孫福來

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

氮元素對硬線鋼來講是絕對有害元素，氮元素在鋼中溶解度很低，極易形成氮化物夾雜析出，嚴(yán)重影響硬線鋼的拉拔性能和韌性。天津鋼鐵有限公司（下稱天鋼）在生產(chǎn)SWRH82B 硬線鋼時，出現(xiàn)大量脆斷缺陷。脆斷缺陷主要表現(xiàn)形式：一種是盤條碳偏析導(dǎo)致在高速線材軋制控冷過程析出網(wǎng)狀碳化物，在拉拔過程中造成尖窩斷裂；另一是由于鋼中氮含量高（平均水平在50～65 ppm），在SWRH82熱軋盤條拉拔過程中，游離N 導(dǎo)致位錯密度增加，導(dǎo)致盤條現(xiàn)場強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，即加工硬化嚴(yán)重，在拉拔過程中表面出現(xiàn)的橫裂。

本文根據(jù)天鋼生產(chǎn)SWRH82B 硬線鋼的工藝特點(diǎn)，分析了各工序?qū)︿撍械康挠绊懸蛩匾约颁撍械闹饕獊碓?。從煉鋼、連鑄兩方面提出了SWRH82B 硬線鋼控氮技術(shù)措施，制定了控氮技術(shù)措施的實(shí)施方案，并對實(shí)施方案的效果進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 各工序?qū)︿撍械康挠绊懛治?/h2>

由于氮含量高造成的SWRH82B 硬線鋼拉拔脆斷的缺陷占總?cè)毕莸?0%以上，其典型斷口及金相組織如圖1 所示。因此，對SWRH82B 硬線鋼生產(chǎn)來講，鋼中氮含量的控制尤為重要。

圖1 宏觀斷口及金相組織

對鋼水中氮含量的控制，首先要分析鋼水中的氮元素的來源。根據(jù)相關(guān)資料和生產(chǎn)實(shí)踐可知，鋼水中的氮主要來源于空氣帶入和冶煉過程中增碳劑、合金、造渣料等的帶入，因此要控制鋼水中氮含，就要從避免鋼水與空氣接觸，以及使用含氮量較低的增碳劑、合金、造渣料等煉鋼生產(chǎn)材料方面做工作。

1.1 SWRH82B 硬線鋼生產(chǎn)工藝

根據(jù)天鋼現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備特點(diǎn)，SWRH82B 盤條生產(chǎn)采用的工藝流程為：鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→方坯連鑄機(jī)→檢驗(yàn)精整→高速線材軋機(jī)→硬線鋼盤條。

1.2 轉(zhuǎn)爐工序鋼中氮含量的影響分析

1.2.1 轉(zhuǎn)爐吹煉對鋼中氮含量影響

一般轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，在吹煉的前、中期鋼水中的氮含量都會降低，這是由于在冶煉整個過程會伴隨著碳氧反應(yīng)生產(chǎn)大量一氧化碳?xì)怏w，鋼中的氮會隨著這些氣體排出鋼水。而隨著鋼中的碳含量減少，吹煉末期生成一氧化碳?xì)怏w的速度降低，而此時轉(zhuǎn)爐如果底吹是氮?dú)?，鋼水中氮含量就會增加?/p>

現(xiàn)階段生產(chǎn)過程中的底吹方式有全程底吹氮?dú)夂痛禑捘┢诘状涤傻獨(dú)馇袚Q為氬氣兩種模式，目前天鋼采用吹煉末期底吹由氮?dú)馇袚Q為氬氣的底吹模式。

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉開始后，隨著劇烈的碳氧反應(yīng)，鋼中的氮會隨著大量一氧化碳?xì)馀菖懦?，此時與底吹氣源無關(guān)。

（2）轉(zhuǎn)爐吹煉至中期階段，此時使用底吹的氣源是氮?dú)饣蚴菤鍤鈺r，通過大量取樣分析，鋼水中的氮含量相差不大，說明此時鋼中氮含量仍與底吹氣源無關(guān)。

（3）轉(zhuǎn)爐吹煉至末期階段，通過取樣分析，在盡可能保證其他冶煉條件相同的情況下，鋼中氮含量在全程底吹氮?dú)獾臓t次要比末期切換成氬氣的爐次一般高3～12 ppm，說明吹煉末期底吹氣源的選擇對鋼水增氮影響明顯。

