CN104789738B - 一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，包括：1）钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD，初始碳含量0.08～0.15%，初始氮小于0.015%；2）抽真空，并顶吹氧脱碳；3）钢液温度1680～1720℃时，停止吹氧，加入铝块和石灰预脱氧和造渣；4）超真空自由脱碳处理15～20min；5）加入硅铁、铝块复合脱氧，加低碳石灰造渣，处理时间5～10min；6）还原并终脱氧，加入铝块终脱氧，处理10～15min；7）停止底吹并破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位。该方法降低VOD处理成本，缩短真空处理时间，并稳定控制钢液碳含量小于60ppm，实现了超纯铁素体不锈钢的低成本高效率VOD冶炼。

Description

一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法

技术领域

本发明涉及不锈钢冶炼领域，特别涉及利用真空吹氧脱碳炉（VOD炉）真空精炼超低碳铁素体不锈钢的方法。

背景技术

研究表明，铁素体不锈钢铬含量一般为10～25%，其间隙元素C、N含量的降低有助于提高铁素体不锈钢性能，这些性能包括：室温脆性、耐蚀性和焊接点的延展性，通常将C+N总含量小于150ppm的铁素体不锈钢称为超纯铁素体不锈钢。工业生产中，通常走三步法生产这样的钢种，三步法为：EAF（电弧炉）+AOD（氩氧复吹炉）+VOD（真空吹氧脱碳炉），VOD炉精炼是控制终点碳、氮含量最为关键的工序。

VOD常规操作如下：一、经AOD处理完的钢水用钢包运输进入VOD处理工位，初始碳含量一般控制在0.25～0.6%，合格后进入真空处理室，先预抽真空并底搅拌；二、真空条件下开始吹氧脱碳处理，底搅拌条件下顶吹氧脱碳，根据炉气成分来判断是否终止吹氧，当炉气中CO+CO₂含量低于一定值时，停止吹氧；三、超真空条件下自由脱碳处理，采用大搅拌；四、还原过程，加入硅铁、铝、石灰和萤石进行脱氧和硅的合金化；五、破真空；六、大气条件下喂丝并软搅拌，最后送浇铸。

常规方法由于在控制碳含量上能力有限，所以指望控制氮含量在极其低的范围来满足最后的碳加氮总含量符合超纯铁素体不锈钢要求，所以经常设定高的初始碳含量来满足脱氮需求。

随着超纯铁素体不锈钢产品技术的进步，希望氮含量并非越低越好，因为超纯铁素体不锈钢通常要钛合金化，并希望凝固过程预先析出TiN作为异相形核核心促进铁素体形核以提高铸坯等轴晶率以及细化凝固组织，含钛铁素体不锈钢希望产品氮含量在80～120ppm之间较为合适，这样对脱氮的要求有所降低，而对控制碳含量的要求有所提高，基本要求碳含量控制在60ppm以下。常规操作中，由于初始碳设定过高，导致了吹氧量大，110t VOD炉吹氧量在800-1400Nm³之间，带来的负面作用有：1）脱碳生成了大量的Cr₂O₃,一般会超过2t，高纯的Cr₂O₃渣导致自由脱碳过程钢液的流动，影响了高真空自由脱碳的效率，且在还原阶段需要加更多的还原剂去还原它，石灰和萤石等造渣剂加入量也很大，导致成本大大提升；2）渣量巨大，经常会超过5吨渣，显然化渣更困难，且炉渣覆盖在钢液上方，不易于继续脱碳和脱氮；3）VOD真空处理时间长，经常为90min以上；4）吹氧结束温度高，经常1730℃～1780%，导致耐材损耗严重，并导致耐材向钢中增碳严重；五）大量的石灰加入导致石灰增碳严重，直接导致成品碳控制不稳定，碳含量经常大于120ppm；5）渣量大导致钢液脱氮能力降低，终点氮含量控制也未达到预期目标。

针对这些问题，如下专利提出了相应的新方法。

日本专利公开号JP8209226(A)提出了一种在真空精炼过程中用喷枪向钢液表面喷吹铁矿石、锰矿石等氧化剂，可在高碳区促进脱氮反应，在低碳区强化脱碳反应的方法，此方法也称为VOD-PB法，此方法优点是脱氮效率非常高，然而此方法要求的设备复杂，同时喷吹矿粉可能会导致钢液增磷和增硫。

日本专利公开号JP11106823通过增大底吹气体流量从而对钢液大搅拌的方法来提高VOD处理过程的脱碳和脱氮效率，本发明方法在全球得到了广泛的应用，然而，过大的底搅拌强度会引发大喷溅，所谓的强搅拌法其实是受到很大制约的。

韩国专利公开号KR20030003846提出了在停氧后的高真空自由脱碳过程中喷吹石灰来提高脱碳速率并防止石灰向钢液增碳，然而预喷进的石灰很难熔化，会形成坚硬的固体渣，反而影响熔池的流动。

