CN100557038C - 一种超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法 - Google Patents

Abstract

一种超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法，其步骤如下：(1)将钢包放入真空罐内抽真空，气压保持在260-350mbar，打开底吹氩气；(2)真空罐内气压降至200-250mbar时吹氧脱碳；(3)当钢液中碳的含量降至0.03%-0.05%停止吹氧，真空度不大于1mbar时，沸腾时间≥20分钟；钢包底部气体搅拌强度≥13L/(min.t)；(4)加入硅铁，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，搅拌强度大于10L/(min.t)，真空度≤5mbar；(5)加入铝深脱氧，搅拌强度大于10L/(min.t)，真空度≤5mbar，脱氧时间5～10分钟；(6)合金微调；7)关闭底吹搅拌气体；(8)破坏真空。本超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法工艺简单、冶炼时间较短。

Description

一种超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法。

背景技术

铁素体不锈钢中存在C、N间隙元素强烈形成并稳定奥氏体，对铁素体不锈钢十分有害，主要是因为C、N元素在铁素体不锈钢中的扩散速度快，约为在奥氏体中的600倍，在高温加热后的冷却过程中会有碳、氮化物沉淀析出，导致了铁素体不锈钢475℃脆性、高温脆性、室温韧性低、脆性转变温度高、对缺口敏感等缺点。因此，冶金工作者长期致力于降低铁素体不锈钢中的碳、氮含量，从而克服铁素体不锈钢的上述不足。

极低的C、N含量是超纯铁素体不锈钢最显著的特征，深度脱碳、脱氮也成为超纯铁素体不锈钢冶炼的核心技术。超纯铁素体不锈钢都含有大量的铬、钼等元素，和钼元素对钢中的碳、氮的相互作用是负数，从热力学上考虑，把这类钢碳、氮含量降低到一个低水平比其它钢种更加困难。

上世纪七十年代以前，电炉法冶炼超纯铁素体不锈钢的难度非常大，上世纪七十年代后期，国内外开始研制这类钢。当减压脱碳、脱氮法和稀释脱碳、脱氮法出现后，超纯铁素体不锈钢得到了较大的发展。国外先进钢铁企业对超纯铁素体不锈钢的研究比较早，设备和工艺较为先进，通常采用VOD-PB和SS-VOD法生产超纯铁素体不锈钢。VOD-PB法是在真空条件下向熔池表面吹粉状精炼剂(如铁矿粉等)，粉剂进入熔池后促进脱碳、脱氮反应进行，虽然这种方法的脱碳、脱氮效果非常好，但是其工艺和设备复杂、成本也高。SS-VOD法是从钢包底部多个透气塞吹入大量Ar气，强烈搅拌熔池来冶炼超纯不锈钢，这种方法在冶炼过程中的喷溅严重、氩气消耗大。我国从上世纪八十年代开始研制这类不锈钢，主要采用“真空感应炉+电子束重熔炉”的设备和方法冶炼，如公开号CN170366A的《一种顶底复吹真空感应炉》，和CN1514033A《一种超纯铁素体不锈钢的真空感应熔炼方法》，这些冶炼方法需要昂贵的高纯原料，脱碳、脱氮时间长、而且产量小。目前我国规模生产超纯铁素体不锈钢方法仍处于研究阶段，特别是降碳、降氮工艺的开发还没见成功的报导。

发明内容

为了克服现有铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的上述不足，本发明提供一种用VOD炉冶炼超纯铁素体不锈钢的脱碳、脱氮方法，本脱碳、脱氮工艺简单、冶炼时间短。

本发明是用VOD炉冶炼超纯铁素体不锈钢来降低碳、降低氮的方法，主要设备有钢包、真空罐、吹氧装置、加料罐与真空系统。

一、设备要求

(1)系统负载(即真空罐)极限真空度≤1mbar；

(2)钢包底部气体最大搅拌强度≥13L/(min.t)。

二、VOD初始技术条件要求

(1)钢液初始温度T≥1600℃；

(2)钢液初始[Si]≤0.20％；

(3)钢液初始0.40％≤[C]≤0.70％

(4)初始渣层厚度d≤50mm；

(5)钢液初始[N]≤200ppm；

(6)钢包自由空间H≥1300mm，可根据不同的设备调整H。

三、本铁素体不锈钢来降低碳、降低氮的方法包括下述的依次步骤：

(1)将装有VOD处理前钢水的钢包放入真空罐内密闭，抽真空3分钟，真空罐内的气压保持在260-350mbar，一般为300mbar，打开底吹氩气体；

(2)当真空罐内的气压降至200-250mbar时开始吹氧脱碳，吹氧脱碳分为六个阶段，每个吹氧脱碳阶段控制相应的吹氧流量、吹氧量(由脱碳模型控制)、氧枪高度、钢包底部搅拌强度与真空度；

(3)当钢液中碳的含量降至0.03％-0.05％(由脱碳模型计算)时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空罐内的真空度不大于1mbar时，沸腾时间≥20分钟；钢包底部气体搅拌强度≥13L/(min.t)；

