吕志勇，工程师,2007年毕业于武汉科技大学冶金工程专业。E-mail:swiffkiss@163
吕志勇，张立夫，周刘建，邢维义，方恩俊
(鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口115007)
摘要：针对微合金钢钛氮比不理想影响钢水质量的问题，分析了影响钢水钛、氮含量的原因，采取了优化工艺路线、优化增钛时机、分步增氮等措施后，将钢水钛氮比稳定控制在2.4~3.4，钢水成分合格率由81%提高到100%，达到了钢水的成分控制要求。 关键词：微合金钢；钛氮比；钛含量；氮含量
中图分类号:TF777
文献标识码:A
文章编号:1006-4613(2019)06-0048-04
Practice of Controlling Ratio of Ti to N in Micro-alloyed Steel
Lv Zhiyong ,Zhang Lifu ,Zhou Liujian ,Xing Weiyi ,Fang Enjun
(Bayuquan Branch of Angang Steel Co.,Ltd.,Yingkou 115007,Liaoning ,China )
Abstract :In allusion to the problem that the undesirable ratio of Ti to N in micro-alloyed
steel impaired the quality of molten steel,the causes of influencing content of Ti and N in molten steel were analyzed.And then such measures as optimizing the process flow,optimizing the time for increasing content of Ti and increasing content of N step by step were taken so that the ratio of Ti to N was stably controlled in the range from 2.4to 3.4,and therefore the pass percent of molten steel was increased to 100%from 81%,which could meet the requirements asked by specifications
on elements in molten steel.
Key words 院micro-alloyed steel;ratio of Ti to N;content of Ti;content of N
钢的微合金化技术是目前改善钢铁材料性能的重要方法之一。低碳微合金非调质钢的试验研究表明，当钢中钛、氮含量达到理想配比时,TiN 颗粒钉扎晶界作用最有效[1]。炉外精炼工序控制钛、
氮含量，钛的合金化采用添加含钛合金的方法，氮的合金化一般采用添加含氮合金和吹氮气的方式增氮。国内许多钢厂对转炉、LF 、RH 氮含量的控制均做了相关研究[2-4]。
鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼钢部
生产的一类低碳微合金非调质钢对钛氮比控制要求极为严格，控制比值的上限和下限差值不能大于1，钛含量控制在0.013%~0.020%，氮含量控制在0.0040%~0.0070%(RH 处理的常规钢种氮含量一般控制在0.0040%以下)，同时要求低磷、低 硫、低氢和喂线球化夹杂物。根据该钢种特殊的成
分要求，钢水需经RH 处理将氢控制在0.0002%以下，但脱氢的同时也脱氮。RH 提升气体可以自由切换为氮气或氩气，吹氮气增氮时，氮的收得率非常不稳定，增氮速率的波动范围为0.0002%/min ~0.0007%/min ，达不到钛氮比的精确控制要求。钛是易氧化元素，在钢水冶炼过程极易发生变化。氮、钛元素不稳定导致钛氮比波动大，生产过程发生质量事故的比例较高。因此，分析了影响钢水钛含量、氮含量的原因，采取相应措施后，钢水钛氮比达到理想值，钢水质量得到提高。
1原精炼工艺控制钛氮比存在的问题
该钢种原来的精炼工艺路线为先经LF 再经
RH 。LF 脱硫升温，在RH 加钛、脱氢、增氮和喂线。RH 在深真空处理模式下脱氢脱氮，前期钛合金化，脱氢结束取样并采用轻处理模式，保持真空度
48--
为5kPa，控制钢水中的氮含量不变，依据回样结果增氮，最后喂线。分析认为，上述工序存在三个缺点，一是RH等样时间长，氮的检验时间一般需要10min以上；二是RH吹氮气增氮速率不稳定，增氮1min的偏差达到0.0005%；三是钛元素的波动大，范围达到0.003%，钛元素每波动0.001%，氮元素波动0.0004%，造成氮元素的控制范围只有0.0010%，精确控制难度极大。
