CN107829029A

CN107829029A - 一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法

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Publication number: CN107829029A
Application number: CN201711106508.XA
Authority: CN
Inventors: 关军胜; 靳新锋; 陈亚涛; 郭绪镇; 王洛庆; 董武江; 李石民; 赵贵林
Original assignee: Luoyang Sunrui Special Equipment Co Ltd
Current assignee: CSSC Shuangrui Luoyang Special Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107829029B

Abstract

一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，依次进行的中频感应炉熔炼工艺和AOD炉精炼工艺，不仅可以通过吹氮气实现氮合金化，钢中的碳含量可以脱到要求的目标值，而钢中的有害元素如硫、氧、氢等元素的含量可以降到最低，钢液纯净度和质量大幅上升，浇注的铸件具有优良的焊接性能、抗疲劳性能和机械性能，金相组织均匀、两相比例接近50%，耐蚀性能优良，同时降低热裂、冷裂倾向，铸件使用寿命延长，制造成本大幅降低，实现节能降耗、绿色环保的目的。

Description

一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法

技术领域

本发明属于金属材料冶金领域，具体说的是一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法。

背景技术

双相不锈钢是组织中铁素体相和奥氏体相各占约一半的不锈钢，双相不锈钢将奥氏体不锈钢具有的优良韧性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能相结合，使得双相不锈钢兼具两相的优点，在全世界范围内应用广泛，主要应用于油气、化工、海洋工程、船舶、造纸、食品和轻工业以及建筑等领域，ZG022Cr22Ni5Mo3N作为超低碳、含氮双相不锈钢的典型代表，是最有经济效益的不锈钢金属材料，其成分范围见表1。

表1 ZG022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢成分 w（%）

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

N

标准成分

≤0.03

≤1.00

≤2.00

≤0.03

≤0.02

21.0-23.0

4.5-6.5

2.5-3.5

0.08-0.20

目前国内外在双相不锈钢冶炼尤其是超低碳双相不锈钢冶炼上普遍采用的是中频感应炉熔炼工艺、中频感应炉+AOD炉双联熔炼工艺、电弧炉+AOD炉双联熔炼工艺、中频感应炉+VOD炉双联熔炼工艺和电弧炉+VOD炉双联熔炼工艺等，采用这些熔炼工艺方法均能冶炼出符合成分要求的双相不锈钢，但是钢液质量层次不齐、成分波动较大、耐蚀性差异较大、生产成本高低不同。

采用中频感应炉熔炼双相不锈钢需要采用含碳量很低的纯净炉料，如纯铁、金属铬、金属钼、电解锰、结晶硅、氮化锰铁等金属炉料，并且成分不易控制，生产难度大，成品率低，生产成本最高。中频感应炉+AOD炉双联熔炼工艺、电弧炉+AOD炉双联熔炼工艺、中频感应炉+VOD炉双联熔炼工艺和电弧炉+VOD炉双联熔炼工艺，对炉料的要求不是很苛刻，可以采用合金炉料，如回炉料、废钢、锰铁、铬铁、电解镍、钼铁等，后期可以通过AOD炉或者VOD炉在熔炼过程中吹氮气来保证氮元素的含量。电弧炉在熔炼过程中会产生大量的粉尘、浓烟以及噪声污染，而感应炉熔炼相对环保些，但是对合金炉料的要求要高些。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，不仅可以通过吹氮气实现氮合金化，钢中的碳含量可以脱到要求的目标值，而钢中的有害元素如硫、氧、氢等元素的含量可以降到最低，钢液纯净度和质量大幅上升，浇注的铸件具有优良的焊接性能、抗疲劳性能和机械性能，金相组织均匀、两相比例接近50%，耐蚀性能优良，同时降低热裂、冷裂倾向，铸件使用寿命延长，制造成本大幅降低，实现节能降耗、绿色环保的目的。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，包括依次进行的中频感应炉熔炼工艺和AOD炉精炼工艺；

（一）中频感应炉熔炼工艺包括以下步骤：

步骤1.1、在中频感应炉炉底加入活性石灰后，加入回炉料、废钢、锰铁、铬铁、电解镍、钼铁，然后通电熔化、扒渣取样进行检测，按重量百分比，控制钢液成分中的C为0.08-4.5%、Si≤1.0%、Mn≤1.5%、S≤0.020%、P≤0.030%、Ni为4.5-5.5%、Cr为20.0-22.5%、Mo为2.5-3.0%；