(4)加入硅铁，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，硅铁加入量＝钢液终点要求硅含量×钢液重量÷硅铁含硅量÷硅铁回收率，同时加入石灰、萤石料(加入的石灰、萤石的量为萤石：7kg/t，石灰：25kg/t)造渣，还原时间10～15分钟，底吹搅拌强度大于10L/(min.t)，真空度≤5mbar；

(5)加入铝深脱氧(A1加入量2.5kg/t)，搅拌强度大于10L/(min.t)，真空度≤5mbar，脱氧时间5～10分钟；

(6)合金微调，成分均匀时间5～10分钟；

(7)关闭底吹搅拌气体；

(8)待钢液面平静后打开真空阀破坏真空；

(9)打开真空盖，测温、取样，温度与成分符合企业技术要求钢水中C的含量不大于0.01％，N的含量不大于100ppm。

然后进行浇注。如果C、N含量不符合，可以去初炼炉重炼；如果其它成分和温度不合要求，可去其它精炼炉调整。

本发明的VOD冶炼超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮方法，对处理前钢水温度要求≥1600℃，钢液初始碳在0.40～0.70％；吹氧过程中控制氧枪的高度、流量、真空度以及吹氩强度；吹氧结束后控制沸腾时间、真空度和吹氩强度，可以将钢液终点C、N含量都降低到100ppm以下。本发明工艺简单、冶炼时间较短、短喷溅少、氩气消耗小。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的具体实施方式，但本超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的具体实施方式不局限于下述的实施例。

实施例一

本实施例的设备和VOD初始条件要求：75吨上动式VOD极限真空度≤1mbar，钢包底吹氩最大搅拌强度17.2L/(min.t)。钢包自由空间即渣面到钢包上沿的垂直距离H为1350mm，钢液初始温度1649℃，渣层厚度为40mm，钢水重量为72.1吨，冶炼钢种为00Cr17Mo。

VOD处理前钢水的化学成分(重量)为：

C：0.587％    Si：0.1％    Mn：0.09％    P：0.020％

S：0.019％    Cr：17.39％    Mo：1.13％    N(ppm)：158

其余为铁和不可避免的杂质。

本实施例的超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的步骤如下：

(1)将装有VOD处理前钢水的钢包放入真空罐内密闭，抽真空2分钟，打开底部吹氩管，搅拌强度为2.1L/(min.t)。

(2)当真空室内的气压降至205mbar时开始吹氧脱碳，吹氧流量和氧枪高度达涅利公司提供的二级系统自动控制。

吹氧脱碳六个阶段，每个阶段吹氧流量、吹氧量、氧枪高度、钢包底部吹氩强度与真空度如下：(每一阶段的吹氧量根据初始条件而不同，吹氧量是每个阶段的累计，每一阶段时间由流量和吹氧量决定，吹氧都划分阶段)

(3)当钢液中碳含量为0.04时停止吹氧，此时吹氧量达到759Nm³，3分钟后真空度达到极限值0.5mbar，在此真空度下沸腾21分钟，钢包底部吹氩强度为16L/(min.t)；

(4)加入硅铁350kg，石灰1615kg、萤石料420kg，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，还原时间为10分钟，底吹氩气强度16.5L/(min.t)，真空罐内的真空度为1mbar；

(5)加入180kg铝深脱氧，底部吹氩气强度为15.2L/(min.t)，真空罐内的真空度为3mbar，脱氧时间10分钟；

(6)关闭底吹搅拌气体；

(7)2分钟后钢液面平静，打开真空阀破坏真空；

(8)打开真空盖，测出钢液的温度为1605℃，取样，VOD铁素体不锈钢脱碳、脱氮后的化学成分(重量)为：

C：0.003％     Si：0.08％    Mn：0.1％     P：0.015％

S：0.0018％    Cr：17.6％    Mo：1.14％    N(ppm)：65

其余为铁和不可避免的杂质。符合技术要求，出炉浇注。处理时间70分钟。

实施例二

本实施例的设备和VOD初始条件要求：75吨上动式VOD极限真空度≤1mbar，钢包底吹氩最大搅拌强度16.5L/(min.t)。钢包自由空间即渣面到钢包上沿的垂直距离H为1400mm，钢液初始温度1619℃，渣层厚度为30mm，钢水重量为70.5吨，冶炼钢种为00Cr18Mo2。

VOD处理前钢水的化学成分(重量)为：

C：0.647％    Si：0.15％     Mn：0.20％    P：0.020％

S：0.018％    Cr：18.39％    Mo：2.13％    N(ppm)：184

其余为铁和不可避免的杂质。

本实施例的超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的步骤如下：

(1)将装有VOD处理前钢水的钢包放入真空罐内密闭，抽真空2分钟，打开底部吹氩管，搅拌强度为2.3L/(min.t)。

(2)当真空室内的气压降至200mbar时开始吹氧脱碳，吹氧流量和氧枪高度达涅利公司提供的二级系统自动控制。

吹氧脱碳六个阶段，每个阶段吹氧流量、吹氧量、氧枪高度、钢包底部吹氩强度与真空度如下：

(3)当钢液中碳含量为0.03时停止吹氧，此时吹氧量达到748Nm³，3分钟后真空度达到极限值0.6mbar，在此真空度下沸腾23分钟，钢包底部吹氩强度为16.2L/(min.t)；