2钛和氮检测方法存在的问题
钛和氮含量的控制精度要求很高，相应的检验精度也高。使用ARL4460火花源直读光谱仪检验钛含量，使用TC600氮氧仪检验氮含量。表1是标样和单个生产样钛和氮含量重复检验的结果。由表1可知，钛含量的检验波动很小，生产样的氮含量检验偏差约0.0003%。可见，生产过程的取样质量对氮含量的检验结果影响很大。
表1钛和氮含量的检验情况%
3影响钛含量波动的原因分析
3.1Als对钛含量的影响
钛是易氧化元素，一般在钢水脱氧后加入。常用的脱氧合金有铝合金和硅合金，精炼过程一般使用Als含量代表脱氧程度,Als含量大于0.01%，表示钢水已脱氧,Als含量越高，钢水脱氧程度越强。钛在合金化的过程中，部分被氧化形成TiO2夹杂物。本研究统计对比了钛的收得率与Als含量的关系见图1。由图1看出，钢水中Als越高，钛的收得率越高。统计得出Als含量提高0.01%，钛的收得率上升3%。
3.2RH后吹氩对钛含量的影响
吹氩是精炼的重要手段之一，吹氩可以均匀钢水成分、温度和去除夹杂物。但是吹氩流量过大时渣面接触空气，导致钢水二次氧化，钛元素含量
图1钛的收得率与Als含量的关系
降低。尤其是RH后吹氩，为促进小颗粒夹杂物上浮，吹氩时间达到10min以上。由于每罐氩气透过透气砖的起翻效果各有差异，所以要及时调整吹氩流量。如果吹氩流量过大，钢水中的钛元素烧损会增大。本研究统计了6炉RH后吹氩对钢水钛含量的影响，如表2所示，吹氩过程的钛元素损失在0.0004%~0.0025%。
表2RH后吹氩对钢水中钛含量的影响%
4影响氮含量波动的原因分析
4.1LF增氮对氮含量的影响
LF加热过程中，石墨电极与钢渣之间产生高温电弧，高温电弧使周围的空气电离，容易造成钢水增氮[5]。统计数据表明,LF精炼过程中增氮量为0.0001%~0.0018%，平均增氮量为0.00061%，波动较大,LF操作过程的不稳定性造成了增氮量的波动。
由于该钢种RH前期采用深真空模式处理脱氮,LF的搬出氮含量不宜过低，否则RH后期增氮幅度越大，氮元素控制精度越低。本研究统计了LF搬出氮含量见图2。由图2看出,LF搬出氮含量在0.0020%~0.0060%之间波动，数值较低。因此，需适当提高LF的搬出氮含量。
样品钛含量氮含量
0.01530.0071标样0.01520.0070
0.01530.0071
0.01630.0042生产样0.01590.0044
0.01610.0045序号吹氩前钛含量吹氩后钛含量10.01600.0144 20.01740.0160 30.01580.0133 40.01580.0154 50.01650.0158 60.01580.015
3
49
--
图2LF搬出氮含量
4.2RH前期脱氮对氮含量的影响
随着RH真空度的降低，氮分压降低，钢水中的氮含量降低。RH深真空处理时，真空度小于200Pa，保持15min，检验各阶段氮含量的变化。结果发现,RH初始氮含量与脱氮速率关系很大。本研究统计了RH初始氮含量与脱氮速率的关系见图3。由图3看出，钢水中氮含量下降趋势明显，初始氮含量越高，脱氮速度越快。
图3RH初始氮含量与脱氮速率的关系4.3RH后期增氮对氮含量的影响
RH抽真空处理过程中用氮气提升气体时，可以增加钢水氮含量。增氮分为两个阶段，一是深真空处理阶段，二是轻真空处理阶段。LF搬出氮偏低，则在RH深真空处理阶段吹氮气增氮；依据RH过程样调氮，则在RH轻真空处理阶段吹氮气增氮。
RH从处理开始吹入氮气，吹完氮气立即改为氩气。本研究统计了RH深真空处理吹氮气时间与增氮量的关系见图4。如图4所示，吹氮时间低于3min，钢水的氮含量几乎不增加，吹氮时间越长，钢水增氮量越大，平均每分钟增氮0.0001%~ 0.0002%。当吹氮时间大于7min，增氮量大于0.0010%的概率增加。
图4RH深真空处理吹氮气时间与增氮量的关系RH轻真空处理阶段的真空度约为5kPa，时间不宜太长，避免炉机不匹配。轻处理的吹氮气增氮效果较深处理更加明显，轻处理阶段的增氮速率是深处理阶段的3倍以上。本研究统计了5炉RH轻真空处理阶段增氮速率见表3。由表3可知，在固定提升气体流量和真空度下，各炉次增氮速率并不稳定，难以精确控制氮含量。
表3RH轻真空处理阶段增氮速率
4.4RH后吹氩对氮含量的影响
RH后吹氩过程的剧烈搅动不仅影响钛元素含量，也会增加钢水中的氮含量。本研究统计了RH后吹氩的增氮量见图5。
图5RH后吹氩增氮量
图5所示的吹氩前后取样对比显示，平均增序号
吹氮前
氮含量/%
吹氮后
氮含量/%
吹氮气
时间/min
增氮速率/
(%·min-1) 10.00410.005620.00075 20.00270.003540.00020 30.00270.004660.00032 40.00320.005260.00033 50.00260.004650.000
40
《鞍钢技术》2019年第6期吕志勇等：微合金钢钛氮比控制实践总第420期
50
--