中国专利公开号CN101058837A提出了VOD冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，实际上为常规VOD操作步骤，此专利在钢液深脱氧后处理时间太短，这对钢液脱硫是不利的。

中国专利公开号CN101768656A提出VOD冶炼超低碳铁素体不锈钢的方法，主要要求动态脱碳来提高脱碳效率，并采取两次还原法了防止石灰增碳，然而初始碳含量要求过大，碳含量质量百分比在0.25%～0.60%之间，直接会导致前面所表述的负面影响。

中国专利公开号CN102199688A提出一种高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法，要求前期加铝升温、自由脱碳过程顶吹氩提高自由脱碳效率，并强调少吹氧冶炼，然而，由于碳含量还设定在0.25%～0.60%之间，则少吹氧冶炼的能力有限，则还会导致前面所表述的负面影响，同时，自由脱碳过程顶吹氩要求设备改动过大，可实施性难度加大。

通过对VOD冶炼超纯铁素体不锈钢的深入研究发现，控制冶炼过程的增碳和增氮对控制最终的碳、氮含量极其重要，不能仅仅依赖增加初始碳含量来提升脱氮水平，如果降低渣量，则整个VOD冶炼阶段均能保持高效率的脱氮，终点氮含量控制在合理范围不成问题，则可将初始碳含量降低，降低吹氧量，并降低渣量，实现少渣冶炼，少渣冶炼可大大降低石灰和耐材增碳的风险，基于这样的考虑，确保终点碳在极低范围。我们还发现，采取少渣冶炼只要方法合适，可以保证最终的钢水温度以及保证VOD处理结束后钢液-渣间去除夹杂的能力。由此提出了本方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，该方法可大大降低冶炼成本和缩短冶炼周期，并可稳定控制碳含量在小于60ppm的范围。

本发明的技术解决方案如下：一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，依次包括如下步骤：

（1）钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD，真空罐内压力小于100Pa，钢液初始铬含量质量百分比10%～22%，优选11.7%～17.6%；碳含量质量百分比0.08%～0.15%，优选0.1%～0.13%；氮含量质量百分比≤0.015%，优选≤0.012%，钢液初始温度高于1650℃；

（2）抽真空，并顶吹氧脱碳，同时底部吹入氩气对钢液进行搅拌，顶吹氧流量260L/(min·(t钢))～310L/(min·(t钢))，真空压力控制在12kPa～2kPa，并随着脱碳的进行，真空压力逐步降低，不允许真空压力回升；

本发明优选用氧枪向钢液熔池顶部吹氧脱碳，同时通过钢包底部透气砖向钢液熔池内吹入氩气对钢液进行搅拌。

（3）停止吹氧：当钢液温度达到1680～1720℃时，优选1700～1710℃时，停止吹氧，保持当前的真空压力，随后加入铝块、硅铁进行预脱氧和造渣；

（4）超真空自由脱碳处理，真空压力小于1000Pa，优选400-200Pa；底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间15～25min；

（5）加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，铝加入量满足当前渣内的剩余Cr₂O₃中的70%～90%被还原，优选76%～82%被还原，硅铁加入量满足硅含量满足产品要求的0.2%～0.5%之间，并加入碳酸钙质量含量小于1.5%的石灰造渣；本阶段真空压力小于1000Pa，底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间5～10min，优选处理时间6～8min；

（6）还原并终脱氧，加入铝块和石灰进行终脱氧，铝块加入量要求全部还原炉渣内Cr₂O₃，并降低钢中氧含量到50ppm以下，石灰加入量为铝块量的1.0～1.5倍；本阶段真空压力小于1000Pa，底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间10～15min；

（7）停止搅拌，提升真空压力并破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（3）中加入铝块和硅铁加入量要求满足吹氧生成的Cr₂O₃中的76～86%被还原成铬，优选80～83%，铝块和硅铁内的纯硅之间的质量比为1.2～1.6，优选1.35～1.5；

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（3）中还可加入石灰，所述石灰的加入量为确保处理后炉渣成分满足如下质量含量比为CaO/Al₂O₃=1.0～2.5，优选CaO/Al₂O₃=1.9～2.1；CaO/SiO₂=0.8-1.5，优选CaO/SiO₂=1.17-1.38；Cr₂O₃=10～20%。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（3）中加入硅铁和铝脱氧时，物料加入速度4kg/s～10kg/s，底吹氩总流量在2L/(min·(t钢))～4L/(min·(t钢))。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（5）中石灰加入量满足最终炉渣成分中Cr₂O₃含量2～5%；CaO/Al₂O₃=2.0～3，优选CaO/Al₂O₃=2.5～2.9；CaO/SiO₂=2.0-4.5，优选CaO/SiO₂=2.8-3.5。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（5）中还可以加入萤石，所述萤石加入量为石灰加入量的0.05～0.1倍。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，经所述步骤（6）后的炉渣成分为Cr₂O₃含量<1%，CaO/Al₂O₃=1.8～3，优选的是CaO/Al₂O₃=2.5～2.8；CaO/SiO₂=2.2-5，优选的是CaO/SiO₂=3.0-3.3；.最终渣量控制在20～32kg/吨钢。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，经所述真空吹氧脱碳炉VOD处理后，钢液中碳加氮总质量含量要求稳定控制在180ppm以下，其中碳含量稳定控制在60ppm以下，钢液温度1590～1620℃。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，所述钢包的内衬耐材选自镁钙砖或者镁碳砖。当冶炼终点碳含量要求小于50ppm或铬含量大于18%的超纯铁素体不锈钢，选用镁钙砖为钢包内衬耐材，冶炼其他超纯铁素体不锈钢选用镁碳砖为钢包内衬耐材，可在冶炼前就选择好用何种耐材钢包装钢水。

