铸钢氮含量控制工艺实践

铸钢氮含量控制工艺实践

江涛  解澄剑  王昕

中车长江铜陵车辆有限公司  安徽铜陵  244142

摘要：铸钢生产中由于工艺、设备、操作等原因，限制了低氮钢的生产，氮含量控制水平不够稳定，容易超出内控范围。本文分析工艺现状及钢中氮含量的变化情况，通过调整供氧、供氩和供电参数、强化造泡沫渣操作、优化出钢脱氧造渣等工艺控制措施，确保钢中氮含量控制在70ppm-100ppm范围内，提高了钢水纯净度和铸钢质量。

关键词：铸钢；氮含量；泡沫渣；控制

一、前言

不同用途的钢对氮含量的要求不同，氮在钢中的作用具有双重性，作为固溶强化元素，可以提高钢的强度，同时会显著降低钢的焊接性能和塑性。随着现代工业制造技术的发展，对铸钢的质量要求越来越严格，特别是对钢的纯净度要求越来越高，现代铸钢生产由于自身的特点，形成了电弧炉加炉外精炼的双联冶炼工艺，但由于其原料条件、装备能力、工艺控制措施等不足，限制了低氮钢的生产，本文通过对铸钢冶炼过程进行了一些工艺实践，讨论了如何在铸钢生产中降低钢中的氮含量，提升铸钢品质。

二、钢中氮的变化

2.1  钢中氮的来源

钢中的氮来源主要为电弧炉及LF精炼炉电弧高温区的增氮、大气中的氮、原材料中的氮。

（1）电弧区增氮：研究表明[1、2]，电弧炉冶炼期间不会发生钢液的裸露吸氮，此时钢液未脱氧，氧的表面活性作用阻碍钢液吸氮，但是当氮分压一定时，钢液中氮的溶解度与氮溶解反应常数及其活度系数有关，当钢液温度超过2130℃时，氧对氮的影响作用消失，钢液中氮的溶解度增加。电弧区温度可高达3000℃-6000℃，加速了空气中氮气解离，形成高温高速的气体射流对熔池冲击导致增氮。

（2）钢液吸氮：空气中氮分压高，在一定温度条件下，钢水裸露与大气接触会吸入并溶解空气中的氮。

氮可以在钢中发生溶解，其反应式[3]为：

在一定的温度下达到平衡时的平衡常数为：

，

式中，[%N]：溶解于钢中氮的数量；PN2：气相中氮的分压力。

反应方程式说明，钢中氮的数量与氮的分压、温度有关。随着钢液温度升高，氮的溶解度增加，在空气中PN2=8.005×104Pa时，1600℃条件下，普通钢种中，氮的溶解度可达到300ppm~400ppm，可见钢液与大气接触，极易吸氮。

（3）原材料带入：废钢铁、铁合金、增碳剂等及其他原辅材料带入氮。

2.2  钢中氮的去除

钢液脱氮的主要方法有气泡携带法、真空脱氮及钢渣脱氮，但是实际生产中钢渣基本无法脱氮，主要是通过钢渣覆盖隔绝空气，防止钢液从大气中吸氮，因此降低钢中的氮含量主要靠气泡携带法和真空脱氮。考虑到生产成本，铸钢产品通常不会要求真空处理，因此脱氮主要在电弧炉内进行，电弧炉出钢时氮含量是影响最终产品氮含量的主要因素。

2.3  钢中氮含量现状

以生产TB/T 3012《铁道货车铸钢摇枕、侧架》的B+级铸钢和JB/T 5000.6《重型机械通用技术条件 第6部分：铸钢件》中的低合金铸钢作为研究对象，按照偏心电弧炉→炉外精炼→砂型浇注的常规全废钢冶炼工艺流程，对单铸试棒的氮含量进行了分析，氮含量在90ppm-120ppm，平均为100ppm。

三、生产阶段的氮控制

为了保证浇注试棒具有较低的氮含量，最大限度地发挥电弧炉的脱氮能力，从电弧炉控制、出钢控制、精炼控制等方面，分析了影响氮含量的因素，针对性采取工艺措施进行脱氮或减少增氮量，各生产阶段检验数据见表1，氮含量变化见图1，从图1可以看出只有氧化阶段是脱氮过程，其它阶段均是增氮过程。

