低氮鋼生產(chǎn)3-11

1、低氮鋼的生產(chǎn)低氮鋼的生產(chǎn)1. N1. N對(duì)鋼材性能的有害影響對(duì)鋼材性能的有害影響導(dǎo)致鋼材時(shí)效；導(dǎo)致鋼材時(shí)效；降低鋼成形性；降低鋼成形性；降低鋼的焊接性能；降低鋼的焊接性能；降低鋼的高溫韌性和塑性；降低鋼的高溫韌性和塑性； 加劇鋼材的冷脆。加劇鋼材的冷脆。 氮含量對(duì)應(yīng)力時(shí)效的影響 對(duì)于低碳鋼，氮可以導(dǎo)致時(shí)效和蘭脆現(xiàn)象。時(shí)效通常是發(fā)生在100200之間，但事實(shí)上當(dāng)?shù)且蚤g隙狀存在時(shí)，應(yīng)力時(shí)效可在室溫下進(jìn)行。這種現(xiàn)象對(duì)要求得有良好深沖性的薄板鋼產(chǎn)生危害，也降低冷軋結(jié)構(gòu)鋼的斷裂韌性。氮在鐵中的溶解度在590時(shí)達(dá)到最大，約0.1%，在室溫時(shí)則降至0.0015 %以下.當(dāng)將氮含量較高的鋼自高溫較快地冷卻時(shí)

2、，鐵素體就會(huì)被氮過飽和。如果將此鋼材在室溫下靜置，隨著時(shí)間的延長，氮將逐漸以Fe4N的形式析出。這雖然能使鋼的強(qiáng)度和硬度上升，但使塑性和韌性下降。經(jīng)過冷變形的鋼材在室溫或稍高溫度下放置，也會(huì)脆化。鋼中自由氮含量越高，時(shí)效現(xiàn)象越嚴(yán)重，因時(shí)效引起的強(qiáng)度的增加越嚴(yán)重。導(dǎo)致鋼材時(shí)效導(dǎo)致鋼材時(shí)效 鋼中自由的氮形成固溶體，造成固溶強(qiáng)化，加上時(shí)效作用，使鋼的塑性和韌性降低，冷加工性能下降如圖所示。為了減少氮的固溶硬化作用,需加入與氮結(jié)合能力強(qiáng)的元素TiAlB或V,形成氮化物.這種類型的典型鋼種是IF鋼。 氮含量對(duì)未脫氧鋼平均塑性應(yīng)變率r的影響 降低鋼的成形性降低鋼的成形性降低鋼的焊接性能降低鋼的焊接性能夏比

3、沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度隨焊接金屬氮含量的變化 氮對(duì)HSLA鋼的焊接性能的壞影響已被廣泛認(rèn)可。尤其是發(fā)生在氬埋弧焊管線鋼存在較大焊接沖稀作用時(shí)。焊縫的氮含量取決于母體的氮含量。母體的氮含量越高，焊縫的氮含量越高。即使氮在母體中以氮化物形式存在，氮的傳遞依然存在。氮含量越高，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，韌性下降。韌性降低的原因是由于有益的針狀鐵素體數(shù)量隨氮含量增加而減少而造成的。因此，降低母材中的氮含量是提高鋼的焊接性能的唯一辦法。 在HAZ范圍內(nèi)氮化物分解，尤其是在焊縫附近，這就增加自由氮含量。圖1-5表示氮含量增加低碳微合金鋼的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，韌性變差。氮含量從0.002%升到0.006%，轉(zhuǎn)變溫度