根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤（6）中加入铝块的量为0.3-0.7kg/(t钢)。

本发明提供一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在真空吹氧脱碳炉VOD上实现，其步骤如下：

1）钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD，真空罐内压力满足小于100Pa，钢液初始铬含量质量百分比在10%～22%之间，碳含量质量百分比在0.08%～0.15%之间，氮含量<0.015%，钢液初始温度高于1650℃；

2）抽真空，并用氧枪向钢液熔池顶部吹氧脱碳，同时通过钢包底部透气砖向钢液熔池内吹入氩气对钢液进行搅拌，顶吹氧流量260L/(min·(t钢))～310L/(min·(t钢))，真空压力控制在12kPa～2kPa，并随着脱碳的进行，真空压力逐步降低，不允许真空压力回升；

3）停止吹氧，当钢液温度达到1680～1720℃时，停止吹氧，保持当前的真空压力，随后加入铝块、硅铁和石灰进行预脱氧和造渣,铝块和硅铁加入量要求满足吹氧生成的Cr₂O₃中的76～86%被还原成铬，铝块和硅铁内的纯硅之间的质量比例为1.2～1.6,石灰加入量确保处理后炉渣成分满足如下质量含量比为CaO/Al₂O₃=1.0～2.5;CaO/SiO₂=0.8-1.5，Cr₂O₃=10～20%)

4）超真空自由脱碳处理，真空压力要求小于1000Pa，底吹氩总流量在2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间15～25min；

5）加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，铝加入量满足当前渣内的剩余Cr₂O₃中的70%～90%被还原，硅铁加入量满足硅含量满足产品要求的0.2%～0.5%之间，，并加入碳酸钙质量含量小于1.5%的优质石灰和少量萤石造渣，石灰加入量满足最终炉渣的成分要求即使炉渣成分中Cr₂O₃含量2～5%,CaO/Al₂O₃=2.0～3;CaO/SiO₂=2.0-4.5，萤石加入量为石灰加入量的0.05～0.1倍.本阶段真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间5～10min。

6）还原并终脱氧，加入铝块和少量优质石灰进行终脱氧，铝块加入量要求全部还原渣内Cr₂O₃，并降低钢中氧含量到50ppm以下，石灰加入量为铝块量的1.0～1.5倍，此时炉渣成分Cr₂O₃含量<1%,CaO/Al₂O₃=1.8～3;CaO/SiO₂=2.2-5.最终渣量控制在20～32kg/吨钢。本阶段真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间10～15min。

7）停止搅拌，提升真空压力并破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

VOD处理结束后，钢液中碳加氮总质量含量要求稳定控制在180ppm以下，其中碳含量可稳定控制在60ppm以下，钢液温度1590～1620℃。

再者，对于步骤（3），要求加硅铁和铝脱氧时候，为了防止局部过热并防止喷溅，应控制物料加入速度在4kg/s～10kg/s之间，同时要求底吹氩总流量在2L/(min·(t钢))～4L/(min·(t钢))。

可选择的，如果最终碳含量要求小于50ppm或冶炼铬含量大于18%的超纯铁素体不锈钢，则选用镁钙砖为钢包内衬耐材，否则选用镁碳砖为钢包内衬耐材。

以下对上述技术方案做一下说明。

对于本发明的步骤（1），钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD，真空罐内压力满足小于100Pa，钢液初始铬含量质量百分比在10%～22%之间，碳含量质量百分比在0.08%～0.15%之间，氮质量含量小于0.015%，钢液初始温度高于1650℃。

