢、法兰用钢，高强度管坯等高等级钢种。随着铁路大提速的开始，对车轴、车轮钢的性能指标提出了更高的要求，要求钢水的纯净度更高，在车轴和车轮钢种把气体含量作为交货的必要条件，要求w[N]≤70×10-6，高强度管坯要求w[N]≤30×10-6，投产初期存在氮高不能按要求交货的问题，因此生产过程中氮的控制就是纯净度控制的工作之一。为此，在新生产线投产后开展了钢水氮含量稳定控制的工艺研究和生产实践。

1 脱氮理论基础

氮在钢中有两种存在形式：自由氮原子[N]、结合氮（如AlN、TiN）。

1.1 自由氮原子[N]

钢中自由氮的溶解度遵循西华特定律：

式中：w[N]为钢液中氮的质量百分浓度；fN为氮的活度系数；K'N为反应的平衡常数；PN2为与钢液中氮平衡的气相氮分压。

由式（1）可知：钢中氮的溶解度随的增加而增加，温度及化学成分通过对及的影响来影响氮在钢液中的溶解度。当气相中的实际氮分压低于时，钢液中的氮要降低。1 600℃、1 atm氮气下纯铁中氮的溶解度为450×10-6。钢液中的合金元素影响氮的溶解度，元素Zr、Ti、Nb、V、Cr等增加氮的溶解度，C、Si、O、S等降低氮的溶解度。

1.2 结合氮

在氮含量达到饱和以后，并且有与氮亲和力大的元素X存在的条件下，钢液中就会产生氮化物XN。

式中：α[X]为钢液中X元素的活度；KXN为平衡常数。

由式（2）可知：氮的溶解度与PN2无关，随fNα[X]的增加而减少。

当[N]低于溶解度时，可以通过降低PN2来脱氮；当钢中氮含量高于溶解度后，会形成氮化物XN，其在钢液中的浮升是进一步脱氮的途径，强氮化物形成元素Zr、B、V、Nb、Ti、Cr等提高氮在钢中的溶解度。实际生产中，在炼钢温度下不会生成它们的氮化物，氮在钢液中以自由氮原子形式存在，因此脱氮是脱溶解氮而不是去除氮化物夹杂。

1.3 影响钢液脱氮的因素

钢中溶解氧高，脱氮率高；硫含量低，脱氮率高；温度高，脱氮率高；同时钢水吸氮是脱氮的逆过程，也包括上述三个方面，要实现钢中氮的有效控制，除了采取措施脱去钢水中现存的氮之外，更重要的是防止空气中的氮气造成的钢水增氮，减少钢水的原始氮含量。

2 CONARC—LF—VD—CC（模铸）工艺过程钢水增氮原因

2.1 CONARC（电转炉）工序

太钢炼钢一厂冶炼采用80 t双工位电转炉，是国内第一台电转炉具备送电和顶枪吹氧的能力，同时具有电炉和转炉的功能，能够适应不同的铁比进行冶炼。目前采用75%的铁比，前期进行送电冶炼，后期顶枪吹氧脱碳吹炼，采用偏心底出钢。在电转炉工序，以下原因可能造成钢水增氮：