4、從-50升到0。這是由于氮含量增加在HAZ區(qū)形成少量脆性馬氏體和奧氏體的緣故。焊縫氮含量對(duì)裂紋出現(xiàn)初始溫度的影響 HAZ(Heat Affected Zone)韌性韌性 N對(duì)碳鋼韌脆轉(zhuǎn)換溫度的影響降低鋼的高溫韌性和塑性降低鋼的高溫韌性和塑性 氮促進(jìn)連鑄時(shí)鑄坯開裂，因?yàn)榈档土虽摰母邷仨g性和塑性。氮降低鋼的高溫韌性和塑性如圖所示。圖中可以看出當(dāng)Al、Nb含量一定時(shí)C-Mn-Al-Nb(HSLA)型鋼中氮對(duì)高溫塑性的影響。盡管圖中所示的差別并不大，但是當(dāng)鋼中的鋁含量從0.03%增加到0.05%時(shí)，測(cè)出的最小斷面收縮率一直擴(kuò)展到950。這是由于AlN的析出刺在奧氏體邊界上，減少連鑄過程中產(chǎn)生的應(yīng)力的

5、釋放所致減少由于氮高造成的連鑄裂紋可通過加入一定的Ti降低自由的N含量即可得到良好的效果。C-Mn-Al-Nb(HSLA)鋼中氮對(duì)高溫韌性的影響增加鋼材的強(qiáng)度；增加鋼材的強(qiáng)度；細(xì)化晶粒；細(xì)化晶粒；改善基體的表面性能；改善基體的表面性能；提高耐腐蝕性能。提高耐腐蝕性能。2. N2. N對(duì)鋼材性能的有益作用對(duì)鋼材性能的有益作用鐵素體鋼中不同元素的固溶強(qiáng)化能力 奧氏體不銹鋼中的不同元素的固溶強(qiáng)化能力 氮在奧氏體不銹鋼中溶解度很大，因此氮作為不銹鋼的一種有價(jià)值的固溶硬化劑。盡管其機(jī)理比較復(fù)雜，也可能是由于晶粒細(xì)化的作用，但是氮的增加強(qiáng)度卻增加得多。增加鋼材的強(qiáng)度 晶粒細(xì)化是在熱處理過程中由氮化物粒子提

6、供的。正火鋼中析出的細(xì)小AlN，是非常有效的晶粒細(xì)化劑，它起到釘扎劑的作用，阻止奧氏體的長大。圖1-9表示了含Ni正火熱處理結(jié)構(gòu)鋼氮含量對(duì)晶粒度的影響。其中，Al、Ni含量0.03%保持不變。當(dāng)?shù)繛?.01%時(shí)晶粒最細(xì)，即Al/N為3，比其化學(xué)計(jì)量值2略大。此時(shí)，除鋁外在沒有其它晶粒細(xì)化劑的條件下氮的作用尤其重要。 氮含量對(duì)晶粒粒度的影響 細(xì)化晶粒提高耐腐蝕性能 氮在奧氏體不銹鋼中有三大作用：耐高溫性能增加、增加強(qiáng)度、抗腐蝕能力增強(qiáng)。抗腐蝕性與氮的關(guān)系如1-10所示。關(guān)于腐蝕有兩方面的因素：一方面雖然氮含量會(huì)加速晶間腐蝕，尤其是在重新加熱過程生成的氮化物或碳化物，但是，另一方面在碳含量較低

7、的條件下它們的效果是較小的，可以忽略。而氮增加鋼抗點(diǎn)蝕的能力卻很強(qiáng)。其點(diǎn)蝕系數(shù)可以表達(dá)為：點(diǎn)蝕系數(shù)=(Cr+3Mo+16N)， wt%氮含量對(duì)奧氏體不銹鋼腐蝕性的影響液態(tài)鋼液中很難利用化學(xué)反應(yīng)脫氮；液態(tài)鋼液中很難利用化學(xué)反應(yīng)脫氮；鋼液中氮的溶解度高；鋼液中氮的溶解度高；空氣氮分壓高；空氣氮分壓高；氧、硫等表面活性元素阻礙鋼液的脫氮。氧、硫等表面活性元素阻礙鋼液的脫氮。3. 3. 鋼液脫氮困難的原因鋼液脫氮困難的原因高級(jí)的熱軋鋼板氮要求低于40ppm；高強(qiáng)度管線鋼要求低于30ppm；IF冷軋鋼板要求氮低于25ppm。不同用途的鋼對(duì)氮含量的要求不同用途的鋼對(duì)氮含量的要求轉(zhuǎn)爐流程：2040ppm，最