（4）終點(diǎn)補(bǔ)吹對鋼水增氮是轉(zhuǎn)爐工序影響最大的因素。吹煉結(jié)束后，有時會因?yàn)榻K點(diǎn)溫度、鋼水成分等因素進(jìn)行補(bǔ)吹。在補(bǔ)吹前，轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)已經(jīng)充滿空氣，在進(jìn)行補(bǔ)吹的過程中，隨著受到氧氣壓力的沖擊，使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)空氣與鋼水有了接觸的機(jī)會，進(jìn)而使鋼水中氮含量增加。經(jīng)實(shí)踐證明，未補(bǔ)吹爐次與補(bǔ)吹0～30 秒和30～90 秒的爐次出鋼后測定鋼中氮相差5～10 ppm。圖2 顯示補(bǔ)吹氧氣量對鋼中氮含量的影響。

圖2 補(bǔ)吹氧氣量對鋼中氮的影響

1.2.2 脫氧合金化對鋼水增氮的影響

一般鋼種采用鋁脫氧，但是由于鋁元素與氮可以相結(jié)合生成氮化鋁化合物，具有固氮作用，因此，在冶煉SWRH82B 鋼時，我們采用不含鋁的硅鈣鋇合金作為脫氧劑。

由于SWRH82B 鋼種成品碳含量較高，在出鋼時要使用大量增碳劑，普通增碳劑的氮含量在標(biāo)準(zhǔn)中和協(xié)議中都沒有要求，經(jīng)檢測通常在2000～4000 ppm，用這種增碳劑增碳0.10%時，鋼中氮含量增加約2～5 ppm。而低氮增碳劑氮含量要求≤300 ppm，因此，在冶煉SWRH82B 鋼種時，使用低氮增碳劑是降低鋼中氮含量最直接最有效的方法。

1.2.3 轉(zhuǎn)爐其他操作對鋼水增氮的影響

（1）未出鋼前，轉(zhuǎn)爐處在吹煉位置，此時如果進(jìn)行煙道吹掃、壓泡沫渣等操作，會造成鋼水增氮。

（2）吹煉末期，由于操作不當(dāng)，氧槍大幅度升高，此時鋼水可能出現(xiàn)大翻，造成與空氣接觸，使得鋼水氮增加。

（3）由于鋼包內(nèi)充滿空氣，在出鋼過程中，鋼水和鋼包內(nèi)空氣“充分接觸”，致使空氣進(jìn)入鋼水，造成鋼水增氮。同理，出鋼時間的減少，也減少了鋼液與空氣“充分接觸”，有利于減少鋼水增氮。

（4）出鋼過程后半程對鋼水加入石灰，進(jìn)行渣洗，形成一層隔絕空氣的渣層，一方面可以減少鋼水增氮，另一方面利于精煉快速化渣，有益于精煉脫硫操作。

1.3 精煉過程對鋼中氮含量的影響

通過分析發(fā)現(xiàn)：LF 精煉過程中對鋼水增氮影響較大的因素是電離使空氣中的氮由分子狀轉(zhuǎn)變?yōu)樵訝?，而氮原子可以更容易融入到鋼液中，使鋼液增氮；另一個影響因素就是精煉過程中鋼液與空氣接觸，造成空氣中的氮元素進(jìn)入到鋼液，使鋼液增氮。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，LF 精煉對鋼水增氮影響較?。ㄒ妶D3）。這主要是由于精煉渣可有效阻隔空氣與電弧和鋼水的接觸，防止氮分子電離和鋼水吸氮。同時，在生產(chǎn)SWRH82B 的精煉過程中，適當(dāng)降低LF 爐給電過程中底吹氬的氣量，保證軟吹過程中鋼液不接觸空氣，也是防止鋼水吸氮的一個重要環(huán)節(jié)。而精煉渣的堿度和流動性對鋼水脫硫、脫氧和吸附夾雜物影響極大，在實(shí)際鋼種冶煉過程中應(yīng)根據(jù)SWRH82B 性質(zhì)對精煉渣成分進(jìn)行調(diào)整[1]。因天鋼以往生產(chǎn)SWRH82B 過程中，精煉在造渣和底吹氬氣方面做得較好，因此精煉過程增氮較少。

圖3 LF 精煉過程氮含量變化

1.4 連鑄保護(hù)澆鑄對鋼中氮含量的影響

連鑄采用全程保護(hù)澆注，使得鋼水與空氣難以接觸。在鋼包到中間包，中間包到結(jié)晶器的過程中，分別采用長水口、浸入式水口；在中間包要使用覆蓋劑，在結(jié)晶器使用保護(hù)渣，這些都是全程保護(hù)的措施。而在各部位連接處，如果不采用相應(yīng)的處理方式，鋼水也會在這些地方與空氣進(jìn)行接觸，進(jìn)而增氮，使用氬氣氣封可很好地解決這個問題。連鑄中間包覆蓋劑與結(jié)晶器保護(hù)渣，對鋼液吸氮的影響較小或幾乎不影響，通過對鋼水進(jìn)行取樣分析，鋼水氮含量幾乎沒有變化。

