CN101275174A - 一种真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，该方法将VOD起始条件控制为氮含量大于1000ppm，AOD终点含碳量控制为0.20～0.25％，进而在VOD真空处理过程中，进行脱碳，脱硫，充入氮气的操作，最后在大气调整阶段，通过底吹氮气进行氮成份的微调。从而可达到VOD控制终点碳含量＜250ppm时，VOD终点氮含量能在300～900ppm范围内实现灵活稳定的控制，解决了VOD真空冶炼低碳控氮型不锈钢过程中深脱碳和控氮矛盾的问题，为开发以氮代镍的节镍经济型不锈钢提供了有效的技术保证。同时又减少了此类钢种冶炼过程氩气、耐材等的消耗，节约了氮化铬合金的消耗，吨钢冶炼成本节约120元/吨。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢冶炼技术，特别与VOD真空氧气脱碳精炼技术有关。
背景技术
随着全球不锈钢产能提升，镍资源日趋紧张，世界各大不锈钢厂纷纷开发以氮代镍的节镍型不锈钢，其中00Cr19Ni10(即304L)就是最典型的钢种之一，从大生产情况来看，目前此类钢种冶炼存在一定难度。譬如，二步法工艺路径冶炼此类钢种时存在如下缺陷：
(1)由于不锈钢冶炼以廉价的铁水作为主原料，造成AOD起始碳含量偏高(＞3％)，冶炼周期偏长，以致生产节奏难以匹配，连浇炉数偏低；
(2)由于终点碳含量要求＜0.025％，AOD脱碳任务都相对比较重，各种介质和耐材的消耗均比较高。
相对二步法，三步法冶炼此类钢种可以缩短AOD冶炼周期，加快生产节奏，且能减少各种能源介质消耗(如Ar)，实现冶炼成本降低。但对VOD来说，冶炼此类钢种也存在一个终点氮含量难以控制的问题，主要是因为：
(1)按照正常VOD真空冶炼工艺，若要求控制终点碳含量＜0.025％，则VOD真空处理结束氮含量必定＜200ppm；
(2)由于钢包底吹透气砖的限制，VOD钢包底吹氮气流量相对较小，以致通过底吹氮气增氮速度有限，若增氮量过大，则冶炼周期相对较长；
(3)由于通过底吹大量氮气增氮会引起钢水严重温降，故VOD通过底吹氮气增氮的幅度有限。
发明内容
本发明的目的是为了解决VOD冶炼低碳控氮型不锈钢氮含量难以控制的问题，提供一种真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，它能实现终点碳含量小于0.025％，而且氮含量能在300～900ppm范围内实现灵活稳定的控制。
为实现上述目的，本发明基于对不锈钢精炼VOD控氮过程热力学及动力学分析，以及各工艺参数对VOD控氮影响的研究，通过对VOD整个真空冶炼过程的特殊控制，结合大气下底吹氮气微合金化操作，形成一种新的VOD控氮技术方案，具体技术措施和控制步骤如下：
一、控制VOD来料钢水起始碳和氮含量，要求起始碳为0.20～0.25％，起始氮大于1000ppm。
由于VOD真空脱碳过程伴随着脱氮，且脱氮量与脱碳量成一定的正比关系，故有必要适当控制VOD来料钢水起始碳含量；此外，为了避免VOD真空处理结束钢水氮含量偏低，前工序氩氧脱碳炉AOD可采取全程吹氮冶炼，以提高VOD处理前钢水起始氮含量。通过研究和实践，控制VOD起始碳含量为0.20～0.25％、起始氮含量大于1000ppm最佳，此碳、氮含量范围既能满足VOD正常处理要求，又能最大限度地减少真空氧气脱碳过程中氮的损失和终点氮含量的命中。
二、在VOD真空冶炼过程中应遵循如下步骤及要求：
(1)：吹氧脱碳阶段，VOD真空处理开始后，真空度达到15~20kpa时真空氧气脱碳，至过程废气中CO含量为5~8％时停氧。为了解决低碳控氮型钢种VOD真空处理阶段脱碳和控氮矛盾问题，首先降低起始碳含量；其次应合理控制真空氧气脱碳时间，即合理控制停氧时刻；根据脱碳热力学及动力学分析，在保证终点碳含量小于0.025％的情况下，最佳的停氧时刻为废气中的CO含量降到5~8％。
(2)：自由脱碳阶段，过程废气中CO、CO2含量均降至5％时或深真空强搅拌10~12min即可结束自由脱碳。VOD吹氧停止后，开启全泵进行深真空自由脱碳。由于VOD自由脱碳是在无渣情况下进行深真空强搅拌处理，故脱氮速率相对比较大；针对此类钢种，应尽可能缩短自由脱碳时间，减少自由脱碳阶段氮的损失。过程废气中CO、CO2含量均降至5％时或深真空强搅拌10~12min即可结束自由脱碳。