量为0.0007%。由于吹氩搅动效果差异，生产中吹氩增氮量的波动达到了0.0005%，即使到了精炼
最后一道工序，氮含量也在波动，降低了钛氮比的控制精度。
5采取的措施及效果
5.1优化工艺路线
由于RH 脱氮和增氮的不稳定性，将工序任务重新分配，工艺路线调整为LF →RH →LF 。第一次经LF 升温、脱硫，经RH 脱气，第二次经LF 增氮、喂线。优化前后各工序的时间对比见表4。工艺路线优化后，避免了在真空状态下后期精确调氮，省去了RH 处理阶段的等样时间，总处理时间增加了25min 。
表4优化前后各工序的时间对比
min
5.2优化增钛时机
调整钛元素的加入时机可以降低后期精炼过
程的波动。第一次LF 脱硫结束时，控制Als 含量在合适范围，加入钛铁，渣中TiO 2含量在原水平上
提高20%~30%，减少精炼后期钛的氧化。再经过RH 循环和第二次LF 处理。统计了3炉优化后的钢水，钛含量变化趋势见图6。
图6优化后各工序钢水钛含量变化趋势
如图6所示，钛含量稳定，在0.001%范围内波动，波动范围减少了0.002%。5.3分步增氮
相关研究表明，铝、钛元素对氮溶解均起到促
进作用用更加突出。本研究统计了6炉钢水钛对增氮的影响见表5，由表5看出，钢水中不刻意添加钛元素，添加增氮合金几乎不增氮，当钛含量≥
0.010%，增氮合金的氮收得率是不含钛钢种的4~6倍。
表5钛对增氮的影响
钢水在第一次LF 处理阶段，控制氮含量不低于0.0040%。RH 只深真空处理，吹氮气增氮5min ，抑制钢水中氮含量下降。RH 脱气结束搬出，钢水转回LF 。LF 第二次处理时添加增氮合金，喂线后吹氩搅拌5min 。统计了3炉优化后钢水氮含量的变化趋势见图7。如图7所示，工艺优化后,RH 搬出后的钢水氮含量波动范围降至0.0010%。
图7优化后钢水氮含量变化趋势
除了优化工艺，取钢样时的动作不能太快，避免尾部钢液流出，保证样品的尾部饱满，保证检验精确。采取上述措施后，钛含量和氮含量的波动范围缩小，氮合金收得率稳定。钢水钛氮比稳定控制在2.4~
3.4，钢水成分合格率由81%提高到100%。
(下转第55页)
序号加入前氮含量/%加入后氮含量/%增氮合金收得率/%
增氮合金重量/kg 钛含量/%1
0.0032
0.0033
4
25
0.0070
2
0.0024
0.0027
6
50
0.00703
0.0027
0.0029
4
500.00704
0.00390.005129450..01605
0.0031
0.00453050
0.0165
6
0.00420.0050
25
350.0151项目传搁时间
LF1RH LF2
总时间优化前556050165优化后
70
60
30
30
190
51--
6结论
鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼钢部
分析微合金钢钛氮比不理想的原因后认为，钢水中Als 含量、RH 后吹氩对钛含量影响很大,LF 操作不稳定、RH 初始氮含量、RH 轻处理阶段和RH 后吹氩均对氮含量的控制影响很大。据此将工艺路线调整为LF-RH-LF ，优化了增钛时机，采取分步增氮的措施，结果提高了钛、氮元素的控制精度，钛氮比稳定控制在2.4~3.4，钢水成分合格率由81%提高到100%。
参考文献
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[6]张军，韦泽，熊云松，等.RH 精炼氮合金化技术探索[J ].宽
厚板,2017(3):39-41.(编辑许营)
修回日期:2019-05-07
表7刃具用钢30MnB5的显微组织
4结论
(1)转炉冶炼过程中入炉铁水S 含量控制在
0.025%以下，出钢P 控制在0.014%以下，精炼处理过程采用高碱度，确保终点S 含量达到0.005%以下，钢水在精炼工艺后采用净吹氩6min ，镇静
15min 以保证钢中夹杂物去除。
(2)连铸铸机状态稳定，二冷水冷却系统正
常，合理控制拉速，按每20s 提升0.05m/min 升速，当达到目标拉速后，禁止改变拉速，要保证全程恒速浇注，从而获得结构致密的铸坯。
(3)该热轧卷板的显微组织是细小均匀分布
的铁素体+珠光体组织，同时钢中的夹杂物较少，显微组织无明显组织偏析。
(4)合理的成分设计及轧制工艺，保证了
30MnB5钢力学性能满足要求。
参考文献
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社,1986.
(编辑田玉婷)
修回日期:2019-05-30
试样号
1234567铁素体晶粒度级别(级)9.510.59.51010109.5带状组织级别(级)
2
1.5
2
2
1.5
2
1.5
(a )1/4处;(b )心部
图1显微组织微观形貌(500倍
)
(上接第51页)
55--
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