研究表明，鋼液由鋼包至中間包過程：無保護(hù)澆注時，鋼液增氮約17 ppm；無長水口保護(hù)澆注，鋼液增氮約14 ppm；無鋼包與長水口間氬氣保護(hù)澆注，鋼液增氮約3 ppm。因此做好鋼包至中間包的鋼液保護(hù)是連鑄工藝防止鋼液增氮的關(guān)鍵。

2 控氮改進(jìn)措施

鋼水中氮元素的去除是非常困難的，因此要想控制鋼水中氮含量，只能通過控制氮元素進(jìn)入鋼水的途徑來減少氮含量。根據(jù)氮元素的來源和在鋼水中帶入的機(jī)理，要控制好鋼水中氮含量的水平，主要從造渣料、合金、脫氧劑等帶入氮元素和鋼液與空氣接觸帶入兩方面進(jìn)行控制。通過對以上各工藝環(huán)節(jié)的分析和實(shí)際生產(chǎn)取樣分析，制定出符合天鋼實(shí)際生產(chǎn)的SWRH82B 鋼控氮措施：

（1）轉(zhuǎn)爐吹煉采用氮?dú)迩袚Q的轉(zhuǎn)爐底吹模式，減少吹煉后期鋼水增氮；提高SWRH82B 鋼冶煉操作控制水平，在保證轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳、磷、溫度等關(guān)鍵工藝點(diǎn)命中的同時，盡量減少補(bǔ)吹；

（2）使用不含鋁的硅鈣鋇脫氧合金對鋼水進(jìn)行脫氧，使用低氮碳粉進(jìn)行鋼水增碳；

（3）連鑄采用全程保護(hù)澆注，鋼包到中間包應(yīng)采用長水口保護(hù)，連接處采用氬氣氣封；

（4）做好穩(wěn)定澆注（包括鋼液面波動小、中間包覆蓋良好、長水口浸沒在鋼液中等），保證鋼液與大氣盡可能少的接觸。

3 控氮改進(jìn)措施實(shí)施效果

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，連鑄過程取氣體樣做氮含量分析與在鑄坯中取樣做氮分析值接近，因此，上述控氮改進(jìn)措施實(shí)施后，在SWRH82B 連鑄坯取樣進(jìn)行鋼中氮分析，其情況見表1。同批次高線盤條性能情況見表2。

（1）由表1 可以看出，SWRH82B 連鑄坯中平均氮含量不到30 ppm，較原先的50～65 ppm 的水平顯著降低。

表1 鋼中氮、氧含量分析結(jié)果 /%

（2）由表2 可以看出，控氮改進(jìn)措施實(shí)施后，SWRH82B 高線盤條抗拉強(qiáng)度要比原來略低，但面縮情況明顯改善，面縮情況不合格率為0，極大改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

表2 力學(xué)性能

（3）同時根據(jù)抽查結(jié)果顯示，同批次高線盤條金相組織不合格（要求馬氏體（M）、碳化物網(wǎng)狀（C）≤2 級為合格）占比為0。

4 結(jié)語

通過對硬線鋼生產(chǎn)過程控氮措施的實(shí)施，天鋼生產(chǎn)的SWRH82B 盤條產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量得到了極大改善，同時在硬線鋼控氮措施分析、研究和實(shí)施過程中也獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)及設(shè)備情況，分析導(dǎo)致鋼水增氮的主要關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)為鋼水配加增碳劑和連鑄保護(hù)澆鑄。通過使用低氮增碳劑和加強(qiáng)連鑄保護(hù)澆鑄，使鋼水氮含量較之前大幅減少，鋼水中平均氮含量由50～65 ppm 將至不到30 ppm，盤條面縮合格率及金相組織合格率接近100%，SWRH82B 盤條合格率顯著提高。根據(jù)用戶反饋，控氮之后所生產(chǎn)的硬線盤條拉拔斷裂情況大幅減少，產(chǎn)品質(zhì)量符合使用要求。

（2）控氮措施實(shí)施后，鋼水中氮含量降低，結(jié)合成品成分進(jìn)行分析和攻關(guān)前后抗拉強(qiáng)度比較，盡管抗拉強(qiáng)度符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，煉鋼中也應(yīng)注意錳含量不應(yīng)過低，在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中要關(guān)注鋼中錳含量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，保證產(chǎn)品性能。