CN103468874A - 一种采用氩氧炉冶炼低碳twip钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳TWIP钢氩氧炉（AOD）冶炼生产技术。冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。本发明生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜。有利于实现大规模工业化生产。

Description

一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法

技术领域:

[0001] 本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳TWIP钢氩氧炉(AOD)冶炼生产技术。

背景技术: [0002] 1997年，Grassel等在试验研究Fe — Mn — Si—Al系TRIP钢时发现，当锰含量达到25wt%’铝含量超过3wt%，硅含量在2~3wt%之间，碳含量较低时，具有中等的抗拉强度(约600Mpa)和极高的延伸率(80%)，其抗拉强度和延伸率的乘积在50000MPa%以上，是高强韧性TRIP钢的两倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中形变孪晶的形成，故命名为孪生诱发塑性钢，即TWIP钢(Twinning Induced Plasticity)。由于TWIP钢具有诸多优异性能，在机车、汽车、高架建筑、抗冲击钢板、低温容器等领域展示出广阔的应用潜力。

[0003] 目前国内外对TWIP钢的研究主要集中在Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-Al-C系及Fe-Mn-C系。其中Fe-Mn-Al-Si系的碳含量较低，冶炼难度较大或成本较高。

[0004] 专利文献CN102690938A公开了一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的中试生产方法，采用纯铁在0.5吨非真空感应炉进行冶炼，试制成功了碳含量为0.052wt%的低碳TWIP钢；专利文献CN102312158A公开了一种Nb、Ti合金化低碳TWIP制备方法，采用真空感应炉熔炼了碳含量为0.05~0.08wt%的TWIP钢，具体原料没有说明。感应炉和真空感应炉一般容量较小，生产时间较长，能耗较高，生产效率低。迄今，低碳TWIP高效低成本大规模冶炼生产还存在许多难题。

[0005] 难题之一，低碳TWIP钢碳含量较低，产品碳含量小于等于0.06%,而Mn、Si和Al含量较高，考虑到冶炼后期添加Mn、Si等合金增碳及耐材增碳等问题，需在合金化前将钢中碳降至0.03%以下；难题之二，该TWIP钢合金含量较高，冶炼后期需大量添加Mn、S1、Al等合金，温降较为严重，冶炼过程中只靠碳的氧化能量不够；难题之三，该TWIP钢合金含量较高，尤其是金属铝含量较高，钢液铝合金化时容易引起钢液增硅，成分控制较为困难。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供了一种采用氩氧炉(AOD)冶炼低碳TWIP钢生产方法和工艺。该方法采用高炉铁水或感应炉、电弧炉提供的粗钢液；通过氩氧炉(AOD)吹氧脱碳，前期将碳脱至0.03%以下；采用金属锰或电解锰进行合金化；采用硅铁和金属铝调整温度和合金化；同时，还原炉渣中锰的氧化物，提高锰的收得率；通过彻底扒渣，防止铝合金化过程中钢液增硅，保证成分的稳定控制；并造还原渣进行脱硫，生产低碳TWIP钢。

[0007] 一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢生产方法，其特征在于:采用氩氧炉冶炼TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为:C<0.06%, Mn=20%~30%，Si=2.0~3.0%，Al=2.5~3.5%，余量为Fe ;具体工艺步骤为:

[0008] I)通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；

[0009] 2)TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。

[0010] 做为更详细的技术方案为:

[0011] I)原料

[0012] TffIP冶炼的最主要原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液。铁水可为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，采用铁水预处理后的铁水，由于硫和磷的含量较低，对冶炼TWIP钢更为有益。也可采用感应炉或电弧炉熔化的钢液。

[0013] 采用的重要合金主要有三种:金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金。不采用锰铁，因为它们含有部分碳，容易引起TWIP钢碳含量超标。

[0014] 采用的造渣原料主要为石灰、白云石。

[0015] 2)吹氧脱碳

[0016] 本发明采用氩氧炉(AOD)冶炼TWIP钢，在氩氧炉(AOD)中吹氧脱碳。

[0017] 在向氩氧炉(AOD)中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰。

[0018] 在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高,可加入一定比例的废钢,废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定,加入量为铁水质量的O~20%。但如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720°C，需在兑钢水前后、或氩氧炉(AOD)脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600°C，需在炉内添加增碳剂或硅铁。