钢液初始铬含量在10%～22%是铁素体不锈钢铬含量的要求范围，铁素体不锈钢根据其铬含量，一般分为低铬系（铬含量在10～14%）、中铬系（铬含量在14～19%）以及高铬系（铬含量在19～22%），本发明对这三种系列的不锈钢均适用。初始碳含量设定在较低含量范围，即碳含量质量百分比在0.08%～0.15%之间，相比常规操作初始碳含量在0.25%以上有大幅度降低，目的是降低VOD脱碳任务，以便减少由于脱碳带来的钢中铬的氧化，从而实现少渣冶炼，同时设定初始碳含量在在0.08%～0.15%之间还考虑到了最终渣量的控制范围，即步骤（6）要求的最终渣量控制在2.5～4吨，根据生产经验以及相关的物料平衡计算，如果碳含量低于0.08%，则对于低铬系，如按照本发明控制冶炼，最终渣量小于2.5吨，而碳含量如果高于0.15%，对于高铬系，如按本发明控制冶炼，其最终渣量大于4吨。对于初始氮含量，要求小于0.015%，这主要考虑到目前超纯铁素体不锈钢通常要求成品氮含量小于0.012%，只有要求初始氮含量小于0.015%，对于脱氮难的高铬系列超纯铁素体不锈钢，在本发明的初始碳范围内，才能满足脱氮要求。钢液初始温度要求高于1650℃，如果初始温度低于此值，容易导致冶炼结束后钢液温度过低，低于1590℃，这对于最终炉渣的流动性有影响。必须指出的是，本发明要求的包括初始碳、初始氮以及初始温度的要求是VOD上一工序AOD可以满足的。

对于本发明的步骤（2）属于常规操作，但由于初始碳含量低，则吹氧时间从常规的25min以上下降到20min以下，最低可实现吹氧12min即可，大大缩短了真空处理时间。

对于本发明的步骤（3），停止吹氧，当钢液温度达到1680～1720℃时，停止吹氧，保持当前的真空压力，随后加入铝块、硅铁和石灰进行预脱氧和造渣,铝块和硅铁加入量要求满足吹氧生成的Cr₂O₃中的76～86%被还原成铬，铝块和硅铁内的纯硅之间的质量比例为1.2～1.6,石灰加入量确保处理后炉渣成分满足如下质量含量比为CaO/Al₂O₃=1.0～2.5;CaO/SiO₂=0.8-1.5，Cr₂O₃=10～20%。

首先停止吹氧的根据是根据钢液温度作为标准来执行，控制在1680～1720℃之间，由于随后加入的硅铁和铝块容易还会提升钢液温度，则此范围目的是防止温度过高导致耐材损耗严重，考虑到本发明适用与低铬、中铬以及高铬系列铁素不锈钢，对于低铬系列钢，停氧温度偏低控制，而对于高铬系，停氧温度偏上控制，停氧时钢液温度过低，会导致VOD随后的处理温度偏低，对脱碳和脱氮不利，则要求高于1680℃，而温度过高，高于1720℃，容易导致耐材特别是含碳耐材向钢水增碳严重，且耐材损耗大。在具体操作过程中，可根据模型来计算钢液温度，或根据红外测温仪来测量钢液温度，作为停氧的根据。停氧温度控制在1680～1720℃之间，对应大钢中碳含量大约在0.02～0.04%之间，随后的自由脱碳以及还原过程脱碳可以将其脱到钢种要求的0.006%以下。本步骤要求停氧后随即开始加硅铁和铝铁对渣内大量的Cr₂O₃进行预还原，原因是吹氧在脱碳的同时，生成了大量的Cr₂O₃形成富含其的炉渣，此炉渣非常容易结块，流动性差，会大大影响到随后自由脱碳过程中钢水的流动，进而影响随后自由脱碳的效率，所以，采用预还原可以改善炉渣的流动性，Cr₂O₃生成量可根据吹氧带来的反应平衡计算出，具体为先计算吹氧脱碳的用量，并根据炉气成分计算氧气与脱碳生成的CO生成CO₂的氧气用量，并根据炉气成分计算氧气散失量，最后根据总吹氧量计算出吹氧与钢中铬的反应量，由此计算出Cr₂O₃生成量。此处要求Cr₂O₃中的76～86%被还原成铬，Cr₂O₃如果还原过多，会影响到自由脱碳过程对氧的需求，其还原过少，则炉渣的流动性无法保证。选择铝块和硅铁内的纯硅之间的质量比例为1.2～1.6,主要是从随后的造渣考虑的。石灰加入量要求保证最终炉渣CaO/Al₂O₃=1.0～2.5;CaO/SiO₂=0.8-1.5，Cr₂O₃=10～20%，主要是根据CaO-SiO₂-Al₂O₃相图中的低熔点区设定的，以便改善炉渣的流动性，此炉渣内饱和Cr₂O₃含量在7～10%之间，为了确保随后的自由脱碳有充分的氧源，最终炉渣Cr₂O₃含量要求10～20%，前面所列要求原始渣中Cr₂O₃中的76～86%被还原成铬，也是为了确保最终炉渣中Cr₂O₃含量的范围要求。另外，本步骤还可进一步提升钢液温度10～30℃左右，确保自由脱碳在较温度中进行，又避免了温度过高导致炉衬损耗严重。常规操作此环节一般不对坚硬的炉渣做处理，是因为常规操作如果处理后渣量大，经计算，常达4吨以上，不仅熔池过热严重，且大量的炉渣会影响到随后的自由脱碳过程钢液在自由空间的暴露，钢液自由暴露在自由空间中，才能有效脱碳和脱氮。而本发明此步骤处理后，炉渣总量在2吨内，且具有好的流动性，则可很好的在自由脱碳过程中被吹开，让钢液充分暴露在自由空间中。