8、低達(dá)10ppm；電爐流程：80120ppm，最低達(dá)35ppm；實(shí)驗(yàn)室： 10ppm5. 5. 目前鋼中氮的控制水平目前鋼中氮的控制水平 2）氣泡攜帶法）氣泡攜帶法 氣泡攜帶法脫氮主要是氬氣泡脫氮和CO氣泡脫氮。無論是向鋼液表面還是向鋼液內(nèi)部吹入氬氣都能脫氮。氬氣泡對(duì)于鋼液中的氮來說，相當(dāng)與一個(gè)個(gè)的小真空室，其脫氮的機(jī)理與真空脫氮的機(jī)理一樣，都可以用西華特定律來解釋。 脫碳的同時(shí)能有效地脫氮，如轉(zhuǎn)爐、電爐氧化期、VOD、AOD等脫碳時(shí)期，脫氮的效果都非常明顯。其中以轉(zhuǎn)爐的效果最好，冶煉終點(diǎn)的最低氮含量可達(dá)1015ppm。一般認(rèn)為脫碳能夠脫氮的原因是由于脫碳時(shí)生成大量的CO氣泡對(duì)于氮來說是真空，所

9、以它能將氮帶走。 真空脫氮真空脫氮 鋼液脫氮的方法鋼液脫氮的方法2NNNPfKN% 熔渣脫氮有兩種方式：一種是在鋼液中生成氮化物夾雜，這些夾雜物上浮到渣中后被去除。但這種方法受到多種因素的制約，生產(chǎn)上很難實(shí)現(xiàn)；另一種方法是造某種渣，鋼液中的氮擴(kuò)散到渣鋼界面，與渣中某種化合物反應(yīng)轉(zhuǎn)入渣相，從而達(dá)到去除的目的。 3) 熔渣脫氮熔渣脫氮煉鋼過程中氮的來源煉鋼過程中氮的來源鐵水或廢鋼鐵水或廢鋼：鐵水中含有70ppm左右的氮，廢鋼中含有70100ppm的氮，是鋼液中氮的重要來源；原材料原材料：加入鐵合金，增碳等；電弧加熱電弧加熱：電弧不僅是氣體的電離現(xiàn)象，而且還是一種高溫高速的氣體射流，它對(duì)熔池的沖擊作

10、用和LD轉(zhuǎn)爐中氧氣流股的沖擊作用在本質(zhì)上是相似的。它們都能在沖擊點(diǎn)處造成一個(gè)凹坑。大氣大氣：減少鋼液與大氣接觸的機(jī)會(huì)，在不采取保護(hù)措施的條件下，有時(shí)出鋼過程中增氮可達(dá)10ppm，澆注過程增氮2040ppm;轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低N鋼鋼轉(zhuǎn)爐流程不同工序鋼中轉(zhuǎn)爐流程不同工序鋼中NN含量的變化含量的變化A 轉(zhuǎn)爐脫氮與脫碳的關(guān)系轉(zhuǎn)爐脫氮與脫碳的關(guān)系轉(zhuǎn)爐冶煉過程脫碳的三個(gè)不同階段對(duì)應(yīng)不同的脫氮速度。氧氣射流沖擊鋼液面形成的火點(diǎn)(凹坑)是主要的反應(yīng)區(qū)。吹煉開始，火點(diǎn)區(qū)表面溫度瞬間即達(dá)到2200以上，熔池中硅先氧化，碳氧反應(yīng)還未開始，脫氮速度很小；隨吹煉的進(jìn)行，火點(diǎn)區(qū)溫度升高，鋼液中碳氧反應(yīng)增強(qiáng)，熔池產(chǎn)生大量

