钟晓丹1，2，宋满堂1，于华财1，王会忠1，邹宗树2

( 1． 本溪钢铁( 集团) 有限责任公司，辽宁 本溪 117021; 2． 东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004)

摘  要: 为了使非调质曲轴钢中氮含量达到标准要求，本溪钢铁( 集团) 有限责任公司采用“转炉→LF→RH→矩形坯连铸”工艺，RH 全程用氮气做提升气体，同时补加氮化锰合金，满足钢中氮含量要求。实践表明，此工艺可行，w( N) 可稳定控制在( 110 ～160) ×10－ 6。另外，中包钢水中 w( H) 可以有效控制在2． 5 × 10－ 6以下，钢材各项检验结果可以满足标准要求。

关键词: 转炉; 非调质曲轴钢; 氮合金化; 矩形坯

非调质曲轴钢的生产一般在钢中加入一定量的氮来固溶强化，提高钢的强度和低温韧性。转炉生产曲轴钢采用铁水冶炼，钢中原始氮含量较低，因此必须在精炼工序进行氮合金化。本溪钢铁( 集团) 有限责任公司( 以下简称“本钢”) 炼钢厂经过试验，采用“转炉→LF→RH→矩形坯连铸”工艺生产曲轴钢，通过将 RH 工序的提升气体改为氮气，另外适当补充一定量的氮化锰合金来保证钢中的氮含量。生产实践表明，此方法可以稳定控制钢中的氮含量。

1 生产现状

曲轴钢冶炼的限制环节主要是氮的合金化，传统工艺一般是通过向钢水中加入氮合金或者钢包吹氮等来增氮［1-2］，但是多是在常压条件下进行。在 VD 真空条件下，多通过钢包吹氮来满足含氮钢的氮要求［3］。

本钢从2007 年末采用转炉工艺生产非调质曲轴钢。最初生产曲轴钢时，为了保证钢中氮含量，不进行 RH 工艺处理，只是在 LF 工序加入含氮合金来增氮，氮的收得率比较稳定基本在45 % 左右。此工艺虽然能够保证钢中氮的含量，但是由于该钢种合金加入量大，再加上过程其它因素影响，钢中氢含量往往偏高，中包钢水 w( H) 达到( 5 ～7)× 10－ 6，很容易在轧制钢材后出现白点缺陷。

为了控制钢中的氢含量，后来把精炼工艺改成 RH + LF，即先通过 RH 循环来降低钢中原始氢含量，然后在到 LF 进行氮的合金化。但由于 LF周期长，加入的造渣料及合金也难免带入钢中水分，钢水中氢含量虽比单独走 LF 路径的要低，但实际氢质量分数基本上为( 3 ～5) ×10－ 6，仍然不能避免轧材发生白点缺陷。

到 2009 年，非调质曲轴钢精炼工艺开始采用LF + RH。通过近一年的研究和实践，摸索出利用氮气做 RH 提升气体并适当补充一定量的氮化锰合金来增氮的方法。

2 曲轴钢化学成分及工艺流程

2． 1 化学成分

本 钢 生 产 的 曲 轴 钢 主 要 为 48MnV 和S38MnSiV 两个牌号，其主要化学成分见表 1 所示。

2． 2 工艺流程

生产曲轴钢的基本工艺流程为: 铁水预处理→150 t 顶底复吹转炉→LF 精炼→RH 脱气→矩形坯连铸( 350 mm ×470 mm) 。

转炉出钢时，将 w( Mn) 调整至 0． 65 % 左右，预留一部分到 RH 加氮化锰增氮，其他成分调整至内控下限。LF 造白渣，微合金化。LF 后期用硫线调硫。最后在 RH 工序采用氮气做提升气体并且加氮化锰调整氮含量至目标值。

3 RH 工序氮合金化工艺

3． 1 本钢 4 号 RH 基本工艺参数

本钢 4 号 RH 为西安重型机械研究所设计制造，2008 年 12 月建成投产，钢包容量 150 t。4 号RH 部分基本工艺参数见表 2。

3． 2 氮在钢水中的行为

氮在钢水中的溶解过程可通过式 ( 1) 表示［4］

从式( 3) 可以看出，氮在钢中的溶解度取决于温度、金属成分以及与金属相平衡的气相中该气体的分压; 氮在液态钢水中的溶解度随着温度的升高而增加。钢中各元素对氮的溶解度也有影响: Mo、Mn、Cr、V、Ti、Al 等元素能够增加氮在钢水中的溶解度; Si、C、S、O 等元素能够降低氮的溶解度［4］。钢液中合金元素 j 与氮的活度相互作用系数 ejN见表 3［5］。对于 48MnV 曲轴钢，计算1 873 K 时，氮气分压为 1 个大气压、5 000 Pa、100Pa 时，钢水中氮的理论溶解度分别为 488 × 10－ 6、108 × 10－ 6、16 ×10－ 6。

