20Mn2的氧、氮控制工艺

20Mn2的氧、氮控制工艺

杨伟勇  韩伦杰

（芜湖新兴铸管有限公司，安徽芜湖 241002）

摘  要：本文介绍了芜湖新兴有限公司炼钢部生产宝力（泰国）专供20Mn2的炼钢冶炼过程中LF炉及VD炉对钢水中氮、氧含量的工艺控制。通过不断优化生产工艺，对此类低碳低硫钢种冶炼时降低氮、氧含量，提供稳定的质量。

关键词：20Mn2 精炼工艺；氮含量；氧含量

1 前言

此批20Mn2是芜湖新兴铸管生产的首批出口钢中的一种，是新兴铸管制造用钢品牌走向国际的第一步，主要用于管线钢管用热轧，钢坯具有中等强度。冷变形时塑性高，低温性能良好，具有较高的抗拉强度，因为钢种的低碳低硫特性以及为了降低生产成本，生产时完全使用高碳铬铁替代低碳铬铁，对降低钢水中的氧、氮含量产生不利影响。

2 炼钢设备情况及工艺流程

   2.1 设备条件

转炉2座~LF精炼炉2座~VD炉1座~三机三流连铸机1台

2.2 化学成分设计

参考GB/T3077标准成分，结合芜湖新兴铸管公司内部协议WXJX-2013-027以及生产工艺实际以及用户对性能的要求，对20Mn2成分设计如表一。

表1  20Mn2化学成分(质量分数/%)

2.3 工艺流程

芜湖新兴铸管炼钢部（弋江区）生产20Mn2的主要流程为：混铁炉→转炉吹氧冶炼→LF

还原冶炼→VD真空冶炼→连铸浇铸

3 20Mn2目前钢坯的氧、氮含量

2013年12月生产20Mn2四个中包共计94炉，氧含量与之前生产的同为出口钢的30Mn2相对比，氧含量偏高（[O]≤35ppm），如图一，氮含量控制也略偏高（[N]≤80ppm），如图二。

图一：30Mn2与20Mn2的氧含量点状图

从上图可以看出，生产30Mn2以及常规钢种时，钢水中的[O]能控制在20ppm以下，最低降到10ppm。但是20Mn2生产时，虽然给予出口钢高度重视，总体氧含量仍偏高。钢水中的氮含量集中在65~80ppm之间，总体偏高。

4 钢中氧、氮危害

4.1 氮的危害

(1) [N]使钢产生应变时效，即钢在冷加工变形时,由于氮的作用,使钢的强度、硬度提高,塑性与冲击韧性下降，这种缺陷多发生在冷轧低碳钢；

(2) [N]使钢产生“老化”，由于温度降低后,氮的溶解度也随之下降,在晶界上析出Fe16N2 , Fe4N，这种析出物很脆,使钢断裂，但这种析出过程缓慢,时间往往很长,因此又被称作“老化”，

这种现象对低碳钢在低温状态使用中尤为突出；

(3) 钢中氮在晶界析出，还能使钢材的脆性增大、氮与钢中的Ti或Al结合产生（TiN）和（AlN），弱化晶界强度，易造成铸坯表面裂纹。

4.2 氧的危害

氧在钢中的主要有害作用是通过夹杂物的行为表现出来的。钢中氧化物夹杂,使钢的强度、塑性全面下降。因此在作全氧分析后,人们认为全氧的增高,使钢的综合机械性能包括抗变形能力、冲击韧性、切削性等等各项指标均有所下降，危害极大；

5 钢中氧、氮的来源及控制措施

5.1 降低钢水中的氮

钢水中氮含量=炉料中氮含量-转炉冶炼时脱氮量+转炉出钢过程增氮量+精炼过程增氮量-VD真空脱氮量+连铸浇铸过程增氮量。

整个20Mn2生产冶炼过程中，将不同炉次的流程变量单独分析，20Mn2钢种硫含量要求较低导致LF炉冶炼时间偏长，此次部分炉次氮含量比较高主要与LF炉的通电时间与冶炼周期有关，见图三及图四。

 图三：氮气含量与精炼周期                       周四：氮含量与通电时间

同时要做好以下工作整体降低钢水中的氮含量：

（1）LF炉操作时应增加精炼合成渣加入量，确保精炼炉埋弧操作，消除或减少电弧电离炉气中氮使之进入钢液；精炼过程尽量避免大氩气流量搅拌钢液；

（2）对于LF炉冶炼时间较长的钢水，VD炉要延长抽真空时间及高真空保持时间，或者高真空保持时增大氩气搅拌流量，保证真空脱氮量；

（3）钢水软吹时禁止与空气接触，连铸浇铸过程中保证保护浇铸；

（4）转炉保证LF炉进站成分与温度，LF快速升温脱S，减少通电时间与LF冶炼时间；

（5）较少LF炉调成分次数，避免调成分时氩气大搅拌造成的增氮；

（6）禁止出现因钢包无氩气而导致钢水倒包，在钢水倒包的过程中，钢水也会大量吸氮。

5.2 降低钢水中的氧

为了节约成本，20Mn2的生产，转炉于出站时全部加入高碳铬铁、中碳硅锰以及高碳锰铁，造成了LF炉补完合金之后，钢水碳含量较高，并且碳成分上限较低为0.20%，低碳钢在VD炉及中包浇铸过程中可能会增碳0.01%左右，LF炉为了防止碳成分超标不能充分利用碳化硅调渣脱氧，造成钢水中的全氧含量比较高。另外低碳钢生产，为了节约低碳铬铁消耗，转炉为保证出钢碳，钢水过氧化严重，加重了LF炉的脱氧负担，对钢坯质量的稳定性产生影响。

对20Mn2炉渣随机抽查化验分析如表二：

（1）根据理论和分析，在一定温度和一定成分条件下，扩散脱氧反应充分，降低渣中FeO、MnO等氧化物含量，提高渣的碱度，钢中氧含量随之降低，因此生产中转炉尽可能降低碳含量，LF炉进站将碳化硅分批少量的将碳化硅撒进钢包，同时适当调小氩气，减少调渣增碳。

（2）为进一步降低氧含量，采取钢液中喂铝线深脱氧方法。钢液中铝与氧反应分两部分：一部分与溶解氧反应，另一部分与氧化物（FeO、MnO、SiO2等） 反应生成Al2O3。在渣流动性和还原好的情况下主要与溶解氧反应。LF化渣后提前喂入铝线，并且保证终点Al，禁止无铝冶炼；

（3）保证VD炉高真空度下保持时间能降低钢水中的[O]。

6 结论

（1）通过提高LF进站温度、成分，减少LF冶炼时间，以及埋弧操作、延长真空、快速调成分等措施降低钢水中的氮含量；

（2）20Mn2脱氧难度大，并且调渣增碳问题制约脱氧剂的加入量，但通过造高碱度精炼渣，改变脱氧剂加入方法，用Al强制脱氧，钢液真空处理，并且保证足够的真空时间，精炼炉严格控制好各工序温度和吹氩强度，降低浇钢温度等措施，可以将氧含量降下来。

参考文献

[1] 赵沛，成国光. 炉外精炼及铁水预处理实用技术手册.冶金工业出版社，2004，106.

[2] 黄希祜，钢铁冶金原理.冶金工业出版社，1993.190.