11、CO氣泡將鋼液中的氮脫除，在火點(diǎn)區(qū)溫度下，鋼液中氧、硫?qū)γ摰挠绊懲耆梢院雎?，存在火點(diǎn)區(qū)吸氮現(xiàn)象，但由于脫碳而進(jìn)行的脫氮量遠(yuǎn)大于吸氮量，脫氮速度迅速升高，到某一時(shí)刻達(dá)最大。此后，隨碳氧反應(yīng)強(qiáng)度降低，脫氮速度開始降低，在某時(shí)刻脫氮速度變?yōu)樨?fù)數(shù)，意味著此時(shí)鋼液由脫氮變?yōu)樵龅?24681012141618-0.50.00.51.01.5 dN/dt,0.001%/mint,min吹煉過程中脫氮速度變化B 吹氬量對(duì)終點(diǎn)吹氬量對(duì)終點(diǎn)N的影響的影響氮、氬切換后吹氬強(qiáng)度對(duì)終點(diǎn)氮含量也有影響。由圖可見，當(dāng)采用0.078Nm3/min.t的吹氣強(qiáng)度，氮、氬80%時(shí)，其終點(diǎn)氮含量值與0.038Nm3/min.

12、t吹氣強(qiáng)度，氮、氬65%切換時(shí)基本相同，說明即使氮、氬切換時(shí)間較晚，仍可通過增大吹氬強(qiáng)度的方法，達(dá)到較低的終點(diǎn)氮含量，決定氮、氬切換終點(diǎn)氮含量的主要因素是吹氬量。1418.317024681012141618200.078,65%切換0.038,65%切換0.078,80%切換供氣強(qiáng)度氮含量/ppm吹A(chǔ)r強(qiáng)度對(duì)終點(diǎn)N的影響C 終點(diǎn)碳含量的影響終點(diǎn)碳含量的影響復(fù)吹轉(zhuǎn)爐出鋼碳含量對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響如圖所示，鋼液終點(diǎn)碳含量對(duì)出鋼鋼液氮含量影響不顯著。說明脫氮是在吹煉前期進(jìn)行的，后期C-O反應(yīng)減弱，同時(shí)氮含量又較低，很難表現(xiàn)出明顯的脫氮現(xiàn)象。051015202530354045101520253035

13、氮、氬 70% 切 換吹 氣 強(qiáng) 度 0.038Nm3/min.t N,10-4%C,10-2%鋼液終點(diǎn)碳含量的影響臺(tái)灣中鋼生產(chǎn)IF鋼時(shí)鐵水比與終點(diǎn)N的關(guān)系 D D鐵水裝入比對(duì)吹煉終點(diǎn)氮含量的影響鐵水裝入比對(duì)吹煉終點(diǎn)氮含量的影響 E 補(bǔ)吹的影響補(bǔ)吹的影響補(bǔ)吹也是影響轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量的主要因素，補(bǔ)吹可使鋼液氮含量明顯增高。轉(zhuǎn)爐冶煉接近終點(diǎn)時(shí)，因?yàn)榱缀砍瑯?biāo)或溫度偏低等原因，在吹煉末期，經(jīng)常需要補(bǔ)吹，此時(shí)熔池碳含量已很低，CO產(chǎn)生量很小，爐渣乳化現(xiàn)象較弱，鋼液面裸露，吹氧過程，鋼液將在火點(diǎn)區(qū)從氣相中吸氮，故應(yīng)避免補(bǔ)吹操作。14.618.427.30510152025301次吹成補(bǔ)吹1次補(bǔ)吹2次補(bǔ)吹次

14、數(shù)氮含量/ppm補(bǔ)吹對(duì)出鋼氮含量的影響 F 出鋼口對(duì)鋼液氮含量的影響出鋼口對(duì)鋼液氮含量的影響生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，出鋼口的形狀對(duì)吸氮量有重要影響。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，出鋼口使用初期，出鋼過程基本不會(huì)從大氣中吸氮，在出鋼口使用后期，由于出鋼過程鋼液散溜，一般增氮達(dá)57ppm左右。在爐役后期，應(yīng)加強(qiáng)出鋼口的維護(hù)，在生產(chǎn)低氮鋼時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換出鋼口。G后期爐內(nèi)加鐵皮對(duì)鋼液氮含量的影響后期爐內(nèi)加鐵皮對(duì)鋼液氮含量的影響 轉(zhuǎn)爐吹煉后期加入鐵皮、輕燒白云石等使?fàn)t內(nèi)爐渣發(fā)泡，避免火點(diǎn)區(qū)或減小火點(diǎn)區(qū)的裸露，從而有利于降低出鋼氮含量。 轉(zhuǎn)爐冶煉未期加鐵皮對(duì)出鋼氮含量的影響 美國內(nèi)陸鋼鐵公司鋼中氮含量的變化美國內(nèi)陸鋼鐵公