3． 3 RH 增氮工艺实践

钢水进入 RH 工序后，将提升气体从氩气切换成氮气，先采用小泵循环，RH 真空度达到100 Pa 以下，循环10 min 左右。此过程主要为了降低钢水中的氢含量，小泵循环后，钢中w( H) 降低至1 ×10－ 6以下; 然后改为大泵循环。当真空度达到5 000 Pa 左右时，根据标准对氮含量的要求不同，从高位料仓加入一定量的氮化锰合金( w( C) ≤1．0 %，w( Mn) =73 % ～78 % ，w( N) = 4 % ～ 5 % ) 。加入合金后循环3 ～5 min 复压，喂完钙线后软吹 15 min 以上，成分合格后吊至矩形坯铸机浇铸。

3． 4 氮在冶炼过程的变化

试验对生产的 3 炉 48MnV 钢的过程氮含量进行了分析、标定。

3． 4． 1 转炉至 RH 前钢水中氮的变化

由于采用转炉冶炼，钢水中原始的氮含量很低。从转炉到 RH 精炼前，转炉出钢过程的初始合金化、从空气中吸氮及 LF 工序电极电离产生的氮是钢水中增氮的主要来源。过程氮含量的变化趋势见图 1。

3． 4． 2 RH 钢水中氮的变化

RH 处理过程中氮的变化趋势见图 2。可以看出，RH 过程中增氮主要为提升气体及氮化锰合金两部分，RH 复压后至中包氮含量变化不大。提升气体能够使 w( N) 增加( 15 ～ 25) × 10－ 6，在提升气体为氮气的情况下，加入 800 kg 左右的氮化锰合金能够使 w( N) 增加( 30 ～ 40) × 10－ 6左右，氮化锰合金中氮元素的收得率为15 % ～20 % ，比在 LF 加氮化锰合金的收得率低20 % 左右，这主要是由于常压下氮在钢中的溶解度比在真空下高得多。

在真空条件下钢中实际氮含量比利用式( 3)理论计算的溶解度要高，这主要是由于实际钢水温度有偏差以及 RH 真空罐的真空度有波动等原因造成的。

4 矩形坯连铸工艺

矩形坯铸机从达涅利引进，为 4 机 4 流全弧形，弧形半径 14 m，断面尺寸 350 mm × 470 mm。矩形坯连铸采用全程保护浇铸，采用结晶器电磁搅拌及轻压下工艺，保证了铸坯低倍质量。对非调质曲轴钢( 包括 48MnV、S38MnSiV) 铸坯取试片，冷酸侵蚀后做低倍检验。共检验 18 个试片，其中铸坯中心疏松级别最大不超过 1． 0 级，铸坯缩孔缺陷不超过 0． 5 级，可满足后续轧制要求。

5 曲轴钢轧材检验结果

自从采用“转炉→LF→RH→矩形坯连铸”工艺，并利用氮气做 RH 提升气体增氮生产非调质曲轴钢以来，不仅氮含量控制稳定，而且中包钢水氢质量分数也有效控制在2． 5 × 10－ 6以下。表 4～ 表 7 为调整工艺后 2010 年全年曲轴钢轧材的检化验结果，可以看出，钢材的各项检验结果均符合标准要求，钢材逐支探伤，符合国标探伤 A 级标准。虽然该工艺可以保证曲轴钢的成分及性能要求，但是在生产中仍需补充一定量的含氮合金。如何调整合适的工艺减少含氮合金的加入，甚至完全用气体增氮取代含氮合金以降低成本，是今后生产试验中需要研究的方向。

6 结 论

1) 采用“复吹转炉冶炼→LF 炉→RH→矩形坯连铸”工艺生产曲轴钢，通过用氮气做 RH 提升气体配合加氮化锰合金化来满足钢中氮含量要求，工艺可行，钢材的化学成分均达到了标准控制范围，w( N) 可稳定控制在( 110 ～160) ×10－ 6。

2) 在 RH 真空状态下，提升气体为氮气的情况下，加入氮化锰合金后氮的收得率为15 % ～20 % 。

3) 在试验钢材的物理检验评级中，低倍组织缺陷等级低、非金属夹杂物等级低、力学性能满足标准要求，各项评级等级完全满足技术条件要求。

参 考 文 献

［1］  刘守平，孙善长． 含氮钢吹氮合金化［J］． 重庆大学学报( 自然科学版) ，2002( 5) : 83-85．

［2］  戴观文，梁玫，武云峰，等． 转炉生产热锻非调质钢 F40MnV的工艺实践［J］． 特殊钢，2005( 3) : 57-58．

［3］  高金涛，李士琦，关勇，等． BOF-LF-VD 冶炼非调质 N80 钢工艺［J］． 北京科技大学学报，2011( 增刊 1) : 57-62．

［4］  王雅贞，李承祚． 转炉炼钢问答［M］． 北京: 冶金工业出版社，2003．

［5］  陈家祥． 炼钢常用图标数据手册［M］． 北京: 冶金工业出版社，2010．