(3)：加料阶段，在添加还原剂硅铁和渣料之前，真空罐内充入氮气复压。氮气进入真空罐后在钢水表面上方形成饱和的氮气气氛，同时进行强搅拌吹氩操作，促进钢水与氮气的充分接触，实现钢水小幅度吸氮。
(4)：还原脱硫阶段，加料结束，继续深真空强搅拌还原脱硫，维持5~10min。由于还原后钢水氧位下降，且脱硫过程采取深真空强搅拌操作，故此阶段脱氮速率也比较大。为了减少脱硫阶段氮的损失，同样应尽量缩短深真空还原脱硫时间，即渣料充分熔化后深真空强搅拌脱硫5~10min即可结束。
(5)：破真空阶段，通过氮气进行破真空，破真空过程中继续采取氩气强搅拌，破真空结束后继续保持吹氩搅拌3~5min，如同加料前真空复压一样实现钢水小幅度吸氮。
三、底吹氮气微合金化处理
根据VOD真空处理结束后钢水氮含量分析结果，在大气状态下通过底吹氮气替代氮化铬进行氮成分的微调，要求在密闭的环境下进行，以提高增氮效率。
上述步骤二中第(3)项所述，在自由脱碳结束后，为了防止加料过程喷溅，应将真空度恢复到6~12kpa后加料。
上述步骤三中，底吹氮气流量控制在钢水不严重裸露为宜，吹氮量可根据实际氮含量与目标氮含量的偏差进行计算。
上述步骤三中氮气增氮系数大致为800～1000ppm/m3·t)。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
1.有效地解决了VOD真空冶炼低碳控氮型不锈钢面临的深脱碳和控氮矛盾问题，即在确保VOD终点碳含量小于250ppm的情况下，VOD终点氮含量能在300～900ppm范围内实现灵活稳定的控制。
2.此控氮方法实施后，减少了此类钢种冶炼过程氩气、耐材等的消耗，且节约了氮化铬合金的消耗，吨钢冶炼成本节约120元/吨。
具体实施方式：
实施例1：
钢种：00Cr19Ni10；
1、VOD钢水起始条件
(1)起始碳含量：0.202％
(2)起始氮含量：0.217％
(3)钢水量：113t
2、VOD真空处理实绩
(1)吹氧脱碳停止时刻：废气中CO含量7.5％
(2)吹氧脱碳时间：24min
(3)自由脱碳结束时刻：废气中CO含量4.2％，CO2含量4.8％；
(4)自由脱碳时间：9min
(5)还原脱硫时间：6min
3、氮气微合金化实绩
(1)底吹氮气：40.6m3
(2)吹氮流量、吹氮时间：90m3/h、28min
4、成分实绩
(1)钢样分析
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N |
| VOD真空起始 | 0.202 | 0.04 | 1.07 | 0.008 | 0.02 | 18.05 | 8.01 | 0.217 |
| VOD真空终了 | 0.021 | 0.25 | 1.11 | 0.008 | 0.02 | 18.12 | 8.17 | 0.071 |
| VOD处理终了 | 0.02 | 0.38 | 1.10 | 0.009 | 0.02 | 18.03 | 8.04 | 0.061 |
| 成品 | 0.019 | 0.37 | 1.11 | 0.008 | 0.021 | 18.19 | 8.19 | 0.068 |
(2)气样分析
| 元素 | C | S | O | N |
| VOD真空终了 | 0.015 | 0.008 | 0.007 | 0.043 |
| VOD处理终了 | 0.017 | 0.008 | 0.011 | 0.055 |
| 成品 | 0.0196 | 0.008 | 0.0172 | 0.0582 |
实施例2：
钢种：O0Cr19Ni10；
1、VOD钢水起始条件
(1)起始碳含量：0.258％
(2)起始氮含量：0.093％
(3)钢水量：110.2t；
2、VOD真空处理实绩
(1)吹氧脱碳停止时刻：废气中CO含量6.8％
(2)吹氧脱碳时间：26min
(3)自由脱碳结束时刻：废气中CO含量3.2％，CO2含量4.5％；
(4)自由脱碳时间：8min
(5)还原脱硫时间：8min
3、氮气微合金化实绩
(1)底吹氮气：25.4m3
(2)吹氮流量、吹氮时间：90m3/h、16min
4、成分实绩
(1)钢样分析