对于本发明的步骤（4）属于常规操作，由于前面采用少渣操作，此步骤自由脱碳效率高，且很好地控制了耐材向钢液增碳，经过此处理，碳含量可控制在40ppm以下，氮含量可满足小于120ppm。

对于本发明的步骤（5），加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，铝加入量满足当前渣内的剩余Cr₂O₃中的70%～90%被还原，硅铁加入量满足硅含量满足产品要求的0.2%～0.5%之间，并加入碳酸钙质量含量小于1.5%的优质石灰和少量萤石造渣，石灰加入量满足最终炉渣的成分要求，即使炉渣成分中Cr₂O₃含量2～5%,CaO/Al₂O₃=2.0～3;CaO/SiO₂=2.0-4.5，萤石加入量为石灰加入量的0.05～0.1倍.处理时间5～10min。

此步骤基本完成了脱氧，同时为了控制石灰加入后不增碳，还是要求炉渣含有一定的Cr₂O₃，以确保钢液具有一定的氧化性，加入对含碳酸钙量有要求的优质石灰也是防止石灰向钢液增碳，加入少量萤石是为了快速化渣，防止石灰化的慢向钢液增碳，本发明萤石加入量相对常规方法较低，因为本发明炉渣的设定流动性好，没有必要加太多萤石，常规方法加太多萤石导致耐材侵蚀严重，炉渣总体成分要求的炉渣成分可确保炉渣具有很好的流动性。

对于本发明的步骤（6），还原并终脱氧，加入铝块和少量优质石灰进行终脱氧，铝块加入量要求全部还原渣内Cr₂O₃，并降低钢中氧含量到50ppm以下，石灰加入量为铝块量的1.0～1.5倍，此时炉渣成分Cr₂O₃含量<1%,CaO/Al₂O₃=1.8～3;CaO/SiO₂=2.2-5.最终渣量控制在20～32kg/吨钢。处理时间10～15min。

本步骤仅要求加入铝块进行终脱氧，由于前面步骤基本脱除了炉渣内的氧化铬，所以本步骤铝块加入量低，大约0.3～0.7kg/(t钢)，可直接加入，同时补加少量石灰来降温，就不会导致熔池过热，也可实现最终炉渣成分在合适的范围内，确保脱氧效果。最终炉渣渣量要求控制在2.4～4吨，由于前面的各个步骤的严格控制，此范围可以满足，如果渣量控制过低，则渣层厚度太小，对破真空后的钢液的保护不利，如果渣量太大，不符合本发明要求的少渣冶炼。渣量控制范围20～32kg/吨钢对于120吨VOD来说，大约是2.4～3.8吨渣，厚度大于在0.08m～0.13m之间，此厚度渣层既能满足在非真空条件下保护钢液并吸附夹杂，又能在真空条件下被吹开，确保终脱氧的还原阶段，真空处理还具有脱碳脱氮效果，以便最终控制碳氮含量。

对于本发明的步骤（7），停止搅拌，提升真空压力并破真空，软搅拌喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

这是本方法的最后一个步骤，即破真空处理，为了防止在破真空过程中，由于外界空气进入真空室而导致钢液吸氧和吸氮，本发明要求，破真空过程禁止底吹搅拌，依靠炉渣保护好钢液。随后的处理为常规操作。

本发明还真空对于步骤（3），要求加硅铁和铝脱氧时候，应控制物料加入速度在4kg/s～10kg/s之间，同时要求底吹氩总流量在2L/(min·(t钢))～4L/(min·(t钢))。

这主要为了防止局部过热并防止喷溅，硅铁和铝加入后会释放大量的能量，如果不对加料速度加以控制，此反应可能会导致喷溅严重。

最后，可选择的，如果最终碳含量要求小于50ppm或冶炼铬含量大于18%的超纯铁素体不锈钢，则选用镁钙砖为钢包内衬耐材，否则选用镁碳砖为钢包内衬耐材。主要考虑镁碳砖便宜，易于保存，而镁钙砖贵一些，不易保存，同时在冶炼过程的被侵蚀量也一些。经管本发明对耐材向钢液增碳做了严格控制，但还是无法完全避免此增碳的发生，所以根据产品对碳含量的要求来选择用何种耐材。

本发明方法通过如上设计工艺路径，主要是通过少渣冶炼降低石灰增碳的风险，同时利用少渣可保持还原和终脱氧阶段继续保持脱碳和脱氮效果，并提升了自由脱碳过程的脱碳和脱氮效率，最终起到降低成本高效率冶炼超纯铁素体不锈钢的效果。

本发明有益的技术效果：

本发明提供的一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，该方法可大大降低VOD处理过程的还原剂和石灰造渣料成本，缩短真空处理时间5分钟以上，并稳定控制处理结束后钢液碳含量小于60ppm，碳加氮总含量稳定小于180ppm，实现了超纯铁素体不锈钢的低成本高效率VOD冶炼。