(4)加入硅铁450kg，石灰1755kg、萤石料500kg，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，还原时间为12分钟，底吹氩气强度15.5L/(min.t)，真空罐内的真空度为1mbar；

(5)加入180kg铝深脱氧，底部吹氩气强度为13.2L/(min.t)，真空罐内的真空度为2mbar，脱氧时间13分钟；

(6)关闭底吹搅拌气体；

(7)2分钟后钢液面平静，打开真空阀破坏真空；

(8)打开真空盖，测出钢液的温度为1595℃，取样，VOD铁素体不锈钢脱碳、脱氮后的化学成分(重量)为：

C：0.004％    Si：0.11％    Mn：0.22％    P：0.019％

S：0.001％    Cr：18.35％   Mo：2.14％    N(ppm)：70

其余为铁和不可避免的杂质。符合技术要求，出炉浇注。处理时间72分钟。

实施例三

本实施例的设备和VOD初始条件要求：75吨上动式VOD极限真空度≤1mbar，钢包底吹氩最大搅拌强度15.5L/(min.t)。钢包自由空间即渣面到钢包上沿的垂直距离H为1300mm，钢液初始温度1609℃，渣层厚度为50mm，钢水重量为73.5吨，冶炼钢种为00Cr12Ti。

VOD处理前钢水的化学成分(重量)为：

C：0.42％     Si：0.07％    Mn：0.35％    P：0.015％

S：0.009％    Cr：11.39％   N(ppm)：195

其余为铁和不可避免的杂质。

本实施例的超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的方法的步骤如下：

(1)将装有VOD处理前钢水的钢包放入真空罐内密闭，抽真空3分钟，打开底部吹氩管，搅拌强度为2.0L/(min.t)。

(2)当真空室内的气压降至190mbar时开始吹氧脱碳，吹氧流量和氧枪高度达涅利公司提供的二级系统自动控制。吹氧脱碳六个阶段，每个阶段吹氧流量、吹氧量、氧枪高度、钢包底部吹氩强度与真空度如下：

(3)当钢液中碳含量为0.03时停止吹氧，此时吹氧量达到440Nm³，2分钟后真空度达到极限值0.4mbar，在此真空度下沸腾20分钟，钢包底部吹氩强度为14.2L/(min.t)；

(4)加入硅铁450kg，石灰1855kg、萤石料520kg，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，还原时间为10分钟，底吹氩气强度14.5L/(min.t)，真空罐内的真空度为1mbar；

(5)加入185kg铝深脱氧，底部吹氩气强度为11.2L/(min.t)，真空罐内的真空度为1mbar，脱氧时间10分钟；

(6)关闭底吹搅拌气体；

(7)2分钟后钢液面平静，打开真空阀破坏真空；

(8)打开真空盖，测出钢液的温度为1570℃，取样，VOD铁素体不锈钢脱碳、脱氮后的化学成分(重量)为：

C：0.002％    Si：0.35％     Mn：0.36％    P：0.016％

S：0.001％    Cr：11.35％    N(ppm)：50    其余为铁和不可避免的杂质。符合技术要求，出炉进行浇注。本炉处理时间61分钟

本申请文件中：

氧枪高度  氧枪氧气出口与钢液面间的垂直距离。

VOD       真空吹氧脱碳工艺，是Vacuum Oxygen Decarburization

钢包自由空间  渣面与钢包上沿之间的垂直距离

Claims (1)

1、一种超纯铁素体不锈钢脱碳、脱氮的冶炼方法，它包括下述的依次步骤：

(1)将装有VOD处理前钢水的钢包放入真空罐内密闭，抽真空，真空罐内的气压保持在260-350mbar，打开底吹氩气体；

(2)当真空罐内的气压降至200-250mbar时开始吹氧脱碳，吹氧脱碳分为六个阶段，每个吹氧脱碳阶段控制相应的吹氧流量、吹氧量、氧枪高度、钢包底部搅拌强度与真空度；

(3)当钢液中碳的含量降至0.03％-0.05％时停止吹氧，进行高真空沸腾，在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空罐内的真空度不大于1mbar时，沸腾时间≥20分钟；钢包底部气体搅拌强度≥13L·min^-1·t^-1；

(4)加入硅铁，将吹氧阶段氧化的铬及其它金属元素还原，硅铁加入量＝钢液终点要求硅含量×钢液重量÷硅铁含硅量÷硅铁回收率，同时加入石灰、萤石料，加入的石灰、萤石的量为萤石：7kg/t，石灰：25kg/t，造渣，还原时间10～15分钟，底吹搅拌强度大于10L·min^-1·t^-1，真空度≤5mbar；

(5)加入铝深脱氧，Al加入量2.5kg/t，搅拌强度大于10L·min^-1·t^-1，真空度≤5mbar，脱氧时间5～10分钟；

(6)合金微调，成分均匀时间5～10分钟；

(7)关闭底吹搅拌气体；

(8)待钢液面平静后打开真空阀破坏真空。