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N |
| VOD真空起始 | 0.248 | 0.04 | 1.10 | 0.005 | 0.018 | 18.05 | 8.09 | 0.093 |
| VOD真空终了 | 0.02 | 0.53 | 1.09 | 0.002 | 0.019 | 17.88 | 8.08 | 0.059 |
| VOD处理终了 | 0.028 | 0.51 | 1.12 | 0.002 | 0.018 | 18.17 | 8.20 | 0.062 |
| 成品 | 0.022 | 0.47 | 1.10 | 0.002 | 0.02 | 18.19 | 8.07 | 0.060 |
(2)气样分析
| 元素 | C | S | O | N |
| VOD真空终了 | 0.0166 | 0.002 | 0.0436 | 0.0555 |
| VOD处理终了 | 0.0156 | 0.001 | 0.0047 | 0.0556 |
| 成品 | 0.016 | 0.002 | 0.0059 | 0.0584 |
实施例3：
钢种：O0Cr19Ni10；
钢水量：118.4t
1、VOD钢水起始条件
(1)起始碳含量：0.228％
(2)起始氮含量：0.115％
2、VOD真空处理实绩
(1)吹氧脱碳停止时刻：废气中CO含量8％
(2)吹氧脱碳时间：24min
(3)自由脱碳结束时刻：废气中CO含量2.8％，CO2含量4.2％；
(4)自由脱碳时间：12min
(5)还原脱硫时间：10min
3、氮气微合金化实绩
(1)底吹氮气：15m3
(2)吹氮流量、吹氮时间：90m3/h、11min
4、成分实绩
(1)钢样分析
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N |
| VOD真空起始 | 0.228 | 0.05 | 1.18 | 0.006 | 0.021 | 17.89 | 8.03 | 0.115 |
| VOD真空终了 | 0.02 | 0.51 | 1.11 | 0.003 | 0.02 | 17.83 | 8.08 | 0.056 |
| VOD处理终了 | 0.022 | 0.49 | 1.12 | 0.003 | 0.021 | 18.09 | 8.04 | 0.065 |
| 成品 | 0.019 | 0.48 | 1.14 | 0.003 | 0.020 | 18.22 | 8.18 | 0.064 |
(2)气样分析
| 元素 | C | S | O | N |
| VOD真空终了 | 0.0196 | 0.003 | 0.0058 | 0.0510 |
| VOD处理终了 | 0.0210 | 0.003 | 0.0065 | 0.0624 |
| 成品 | 0.0185 | 0.002 | 0.0062 | 0.0622 |
实施例4：
钢种：O0Cr19Ni10；
1、VOD钢水起始条件
(1)起始碳含量：0.212％
(2)起始氮含量：0.127％
(3)钢水量：108t
2、VOD真空处理实绩
(1)吹氧脱碳结束时刻：废气中CO含量5％
(2)吹氧脱碳时间：26min
(3)自由脱碳结束时刻：废气中CO含量3.2％，CO2含量4.3％；
(4)自由脱碳时间：12min
(5)还原脱硫时间：8min
3、氮气微合金化实绩
(1)底吹氮气：22.5m3
(2)吹氮流量、吹氮时间：90m3/h、16min
4、成分实绩
(1)钢样分析
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N |
| VOD真空起始 | 0.248 | 0.05 | 1.04 | 0.004 | 0.025 | 18.15 | 8.15 | 0.127 |
| VOD真空终了 | 0.022 | 0.41 | 1.04 | 0.004 | 0.024 | 18.12 | 8.12 | 0.046 |
| VOD处理终了 | 0.022 | 0.38 | 1.05 | 0.003 | 0.025 | 18.13 | 8.10 | 0.056 |