具体实施方式

以下结合实施例详细说明本发明方法在精炼超纯铁素体不锈钢的实施方式和取得的效果，分别以VOD冶炼409L、439和443NT这3个牌号钢种的超纯铁素体不锈钢为例加以说明。

实施例1

本实施例设备要求：120t VOD处理炉，包衬选用镁碳砖耐材，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h。初始钢液温度1650℃，钢液重量116t，冶炼钢种409L。

（1）钢包经过扒渣后进入真空吹氧脱碳炉VOD，钢液初始温度为1650℃；

初始成分如下：

C:0.1%，Si:0.03%，Cr:11.7%，S:0.005%，N:0.015%，Mn:0.22%，P:0.015%，其余为Fe和微量杂质元素。

由于扒渣不能将所有的渣排除，初始渣中有CaO500kg，SiO₂200kg，Cr₂O₃量40kg。

（2）预抽真空后进行吹氧脱碳处理，真空压力在12000Pa-2000Pa之间，开始时压力偏高，吹氧流量1800Nm³/h，底吹氩总流量45Nm³/h，此阶段处理时间为15min。

（3）当钢液温度达1700℃时，停止吹氧，保持当前真空度2000Pa，此时吹氧量为440Nm³，炉渣中Cr₂O₃质量根据吹氧带来化学反应相关物料平衡分析为1066kg，加入铝块和硅铁将其中的76%还原，具体铝块和硅铁中纯硅质量的比例为1.35，具体加入量为铝块143kg，硅铁（含硅量75%）141kg，加料速度控制为5kg/s，大约56s加完料，加料过程中底吹氩气流量在15Nm³/h（对应2.27L/(min·(t钢))）。加料后由于还原反应的升温作用，钢水温度为1720℃。由于初始渣中的石灰满足炉渣成分要求，则此处不加入石灰，反应后炉渣成为为CaO：33%，SiO₂:28%,Al₂O₃:18%,Cr₂O₃:16%,MgO:5%，其中CaO/SiO₂质量比为1.17，CaO与Al₂O₃质量比为1.8,渣量为1.5吨。

（4）高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，底吹氩气流量在50Nm³/h，处理时间16min。

（5）停止高真空处理，真空压力恢复到2000Pa，加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，将渣内剩余Cr₂O₃中的82%还原，加入铝块量70kg，硅铁（含硅量75%）620kg，石灰820kg，萤石40kg。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间6min，最终炉渣成分CaO：54%，SiO₂:19%,Al₂O₃:18%,Cr₂O₃:2%,MgO:5%，CaF₂:2%，其中CaO/SiO₂质量比为2.8，CaO与Al₂O₃质量比为3,渣量为2.4吨。

（6）还原并终脱氧，真空压力恢复到2000Pa，加入铝块50kg和优质石灰70kg进行终脱氧。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间11min，最终炉渣成分CaO：56%，SiO₂:17%,Al₂O₃:20%,Cr₂O₃:0.2%,MgO:5%，CaF₂:2%，其中CaO/SiO₂质量比为3.1，CaO与Al₂O₃质量比为2.8,渣量为2.5吨。

（7）停止搅拌，提升真空压力并破真空。以上真空精炼处理结束后钢液温度1620℃，真空处理时间57min（常规方法真空处理时间62min以上），钢液最终成分如下：

C:0.0040%，Si:0.4%，Cr:11.6%，S:0.001%，N:0.010%，Mn:0.24%，P:0.014%，Al:0.009%，O:0.004%,其余为Fe和微量杂质元素。(常规方法C:0.0080%～0.012%)

以上钢液温度和成分均符合技术要求，随后软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸.

本方法铝块用量一共263kg，用来脱氧的硅铁用量141kg，石灰用量890kg，而常规方法用量氧化的硅铁300kg以上，石灰用量1.5吨以上，可见本方法大大节约了成本。

实施例2

本实施例设备要求：120t VOD处理炉，包衬选用镁钙砖耐材，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h。初始钢液温度1650℃，钢液重量116t，冶炼钢种439。

（1）钢包经过扒渣后进入真空吹氧脱碳炉VOD，钢液初始温度为1660℃；

初始成分如下：

C:0.08%，Si:0.05%，Cr:17.6%，S:0.003%，N:0.012%，Mn:0.3%，P:0.014%，其余为Fe和微量杂质元素。

由于扒渣不能将所有的渣排除，初始渣中有CaO600kg，SiO₂250kg，Cr₂O₃量50kg。

（2）预抽真空后进行吹氧脱碳处理，真空压力在12000Pa-2000Pa之间，开始时压力偏高，吹氧流量1800Nm³/h，底吹氩总流量45Nm³/h，此阶段处理时间为16min。

