低氮钢生产311

1、低氮钢的生产低氮钢的生产1. N1. N对钢材性能的有害影响对钢材性能的有害影响导致钢材时效；导致钢材时效；降低钢成形性；降低钢成形性；降低钢的焊接性能；降低钢的焊接性能；降低钢的高温韧性和塑性；降低钢的高温韧性和塑性； 加剧钢材的冷脆。加剧钢材的冷脆。 氮含量对应力时效的影响 对于低碳钢，氮可以导致时效和兰脆现象。时效通常是发生在100200之间，但事实上当氮是以间隙状存在时，应力时效可在室温下进行。这种现象对要求得有良好深冲性的薄板钢产生危害，也降低冷轧结构钢的断裂韧性。氮在铁中的溶解度在590时达到最大，约0.1%，在室温时则降至0.0015 %以下.当将氮含量较高的钢自高温较快地冷却时

2、，铁素体就会被氮过饱和。如果将此钢材在室温下静置，随着时间的延长，氮将逐渐以Fe4N的形式析出。这虽然能使钢的强度和硬度上升，但使塑性和韧性下降。经过冷变形的钢材在室温或稍高温度下放置，也会脆化。钢中自由氮含量越高，时效现象越严重，因时效引起的强度的增加越严重。导致钢材时效导致钢材时效 钢中自由的氮形成固溶体，造成固溶强化，加上时效作用，使钢的塑性和韧性降低，冷加工性能下降如图所示。为了减少氮的固溶硬化作用,需加入与氮结合能力强的元素TiAlB或V,形成氮化物.这种类型的典型钢种是IF钢。 氮含量对未脱氧钢平均塑性应变率r的影响 降低钢的成形性降低钢的成形性降低钢的焊接性能降低钢的焊接性能夏比

3、冲击韧性转变温度随焊接金属氮含量的变化 氮对HSLA钢的焊接性能的坏影响已被广泛认可。尤其是发生在氩埋弧焊管线钢存在较大焊接冲稀作用时。焊缝的氮含量取决于母体的氮含量。母体的氮含量越高，焊缝的氮含量越高。即使氮在母体中以氮化物形式存在，氮的传递依然存在。氮含量越高，钢的脆性转变温度升高，韧性下降。韧性降低的原因是由于有益的针状铁素体数量随氮含量增加而减少而造成的。因此，降低母材中的氮含量是提高钢的焊接性能的唯一办法。 在HAZ范围内氮化物分解，尤其是在焊缝附近，这就增加自由氮含量。图1-5表示氮含量增加低碳微合金钢的低温脆性转变温度升高，韧性变差。氮含量从0.002%升到0.006%，转变温度

4、从-50升到0。这是由于氮含量增加在HAZ区形成少量脆性马氏体和奥氏体的缘故。焊缝氮含量对裂纹出现初始温度的影响 HAZ(Heat Affected Zone)韧性韧性 N对碳钢韧脆转换温度的影响降低钢的高温韧性和塑性降低钢的高温韧性和塑性 氮促进连铸时铸坯开裂，因为氮降低了钢的高温韧性和塑性。氮降低钢的高温韧性和塑性如图所示。图中可以看出当Al、Nb含量一定时C-Mn-Al-Nb(HSLA)型钢中氮对高温塑性的影响。尽管图中所示的差别并不大，但是当钢中的铝含量从0.03%增加到0.05%时，测出的最小断面收缩率一直扩展到950。这是由于AlN的析出刺在奥氏体边界上，减少连铸过程中产生的应力的

5、释放所致减少由于氮高造成的连铸裂纹可通过加入一定的Ti降低自由的N含量即可得到良好的效果。C-Mn-Al-Nb(HSLA)钢中氮对高温韧性的影响增加钢材的强度；增加钢材的强度；细化晶粒；细化晶粒；改善基体的表面性能；改善基体的表面性能；提高耐腐蚀性能。提高耐腐蚀性能。2. N2. N对钢材性能的有益作用对钢材性能的有益作用铁素体钢中不同元素的固溶强化能力 奥氏体不锈钢中的不同元素的固溶强化能力 氮在奥氏体不锈钢中溶解度很大，因此氮作为不锈钢的一种有价值的固溶硬化剂。尽管其机理比较复杂，也可能是由于晶粒细化的作用，但是氮的增加强度却增加得多。增加钢材的强度 晶粒细化是在热处理过程中由氮化物粒子提

6、供的。正火钢中析出的细小AlN，是非常有效的晶粒细化剂，它起到钉扎剂的作用，阻止奥氏体的长大。图1-9表示了含Ni正火热处理结构钢氮含量对晶粒度的影响。其中，Al、Ni含量0.03%保持不变。当氮含量为0.01%时晶粒最细，即Al/N为3，比其化学计量值2略大。此时，除铝外在没有其它晶粒细化剂的条件下氮的作用尤其重要。 氮含量对晶粒粒度的影响 细化晶粒提高耐腐蚀性能 氮在奥氏体不锈钢中有三大作用：耐高温性能增加、增加强度、抗腐蚀能力增强。抗腐蚀性与氮的关系如1-10所示。关于腐蚀有两方面的因素：一方面虽然氮含量会加速晶间腐蚀，尤其是在重新加热过程生成的氮化物或碳化物，但是，另一方面在碳含量较低