[0019] 在脱碳过程中，当钢中碳含量> 0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量〈0.10%时，可适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到0.01~0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化。

[0020] 在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分。

[0021] 如果钢水温度低于1600°C，需添加硅铁或金属铝提温。

[0022] 3)硅、锰合金化

[0023] 碳含量小于0.03%时向炉内加入金属锰或电解锰、硅铁进行硅、锰合金化，硅的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%。

[0024] 合金化后测温。

[0025] 4)温度调整

[0026] 硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温。将钢水温度控制在1550°C~1700°C。

[0027] 5)还原回收渣中锰

[0028] 在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，可采用金属铝还原回收锰，提高锰的收得率。

[0029] 2 [Al]+3 (MnO) =3 [Mn] + (Al2O3)

[0030] 根据上面的反应计算，I公斤的铝与渣中氧化锰反应，可以还原得3.1公斤锰进入钢液。金属铝价格较金属锰低，采用硅铁和铝还原渣中锰氧化物，提高锰的收得率有明显的经济价值。

[0031] 6)铝合金化

[0032] 硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标。

[0033] 向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑招的收得率为55-90%。

[0034] 7)还原脱硫

[0035] 加入石灰，重新造渣，进行脱硫。

[0036] 8)成分和温度微调

[0037] 铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温。根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到1580 ~1720°C。

[0038] 钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。

[0039] 本发明方法和技术具有如下优势:

[0040] I)有利于TWIP钢大规模生产

[0041] 氩氧炉(AOD)生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。采用氩氧炉(AOD)冶炼生产TWIP钢比感应炉和真空感应炉更有利于实现大规模工业化生产。

[0042] 2)生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜

[0043] 采用感应炉和真空感应炉冶炼TWIP钢，因无法吹氧脱碳，需要采用碳含量较低的纯铁，价格较高，生产成本较高 。而采用氩氧炉(AOD)冶炼，可吹氧脱碳；且由于采用氧气和氩气冶炼，脱碳结束时可将钢中碳降至0.01~0.03%，这对于冶炼低碳TWIP钢非常有利。

[0044] 3)生产工艺简单，易于操作

[0045] 冶炼低碳TWIP钢时，采用前期脱碳，采用氩氧混合脱碳，较易将碳脱到0.01~

0.03% ;脱碳后采用金属锰、硅铁合金化，然后再进行铝合金化，钢液的化学成分可以多次微调，较易命中。

[0046] 生产中可采用硅铁和金属铝多次调温，温度也容易控制。

具体实施方式

[0047]实例 1:

[0048] 采用8吨氩氧炉(AOD)冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水5.9吨，钢水成分见表1.[0049] 表1氩氧炉(AOD)兑入钢水成分(质量百分数，%)

[0050]

C [Mn~[P is [Si~[Ni~[Cr~[Mo~[Cu

0.75 0.54 0.013 0.005 0.20 0.06 0.27 0.03 0.09

[0051] 测温，钢水温度为1471°C。根据钢水成分和温度，补加增碳剂25公斤，加入硅铁75公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和170m3/hr。

[0052] 吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。

[0053] 脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.01% ;测量钢液温度，温度为1720°C。

[0054] 加入金属锰2.1吨，进行锰合金化；同时加入硅铁450公斤。加料过程中，停止吹氧，将氩气流量提高到480m3/hr。[0055] 采用大氧/ IS比吹氧化合金，氧气和IS气流量分别为500和170m3/hr。

[0056] 取样分析成分，成分见表2。

[0057] 测温，钢液温度为1605°C。

[0058] 取渣样分析，渣样成分见表3。

[0059] 表2TWIP钢硅、锰合金化后成分(质量百分数，%)

[0060]

[0061] 表3TWIP钢扒渣前炉渣化学组成(质量百分数，%)

[0062]