（3）当钢液温度达1710℃时，停止吹氧，保持当前真空度2000Pa，此时吹氧量为413Nm³，炉渣中Cr₂O₃质量根据吹氧带来化学反应相关物料平衡分析为1100kg，加入铝块和硅铁将其中的80%还原，具体铝块和硅铁中纯硅质量的比例为1.5，具体加入量为铝块164kg，硅铁（含硅量75%）146kg，加料速度控制为10kg/s，大约30s加完料，加料过程中底吹氩气流量在13.5Nm³/h（对应2L/(min·(t钢))）。加料后由于还原反应的升温作用，钢水温度为1725℃。由于初始渣中的石灰满足炉渣成分要求，则此处不加入石灰，反应后炉渣成为为CaO：36%，SiO₂:26%,Al₂O₃:18%,Cr₂O₃:13%,MgO:5%，其中CaO/SiO₂质量比为1.37，CaO与Al₂O₃质量比为1.9,渣量为1.6吨。

（4）高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，底吹氩气流量在50Nm³/h，处理时间20min。

（5）停止高真空处理，真空压力恢复到2000Pa，加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，将渣内剩余Cr₂O₃中的70%还原，加入铝块量60kg，硅铁（含硅量75%）700kg，石灰700kg，萤石40kg。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间7min，最终炉渣成分CaO：54%，SiO₂:19%,Al₂O₃:19%,Cr₂O₃:2%,MgO:4%，CaF₂:1.6%，其中CaO/SiO₂质量比为2.8，CaO与Al₂O₃质量比为2.9渣量为2.2吨。

（6）还原并终脱氧，真空压力恢复到2000Pa，加入铝块70kg和优质石灰100kg进行终脱氧。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间11min，最终炉渣成分CaO：56%，SiO₂:17%,Al₂O₃:21%,Al₂O₃:0.2%,MgO:4%，CaF₂:1.5%，其中CaO/SiO₂质量比为3.3，CaO与Al₂O₃质量比为2.7,渣量为2.6吨。

（7）停止搅拌，提升真空压力并破真空。以上真空精炼处理结束后钢液温度1626℃，真空处理时间56min（常规方法真空处理时间70min以上），钢液最终成分如下：

C:0.0044%，Si:0.45%，Cr:17.6%，S:0.001%，N:0.010%，Mn:0.28%，P:0.014%，Al:0.015%，O:0.004%,其余为Fe和微量杂质元素。(常规方法C:0.0080%～0.012%)

以上钢液温度和成分均符合技术要求，随后软搅拌，喂钛丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸.

本方法铝块用量一共263kg，用来脱氧的硅铁用量146kg，石灰用量800kg，而常规方法用量氧化的硅铁400kg以上，石灰用量2吨以上，可见本方法大大节约了成本。

实施例3

本实施例设备要求：120t VOD处理炉，包衬选用镁钙砖耐材，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h。初始钢液温度1650℃，钢液重量116t，冶炼钢种443NT。

（1）钢包经过扒渣后进入真空吹氧脱碳炉VOD，钢液初始温度为1650℃；

初始成分如下：

C:0.15%，Si:0.02%，Cr:20.6%，S:0.003%，N:0.015%，Mn:0.3%，P:0.014%，其余为Fe和微量杂质元素。

由于扒渣不能将所有的渣排除，初始渣中有CaO600kg，SiO₂250kg，Cr₂O₃量50kg。

（2）预抽真空后进行吹氧脱碳处理，真空压力在12000Pa-2000Pa之间，开始时压力偏高，吹氧流量1800Nm³/h，底吹氩总流量45Nm³/h，此阶段处理时间为20min。

（3）当钢液温度达1720℃时，停止吹氧，保持当前真空度2000Pa，此时吹氧量为567Nm³，炉渣中Cr₂O₃质量根据吹氧带来化学反应相关物料平衡分析为1300kg，加入铝块和硅铁将其中的80%还原，具体铝块和硅铁中纯硅质量的比例为1.2，具体加入量为铝块170kg，硅铁（含硅量75%）190kg，加料速度控制为10kg/s，大约36s加完料，加料过程中底吹氩气流量在13.5Nm³/h（对应2L/(min·(t钢))）。加料后由于还原反应的升温作用，钢水温度为1735℃。处加入石灰110kg，反应后炉渣成为为CaO：37%，SiO₂:26%,Al₂O₃:17%,Cr₂O₃:14%,MgO:4%，其中CaO/SiO₂质量比为1.38，CaO与Al₂O₃质量比为2.1,渣量为1.9吨。

（4）高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，底吹氩气流量在60Nm³/h，处理时间25min。

（5）停止高真空处理，真空压力恢复到2000Pa，加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，将渣内剩余Cr₂O₃中的70%还原，加入铝块量70kg，硅铁（含硅量75%）600kg，石灰880kg，萤石50kg，根据钢种特性，此时加入铌铁（含铌80%）200kg。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间8min，最终炉渣成分CaO：54%，SiO₂:20%,Al₂O₃:18%,Cr₂O₃:2%,MgO:4%，CaF₂:2%，其中CaO/SiO₂质量比为2.8，CaO与Al₂O₃质量比为3.0渣量为2.6吨。