7、的条件下它们的效果是较小的，可以忽略。而氮增加钢抗点蚀的能力却很强。其点蚀系数可以表达为：点蚀系数=(Cr+3Mo+16N)， wt%氮含量对奥氏体不锈钢腐蚀性的影响液态钢液中很难利用化学反应脱氮；液态钢液中很难利用化学反应脱氮；钢液中氮的溶解度高；钢液中氮的溶解度高；空气氮分压高；空气氮分压高；氧、硫等表面活性元素阻碍钢液的脱氮。氧、硫等表面活性元素阻碍钢液的脱氮。3. 3. 钢液脱氮困难的原因钢液脱氮困难的原因高级的热轧钢板氮要求低于40ppm；高强度管线钢要求低于30ppm；IF冷轧钢板要求氮低于25ppm。不同用途的钢对氮含量的要求不同用途的钢对氮含量的要求转炉流程：2040ppm，最

8、低达10ppm；电炉流程：80120ppm，最低达35ppm；实验室： 10ppm5. 5. 目前钢中氮的控制水平目前钢中氮的控制水平 2）气泡携带法）气泡携带法 气泡携带法脱氮主要是氩气泡脱氮和CO气泡脱氮。无论是向钢液表面还是向钢液内部吹入氩气都能脱氮。氩气泡对于钢液中的氮来说，相当与一个个的小真空室，其脱氮的机理与真空脱氮的机理一样，都可以用西华特定律来解释。 脱碳的同时能有效地脱氮，如转炉、电炉氧化期、VOD、AOD等脱碳时期，脱氮的效果都非常明显。其中以转炉的效果最好，冶炼终点的最低氮含量可达1015ppm。一般认为脱碳能够脱氮的原因是由于脱碳时生成大量的CO气泡对于氮来说是真空，所

9、以它能将氮带走。 真空脱氮真空脱氮 钢液脱氮的方法钢液脱氮的方法2NNNPfKN% 熔渣脱氮有两种方式：一种是在钢液中生成氮化物夹杂，这些夹杂物上浮到渣中后被去除。但这种方法受到多种因素的制约，生产上很难实现；另一种方法是造某种渣，钢液中的氮扩散到渣钢界面，与渣中某种化合物反应转入渣相，从而达到去除的目的。 3) 熔渣脱氮熔渣脱氮炼钢过程中氮的来源炼钢过程中氮的来源铁水或废钢铁水或废钢：铁水中含有70ppm左右的氮，废钢中含有70100ppm的氮，是钢液中氮的重要来源；原材料原材料：加入铁合金，增碳等；电弧加热电弧加热：电弧不仅是气体的电离现象，而且还是一种高温高速的气体射流，它对熔池的冲击作

10、用和LD转炉中氧气流股的冲击作用在本质上是相似的。它们都能在冲击点处造成一个凹坑。大气大气：减少钢液与大气接触的机会，在不采取保护措施的条件下，有时出钢过程中增氮可达10ppm，浇注过程增氮2040ppm;转炉生产低转炉生产低N钢钢转炉流程不同工序钢中转炉流程不同工序钢中NN含量的变化含量的变化A 转炉脱氮与脱碳的关系转炉脱氮与脱碳的关系转炉冶炼过程脱碳的三个不同阶段对应不同的脱氮速度。氧气射流冲击钢液面形成的火点(凹坑)是主要的反应区。吹炼开始，火点区表面温度瞬间即达到2200以上，熔池中硅先氧化，碳氧反应还未开始，脱氮速度很小；随吹炼的进行，火点区温度升高，钢液中碳氧反应增强，熔池产生大量

11、CO气泡将钢液中的氮脱除，在火点区温度下，钢液中氧、硫对脱氮的影响完全可以忽略，存在火点区吸氮现象，但由于脱碳而进行的脱氮量远大于吸氮量，脱氮速度迅速升高，到某一时刻达最大。此后，随碳氧反应强度降低，脱氮速度开始降低，在某时刻脱氮速度变为负数，意味着此时钢液由脱氮变为增氮。024681012141618-0.50.00.51.01.5 dN/dt,0.001%/mint,min吹炼过程中脱氮速度变化B 吹氩量对终点吹氩量对终点N的影响的影响氮、氩切换后吹氩强度对终点氮含量也有影响。由图可见，当采用0.078Nm3/min.t的吹气强度，氮、氩80%时，其终点氮含量值与0.038Nm3/min.