15、司鋼中氮含量的變化使用高純度的氧氣；提高供氧強(qiáng)度；采用爐氣未完全燃燒法操作；吹煉終點(diǎn)采用低槍位；減小爐口直徑；減少鐵水中的氮含量；減少使用氮含量高的廢鋼。轉(zhuǎn)爐流程脫氮的措施D 出鋼脫氧對(duì)鋼包鋼液含量的影響出鋼時(shí)用鋁深脫氧的鋼液吸氮量大于不用鋁脫氧的鋼液吸氮量. 研究表明鋼液吸氮為液相傳質(zhì)控制屬一級(jí)反應(yīng)，其表示式為： 式中：%N鋼液中氮的質(zhì)量百分濃度；%Ne與氮分壓平衡的鋼液中氮的質(zhì)量百分濃度； F鋼液表面積；V鋼液體積；傳質(zhì)系數(shù)。研究表明：當(dāng)溶解氧高時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)小，不利于鋼液吸氮，而氧低時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)大，為吸氮?jiǎng)?chuàng)造了動(dòng)力學(xué)條件。出鋼過程深脫氧鋼液，平均吸氮量為14ppm , 遠(yuǎn)大于出鋼過程鋼液吸

16、氮量可達(dá)510ppm左右的試驗(yàn)結(jié)果。)%(%NNVFkdNdel2%NNNePfKNLk 出鋼過程鋁脫氧對(duì)鋼液吸氮的影響出鋼過程鋁脫氧對(duì)鋼液吸氮的影響 鋁脫氧鋼液出鋼氮含量對(duì)出鋼過程增氮的影響0510152025302025303540455055出鋼氮含量/ p p m增氮量/ p p m24681012141618200.020.0250.030.0350.040.0450.05鋁含量/%增氮量/ppm出鋼加鋁量對(duì)出鋼過程鋼液增氮的影響 C、Si含量對(duì)出鋼氮量的影響含量對(duì)出鋼氮量的影響CO通過吹氧將熔池中的碳或DRI中的碳脫去而產(chǎn)生，當(dāng)硅的含量減少到0.01%或者更低時(shí)，氮的去除可持繼到碳

17、脫到0.2%；再繼續(xù)脫碳一般情況下氮不再下降，更多的情況下要增氮，這是因?yàn)椋?) 碳含量降低熔池中的氧含量大量增加，尤其當(dāng)碳低于0.1% ，吹入的氧用于脫碳的量減少，更多的氧用于形成氧化鐵而進(jìn)入渣中。2）碳低時(shí)在吹氧過程中形成的氣泡中CO的平衡分壓降低。同樣，CO的量減少，CO2的量增加。3）產(chǎn)生的CO量少之后熔池從電極區(qū)增加的氮上升。鈣處理對(duì)鋼液中氮含量的影響鈣處理對(duì)鋼液中氮含量的影響 在喂CaSi線過程中有時(shí)會(huì)造成一定的增氮量。喂線過程中增氮主要是由于Ca氣化形成Ca氣泡將鋼液面吹開，造成裸露的鋼液從空氣中吸氮而產(chǎn)生的，但如果渣層較厚，CaSi線穿過渣層進(jìn)入鋼液，而不把鋼液面吹開，就有可能避免裸露鋼液吸氮。另外還要考慮到CaSi線本身的增氮。如圖所示加入原材料中CaSi線中氮的含量，對(duì)鋼液增氮影響較大。試驗(yàn)中60#鋼喂線200米后鋼液中的氮幾乎沒有變化，說明CaSi線中的氮對(duì)鋼液增氮影響較小。對(duì)60Si2Cr鋼種喂線后，鋼液中的氮升高，平均