（6）还原并终脱氧，真空压力恢复到2000Pa，加入铝块70kg和优质石灰100kg进行终脱氧。加料结束后真空压力要求和吹氩要求与自由脱碳阶段一致，处理时间12min，最终炉渣成分CaO：56%，SiO₂:19%,Al₂O₃:20%,Cr₂O₃:0.3%,MgO:4%，CaF₂:1.5%，其中CaO/SiO₂质量比为3.0，CaO与Al₂O₃质量比为2.8,渣量为2.8吨。

（7）停止搅拌，提升真空压力并破真空。以上真空精炼处理结束后钢液温度1610℃，真空处理时间66min（常规方法真空处理时间75min以上），钢液最终成分如下：

C:0.0060%，Si:0.38%，Cr:20.6%，Nb：0.15%，S:0.001%，N:0.012%，Mn:0.35%，P:0.014%，Al:0.010%，O:0.004%,其余为Fe和微量杂质元素。(常规方法C:0.0080%～0.012%)

以上钢液温度和成分均符合技术要求，随后软搅拌，喂钛丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

本方法铝块用量一共263kg，用来脱氧的硅铁用量146kg，石灰用量800kg，而常规方法用量氧化的硅铁400kg以上，石灰用量2吨以上，可见本方法大大节约了成本。

本申请所涉及含量包括百分比含量均为质量含量。

本发明提供的少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，该方法可大大降低VOD处理过程的还原剂和石灰造渣料成本，缩短真空处理时间5分钟以上，并稳定控制处理结束后钢液碳含量小于60ppm，碳加氮总含量稳定小于180ppm，实现了超纯铁素体不锈钢的低成本高效率VOD冶炼。

Claims (9)

1.一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

(1)钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD，真空罐内压力小于100Pa，钢液初始铬含量质量百分比10％～22％，碳含量质量百分比0.08％～0.15％，氮含量质量百分比≤0.015％，钢液初始温度高于1650℃；

(2)抽真空，并顶吹氧脱碳，同时底部吹入氩气对钢液进行搅拌，顶吹氧流量260L/(min·(t钢))～310L/(min·(t钢))，真空压力控制在12kPa～2kPa，并随着脱碳的进行，真空压力逐步降低，不允许真空压力回升；

(3)停止吹氧：当钢液温度达到1680～1720℃时，停止吹氧，保持当前的真空压力，随后加入铝块、硅铁进行预脱氧和造渣；铝块和硅铁加入量要求满足吹氧生成的Cr₂O₃中的76～86％被还原成铬，铝块和硅铁内的纯硅之间的质量比为1.2～1.6；

(4)超真空自由脱碳处理，真空压力小于1000Pa，底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间15～25min；

(5)加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，铝加入量满足当前渣内的剩余Cr₂O₃中的70％～90％被还原，硅铁加入量满足硅含量产品要求的0.2％～0.5％之间，并加入碳酸钙质量含量小于1.5％的石灰造渣；本阶段真空压力小于1000Pa，底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间5～10min；

(6)还原并终脱氧，加入铝块和石灰进行终脱氧，铝块加入量要求全部还原炉渣内Cr₂O₃，并降低钢中氧含量到50ppm以下，石灰加入量为铝块量的1.0～1.5倍；本阶段真空压力小于1000Pa，底吹氩总流量2L/(min·(t钢))～6L/(min·(t钢))，处理时间10～15min；

(7)停止搅拌，提升真空压力并破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

2.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中还加入石灰，所述石灰的加入量为确保处理后炉渣成分满足如下质量含量比为CaO/Al₂O₃＝1.0～2.5，CaO/SiO₂＝0.8-1.5，Cr₂O₃＝10～20％。

3.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中加入硅铁和铝脱氧时，物料加入速度4kg/s～10kg/s，底吹氩总流量在2L/(min·(t钢))～4L/(min·(t钢))。

4.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，在所述步骤(5)中石灰加入量满足最终炉渣成分中Cr₂O₃含量2～5％，CaO/Al₂O₃＝2.0～3，CaO/SiO₂＝2.0-4.5。

5.根据权利要求1或4所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，在所述步骤(5)中还加入萤石，所述萤石加入量为石灰加入量的0.05～0.1倍。

6.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，经所述步骤(6)后的炉渣成分为Cr₂O₃含量<1％，CaO/Al₂O₃＝1.8～3，CaO/SiO₂＝2.2-5；最终渣量控制在20～32kg/吨钢。

7.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，经所述真空吹氧脱碳炉VOD处理后，钢液中碳加氮总质量含量要求稳定控制在180ppm以下，其中碳含量稳定控制在60ppm以下，钢液温度1590～1620℃。

8.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，所述钢包的内衬耐材选自镁钙砖或者镁碳砖。

9.根据权利要求1所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，其特征在于，在所述步骤(6)中加入铝块的量为0.3-0.7kg/(t钢)。