表1  检验数据对比

图1  氮含量变化图

3.1  电弧炉控制

铸钢电弧炉为小型电弧炉，出钢量约20t，人工使用吹氧管进行氧化控制，生产过程主要分为熔清、氧化、净沸腾三个阶段。

（1）熔清过程的氮含量与废钢质量和配碳量相关。提高配碳量和使用洁净废钢，有助于降低熔清时的氮含量，碳高有助于渗碳降低废钢熔点，促进碳氧反应进行。

（2）氧化过程的氮含量与脱碳速度和温度相关。氧化脱碳过程也是一个脱氮过程，由于脱碳时产生大量的CO气泡，生成的CO气泡对于氮来说相当于小型的真空室，吸入氮后随CO气泡上升后带走，去除钢中氮。在氧化吹炼过程中，终点碳含量不同钢中氮含量也不同，吹炼开始时，熔池中的硅先氧化，碳氧反应还未开始，脱氮速度慢，随着吹炼进行，钢液温度升高，钢中碳氧反应增强，熔池产生大量的CO气泡将钢液中的氮脱除，脱氮速度迅速提高，在某一时刻达到峰值，此后，随碳氧反应强度降低，脱氮速度降低，当氮含量在60ppm以下时，脱氮速度降低，因此脱碳过程应提高供氧强度，采用低氮吹炼模式，适时加入铁矿石，提高氧气纯度，控制炉内为正压，提高终点脱碳速度，控制氧气压力、温度和吹氧时间。

（3）净沸腾过程的氮含量与净沸腾时间相关。氧化结束氮含量越低，净沸腾时间越长，增氮量就越高，渣层较薄时容易电弧裸露造成吸氮，因此应控制渣量，调整供电参数采用电弧炉短弧操作。

3.2  出钢控制

电弧炉出钢时，钢中氧含量一般在300ppm左右，出钢时的脱氧制度对吸氮有影响，当钢液中的氧含量在较高水平，吸氮量小。同时生产过程发现，出钢口使用初期，吸氮量较小，而炉役后期，吸氮量较大，主要是由于出钢口钢渣粘结及引流砂烧结，维护不到位导致钢流散乱、不聚流。

3.3  LF炉控制

成分调整时，氮含量越低，越容易吸氮。因此精炼过程应采用微正压操作，保证还原性气氛条件，适当增加渣量，埋弧操作，避免钢水裸露，减少大量补加合金和增碳，控制吹氩压力和供电参数。

4、结论

为生产低氮高质量铸钢，通过对氮含量的变化分析，应从全流程考虑生产环节控制，要从源头控制，精选原材料，尽可能控制氧化终点氮在较低的范围，严格控制全过程的吸氮量，减少钢水与空气接触，且严格执行生产各阶段的各项工艺技术措施。在无真空处理和保护浇注的条件下，经过氮含量控制工艺实践，达到了最低70ppm的控制水平。本文只是作了钢中氮控制工艺措施在生产过程中的实践，关于氮与其他合金元素的相互影响情况，冶炼过程中的电弧效应、渣系等对氮的影响情况，以及钢中C、S含量对脱氮率的冶金原理还需进一步研究。主要工艺控制实践措施如下：

（1）加大渣量，强化泡沫化埋弧操作，控制形成具有良好流动性和黏度的渣层，隔绝空气减少吸氮。

（2）采用矿氧综合脱碳操作，通过控制氧气压力和吹氧时间，调整温度和脱碳速度，控制氧化终点氮含量在一定范围。

（3）严格控制氧化终点碳范围，综合采用高碳和中碳合金进行脱氧增碳，降低精炼过程的增碳量，优化出钢脱氧制度。

（4）严格控制下渣量，及时更换和清理出钢口，控制出钢时间2min以内，减少钢水裸露时间。

（5）出钢时加入高活性石灰和预熔型精炼渣，快速化渣形成薄渣层隔绝空气，减少增氮量。

（6）保证精炼微正压操作，出站后严格控制吹氩压力禁止破渣造成钢水裸露。

参考文献：

[1]李晶. 溶解氧对钢液吸氮影响的研究[J].钢铁.2002,37(4):20-23

[2]傅杰. 钢冶金过程动力学[M].北京:冶金工业出版社,2001:158

[3]黄希祜. 钢铁冶金原理[M].4版.北京:冶金工业出版社,2006:90-91