[0063] 倾倒氩氧炉(AOD)，进行流渣和扒渣操作。加入200公斤石灰，提高炉渣碱度，准备脱硫。

[0064] 测温，温度为1595°C。

[0065] 根据温度和表2所示的成分，计算需加入的硅铁、金属铝和金属锰质量，本实例加入318公斤金属招,补加金属猛50公斤。

[0066] 吹氧提温，氧气和氩气流量分别为530和170mVhr。

[0067] 测温取样。本实例中出钢温度为1589°C，出钢时钢水成分见表4。

[0068] 表4冶炼终点钢水成分(质量百分数，%)

[0069]

[0070]实例 2:

[0071] 采用8吨氩氧炉(AOD)冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水6.2吨，钢水成分见表1.[0072] 表1氩氧炉(AOD)兑入钢水成分(质量百分数，%)

[0073]

C [Mn~[P is [Si~[Ni [Cr~[Mo

0.37 0.52 0.009 0.007 0.15 0.02 0.05 0.02

[0074] 测温，钢水温度为1520°C。根据钢水成分和温度，补加增碳剂50公斤，加入硅铁40公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和150m3/hr。

[0075] 吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。

[0076] 脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.012% ;测量钢液温度，温度为1568°C。[0077] 加入硅铁300公斤、铝锭55.5公斤。吹氧提温。

[0078] 加入金属锰2.2吨，进行锰合金化；加料过程中，停止吹氧。

[0079] 采用大氧/ IS比吹氧化合金，氧气和IS气流量分别为350和170m3/hr。

[0080] 取样分析成分，成分见表2。

[0081] 表2TWIP钢硅、锰合金化后成分(质量百分数，%)

[0082]

[0083] 测温，钢液温度为1520°C。

[0084] 倾倒氩氧炉(A0D)，进行流渣和扒渣操作。加入FeSi200公斤。

[0085] 加Al锭37公斤提温，温度为1650°C。

[0086] 根据温度和表2所示的成分，计算需加入的硅铁、金属铝和金属锰质量，本实例加入722公斤金属铝，补加金属锰1000公斤、硅铁10公斤。

[0087] 吹氧提温，氧气和氩气流量分别为530和170mVhr。

[0088] 测温取样。本实例中 出钢温度为1710°C，出钢时钢水成分见表4。

[0089] 表4冶炼终点钢水成分(质量百分数，%)

[0090]

Claims (4)

1.一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于:采用氩氧炉冶炼TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为:C≤0.06%, Mn=20%~30%，Si=2.0~3.0%，Al=2.5~3.5%，余量为Fe ;具体工艺步骤为: .1)通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化； .2)TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。

2.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于:在铝合金化前，全部扒掉还原渣，防止钢液增硅，确保钢液成分的稳定控制。

3.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于:在TffIP钢冶炼后期造还原渣，对钢液进行脱硫。

4.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于:详细技术方案 . 1)原料 TffIP冶炼的原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液；铁水为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，或采用感应炉或电弧炉熔化的钢液； 采用的合金为金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金；采用的造渣原料主要为石灰、白z?石 ； .2)吹氧脱碳 本发明采用氩氧炉冶炼TWIP钢，在氩氧炉中吹氧脱碳，在向氩氧炉中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰； 在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高，加入一定比例的废钢，废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定，加入量为铁水质量的O~20% ;如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720°C，需在兑钢水前后、或氩氧炉脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600°C，需在炉内添加增碳剂或硅铁； 在脱碳过程中，当钢中碳含量> 0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量〈0.10%时，适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到0.01~0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化； 在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分； 如果钢水温度低于1600°C,需添加娃铁或金属招提温； .3)娃、猛合金化 碳含量小于0.03%时向炉内加入金属猛或电解猛、娃铁进行娃、猛合金化,娃的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%，合金化后测温； .4)温度调整 硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温，将钢水温度控制在1550°C~1700°C ； .5)还原回收渣中锰在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，采用金属铝还原回收锰，提闻猛的收得率； 2 [Al]+3 (MnO) =3 [Mn] + (Al2O3) 根据上面的反应计算，I公斤的铝与渣中氧化锰反应，能还原得3.1公斤锰进入钢液； 6)铝合金化 硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标； 向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑铝的收得率为55-90% ； 7)还原脱硫 加入石灰，重新造渣，进行脱硫； 8)成分和温度微调 铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温；根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到1580~1720°C ;钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。