12、t吹气强度，氮、氩65%切换时基本相同，说明即使氮、氩切换时间较晚，仍可通过增大吹氩强度的方法，达到较低的终点氮含量，决定氮、氩切换终点氮含量的主要因素是吹氩量。1418.317024681012141618200.078,65%切换0.038,65%切换0.078,80%切换供气强度氮含量/ppm吹Ar强度对终点N的影响C 终点碳含量的影响终点碳含量的影响复吹转炉出钢碳含量对终点氮含量的影响如图所示，钢液终点碳含量对出钢钢液氮含量影响不显著。说明脱氮是在吹炼前期进行的，后期C-O反应减弱，同时氮含量又较低，很难表现出明显的脱氮现象。051015202530354045101520253035

13、氮、氩 70% 切 换吹 气 强 度 0.038Nm3/min.t N,10-4%C,10-2%钢液终点碳含量的影响台湾中钢生产IF钢时铁水比与终点N的关系 D D铁水装入比对吹炼终点氮含量的影响铁水装入比对吹炼终点氮含量的影响 E 补吹的影响补吹的影响补吹也是影响转炉终点氮含量的主要因素，补吹可使钢液氮含量明显增高。转炉冶炼接近终点时，因为磷含量超标或温度偏低等原因，在吹炼末期，经常需要补吹，此时熔池碳含量已很低，CO产生量很小，炉渣乳化现象较弱，钢液面裸露，吹氧过程，钢液将在火点区从气相中吸氮，故应避免补吹操作。14.618.427.30510152025301次吹成补吹1次补吹2次补吹次

14、数氮含量/ppm补吹对出钢氮含量的影响 F 出钢口对钢液氮含量的影响出钢口对钢液氮含量的影响生产中发现，转炉出钢时，出钢口的形状对吸氮量有重要影响。本试验中发现，出钢口使用初期，出钢过程基本不会从大气中吸氮，在出钢口使用后期，由于出钢过程钢液散溜，一般增氮达57ppm左右。在炉役后期，应加强出钢口的维护，在生产低氮钢时，应及时更换出钢口。G后期炉内加铁皮对钢液氮含量的影响后期炉内加铁皮对钢液氮含量的影响 转炉吹炼后期加入铁皮、轻烧白云石等使炉内炉渣发泡，避免火点区或减小火点区的裸露，从而有利于降低出钢氮含量。 转炉冶炼未期加铁皮对出钢氮含量的影响 美国内陆钢铁公司钢中氮含量的变化美国内陆钢铁公

15、司钢中氮含量的变化使用高纯度的氧气；提高供氧强度；采用炉气未完全燃烧法操作；吹炼终点采用低枪位；减小炉口直径；减少铁水中的氮含量；减少使用氮含量高的废钢。转炉流程脱氮的措施D 出钢脱氧对钢包钢液含量的影响出钢时用铝深脱氧的钢液吸氮量大于不用铝脱氧的钢液吸氮量. 研究表明钢液吸氮为液相传质控制属一级反应，其表示式为： 式中：%N钢液中氮的质量百分浓度；%Ne与氮分压平衡的钢液中氮的质量百分浓度； F钢液表面积；V钢液体积；传质系数。研究表明：当溶解氧高时，传质系数小，不利于钢液吸氮，而氧低时，传质系数大，为吸氮创造了动力学条件。出钢过程深脱氧钢液，平均吸氮量为14ppm , 远大于出钢过程钢液吸

16、氮量可达510ppm左右的试验结果。)%(%NNVFkdNdel2%NNNePfKNLk 出钢过程铝脱氧对钢液吸氮的影响出钢过程铝脱氧对钢液吸氮的影响 铝脱氧钢液出钢氮含量对出钢过程增氮的影响0510152025302025303540455055出钢氮含量/ p p m增氮量/ p p m24681012141618200.020.0250.030.0350.040.0450.05铝含量/%增氮量/ppm出钢加铝量对出钢过程钢液增氮的影响 C、Si含量对出钢氮量的影响含量对出钢氮量的影响CO通过吹氧将熔池中的碳或DRI中的碳脱去而产生，当硅的含量减少到0.01%或者更低时，氮的去除可持继到碳

17、脱到0.2%；再继续脱碳一般情况下氮不再下降，更多的情况下要增氮，这是因为：1) 碳含量降低熔池中的氧含量大量增加，尤其当碳低于0.1% ，吹入的氧用于脱碳的量减少，更多的氧用于形成氧化铁而进入渣中。2）碳低时在吹氧过程中形成的气泡中CO的平衡分压降低。同样，CO的量减少，CO2的量增加。3）产生的CO量少之后熔池从电极区增加的氮上升。钙处理对钢液中氮含量的影响钙处理对钢液中氮含量的影响 在喂CaSi线过程中有时会造成一定的增氮量。喂线过程中增氮主要是由于Ca气化形成Ca气泡将钢液面吹开，造成裸露的钢液从空气中吸氮而产生的，但如果渣层较厚，CaSi线穿过渣层进入钢液，而不把钢液面吹开，就有可能避免裸露钢液吸氮。另外还要考虑到CaSi线本身的增氮。如图所示加入原材料中CaSi线中氮的含量，对钢液增氮影响较大。试验中60#钢喂线200米后钢液中的氮几乎没有变化，说明CaSi线中的氮对钢液增氮影响较小。对60Si2Cr钢种喂线后，钢液中的氮升高，平均