| 成品 | 0.023 | 0.39 | 1.03 | 0.003 | 0.025 | 18.10 | 8.13 | 0.054 |
(2)气样分析
| 元素 | C | S | 0 | N |
| VOD真空终了 | 0.0202 | 0.004 | 0.0059 | 0.0436 |
| VOD处理终了 | 0.0218 | 0.003 | 0.0067 | 0.0542 |
| 成品 | 0.0220 | 0.002 | 0.0072 | 0.0532 |
实施例5：
钢种：O0Cr19Ni10；
1、VOD钢水起始条件
(1)起始碳含量：0.243％
(2)起始氮含量：0.126％
(3)钢水量：109.5t；
2、VOD真空过程控制实绩
(1)吹氧脱碳停止时刻：废气中CO含量8％
(2)吹氧脱碳时间：25min
(3)自由脱碳结束时刻：废气中CO含量4.6％，CO2含量5.0％；
(4)自由脱碳时间：8min
(5)还原脱硫时间：5min
3、氮气微合金化实绩
(1)底吹氮气：28m3
(2)吹氮流量、吹氮时间：90m3/h、18min
4、成分实绩
(1)钢样分析
| 元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | N |
| VOD真空起始 | 0.243 | 0.04 | 1.14 | 0.004 | 0.023 | 18.15 | 8.03 | 0.126 |
| VOD真空终了 | 0.019 | 0.45 | 1.12 | 0.003 | 0.022 | 17.88 | 8.04 | 0.042 |
| VOD处理终了 | 0.020 | 0.46 | 1.13 | 0.002 | 0.023 | 18.17 | 8.02 | 0.058 |
| 成品 | 0.020 | 0.45 | 1.10 | 0.002 | 0.023 | 18.19 | 8.01 | 0.060 |
(2)气样分析
| 元素 | C | S | O | N |
| VOD真空终了 | 0.0170 | 0.003 | 0.0067 | 0.0400 |
| VOD处理终了 | 0.0185 | 0.002 | 0.0062 | 0.0564 |
| 成品 | 0.0190 | 0.002 | 0.0058 | 0.0553 |
Claims (4)
1. 一种真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，其特征在于包括：
步骤一：控制VOD来料钢水起始碳和氮含量，起始碳为0.20～0.25％，起始氮大于1000ppm；
步骤二：VOD真空冶炼过程
(1)吹氧脱碳阶段，过程废气中CO含量为5~8％时停氧；
(2)自由脱碳阶段，过程废气中CO、CO2含量均降至5％时或深真空强搅拌8~12min即可结束自由脱碳；
(3)加料阶段，添加还原剂硅铁和渣料之前，真空罐内充入氮气复压，氮气进入真空罐后在钢水表面上方形成饱和的氮气气氛，同时进行强搅拌吹氩操作，促进钢水与氮气的充分接触，实现钢水小幅度吸氮；
(4)还原脱硫阶段，深真空强搅拌维持5~10min；
(5)破真空阶段，充入氮气破真空，并采取氩气强搅拌，完全复压后继续保持吹氩搅拌3~5min；
步骤三：底吹氮气微合金化处理，根据VOD真空处理结束后钢水氮含量分析结果，在大气状态下、在密闭的环境中进行氮成分的微调。
2. 如权利要求1所述的真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，其特征在于：步骤二(3)中将真空度恢复至6~12kpa。
3. 如权利要求2所述的真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，其特征在于：步骤三中底吹氮气流量控制在钢水不严重裸露为宜，吹氮量可根据实际氮含量与目标氮含量偏差进行计算。
4. 如权利要求3所述的真空氧气脱碳装置冶炼不锈钢氮含量控制方法，其特征在于：步骤三中氮气增氮系数为800～1000ppm/m3·t。
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Granted publication date: 20091209 Termination date: 20160327 |