1）电弧加热融化废钢过程电离空气吸氮。

2）送电过程不埋弧。

3）顶枪吹炼不到位后期进行补吹。

4）电转炉出钢过程和钢包合金化吸氮。

2.2 LF工序

1）在LF工序钢水的精炼过程中，电弧加热过程电极周围空气中的氮气极易电离而进人钢液。

2）精炼过程合金调整导致增氮。

3）钢包与炉盖的缝隙过大，冷空气进入炉内。

2.3 VD工序

1）VD真空处理后喂线增氮。

2）VD真空处理后软搅拌过程增氮。

2.4 连铸工序、模铸工序

在连铸工序，如果保护浇注效果不理想，常常会造成空气与钢水的直接接触，进而引起钢水的二次氧化和增氮。连铸过程钢水增氮主要包括以下方面：

1）大包与长水口连接处空气的吸入。

2）中包液面湍流漩涡造成的空气卷入。

3）中包液面裸露造成的增氮。

4）中间包至结晶器钢水裸露造成的增氮。

5）模铸增氮主要是浇铸过程大包活动水口与锭模中铸管之间的钢水裸露吸氮。

3 生产前期工序氮含量（见表1和图1）

表1 各工序钢水w[N]分析 ×10-6

图1 冶炼各工序中平均氮含量

从图1中可看出：LF冶炼过程增氮量明显增加，浇铸过程的氮含量增加也较明显，因此需要重点控制LF过程的操作，减少原始含氮量，更主要的是减少浇铸过程的二次氧化吸氮。

4 CONARC—LF—VD—CC(模铸)工艺过程钢水氮的控制措施

4.1 电转炉工序

在电转炉炼钢过程中，控制钢水中吸氮：废钢融化过程采用小电压供电，待泡沫渣形成后采用大电压供电；供电与吹氧的转换时，熔池内碳含量大于2.0%，保证吹氧期足够的脱碳量，杜绝后期温度不足补吹；出钢过程控制钢包底吹氩的流量，减少出钢过程钢水的大沸腾，减少钢水与空气的接触。

4.2 LF工序

在LF精炼过程中，控制钢水中的吸氮：采用泡沫渣埋弧加热，减少电极加热过程电离增氮；控制钢包的包沿的平整度，钢包与炉盖的缝隙小于100 mm，在精炼过程中炉内保持微正压，避免炉外空气的吸入；合理控制送电过程的吹氩量，保证钢水不裸露。

4.3 VD工序

VD真空处理是生产流程中的主要脱氮手段，强化操作工艺保证较好的脱氮效果：钢包底吹氩良好；处理过程氩气流量控制适中，真空处理过程钢水裸露面大于钢液面50%以上；真空度达到67 Pa以下，高真空保持时间大于20 min；采用在密闭状态下喂线；严格控制软搅拌时的氩气流量，以钢液面蠕动不吹破渣面为标准。

VD处理结束后，钢水中氮含量处于最低，如何做好浇铸过程的保护是保证成品氮含量控制达标的关键。

4.4 浇铸过程保护措施

1）钢包到中间包采用套管保护浇注，当保护套管出现裂纹或套管下端融损超过100 mm时必须进行跟换，在套管和大包水口之间加装密封垫。

2）中间包水口采用固定式水口，在中包修砌时预先埋入长水口，浇铸过程长水口进入结晶器长度大于110 mm。

3）中间包采用高液面操作，并及时加入中间包覆盖剂。

4）模铸浇铸过程在大包水口安装氩封保护装置，通过气帘隔绝空气。

5 CONARC—LF—VD—CC、模铸工艺过程钢水氮的控制效果

表2 各工序钢水w[N]分析 ×10-6

工艺改进后各工序的氮含量变化见表2和图2。

从表2和表1比较可看出：电转炉工序控氮效果明显，电炉粗钢水氮含量由33×10-6降低到21×10-6；LF炉冶炼过程增氮量由25×10-6降低到7×10-6；VD炉平均脱氮率达到35%；浇铸过程平均增氮4×10-6，有效避免了二次氧化吸气，成品氮含量33×10-6；达到比较理想的效果。

6 结论

1）冶炼浇铸过程来讲，LF炉中增氮最多．减少LF炉内的吸氮量是控制氮含量主要因素，LF增氮量≤10×10-6；真空脱气（VD）处理是降低钢液中[N]含量的关键环节。通过合理的工艺，严格控制过程操作，过程中钢水的氮含量得到有效控制，实现最终产品低氮含量控制。

2）从过程控制看VD的脱氮率在35%左右，要想获得更低的氮含量，必须降低钢水的原始含氮量，同时严格控制浇铸过程的增氮，浇铸过程增氮量≤5×10-6。

3）氮元素在大多数钢种中被视为有害元素，在轮轴钢和管线钢种要求尽量低，保证产品的加工和使用性能，尽可能降低钢水中的气体含量，将成为趋势。