步骤1.2、当中频感应炉内的钢液达到1600-1690℃时出钢，将钢水兑入AOD精炼炉内；

（二）AOD炉精炼工艺包括以下步骤；

步骤2.1、兑入钢水前，在AOD精炼炉内加入石灰和镁砂，并将中频感应炉最终光谱分析结果、钢水重量输入到计算机控制系统中；

步骤2.2、兑入钢水后，开始吹炼；

步骤2.3、依次进入脱碳期第一阶段与脱碳期第二阶段；

a）脱碳第一阶段

设定脱碳期第一阶段的温度目标值和碳含量目标值，根据中频感应炉最终光谱分析结果计算需要的吹氧量，此时可以吹入氧气和氮气的混合气体，氧气和氮气按比例以连续递减的方式吹入熔池，混合气体比例范围为4:1-1:3；

当吹炼至第一阶段的碳含量目标值时，测温，取样测碳，若温度未达到第二阶段的目标温度，加入石灰和铝锭提温，直至达到第一阶段的温度目标值，进入脱碳第二阶段；

b）脱碳第二阶段

设定第二阶段的温度目标值和碳含量目标值，继续吹炼，平炉测温，取样测碳，当碳含量达到第二阶段的碳含量目标值时，若温度没达到第二阶段的目标温度，加石灰、铝锭提温，直至达到第二阶段的温度目标值；

步骤2.4、脱硫，采用单渣法脱硫，渣处理4-6分钟；

步骤2.5、加入工业硅、石灰，用氩气还原搅拌5-10分钟，在还原期及钢水搅拌时，根据钢水中的氮含量，用氮气和氩气切换调整钢水中的N含量，还原完毕后取样分析成分、测温；根据分析成分结果和测定温度值，往炉中加入铝锭、石灰和需要补充的合金料，调整钢液成分达到ZG022Cr22Ni5Mo3N出炉前的最终成分及出炉前温度，控制H含量在2-4PPm，O含量≤150PPm；

步骤2.6、用氩气搅拌2分钟去除氧化物夹杂，若温度低于出钢温度，加入铝锭和石灰提温，用氧气或氩气（氮气）比为3：1的混合气体吹炼，直至达到出钢温度时，出钢前倒渣、扒渣；

步骤2.7、出钢前在钢包内加入硅钙合金脱氧，当温度为1620±20℃时出钢。

进一步，所述的ZG022Cr22Ni5Mo3N出炉前的最终成分，按重量百分比，C≤0.03%、Si为0.4-0.9%、Mn为0.4-1.5%、P≤0.03%、S≤0.02%、Cr为21.2-22.5%、Ni为4.6-6.0%、Mo为2.5-3.2%、N为0.10-0.18%，其余为Fe, 其中，PREN值：%Cr＋3.3%Mo＋16%N≥31.05。

进一步，所述的脱碳期第一阶段的温度目标值为1680℃±20℃、碳含量目标值≤0.03%。

进一步，所述的脱碳期第二阶段的温度目标值为1680℃±20℃、碳含量目标值≤0.01%。

本发明的有益效果是：

（1）可以通过吹氮气实现氮的合金化，替代氮化铬铁的加入，降低生产成本；

（2）碳含量很容易控制在0.03%以下，在AOD炉冶炼中，吹入熔池的氧气首先溶解于钢液中，钢中的碳向气液界面扩散，在界面进行[C]+[O]→CO反应，气泡内的CO分压力逐渐增大，使得气泡上浮从熔池表面脱离，该气泡的脱碳过程结束。降低CO分压可使碳脱到很低的水平，同时通过对吹入氧气消耗量的监测和记录，可以做到非常精确地控制终点碳。

（3）可以采用碳钢、回炉料、不锈钢边角料、高碳铬铁等廉价原材料，降低生产成本；

（4）合金元素收得率高，铬的收到率达到98%以上，钼的收到率达到98%以上，镍的收到率达到100%，生产成本得到降低；

（5）钢液纯净度高，H含量可以控制在2-4PPm，O含量可以控制到≤150PPm，氧化夹杂少，钢中的氧含量是其纯净度的一个反应，AOD中脱气是通过气泡反应来实现的。钢中的含气杂质受喷射性气体，还原期产生的大量CO气体的共同作用，变成气泡形式被带出。由于在整个吹炼过程中一直有气体的净化作用，钢中原有的气体H、O和非金属夹杂物能够被清除至很低的水平，特别是在还原期后期用氩气搅拌钢液控制氧、氢含量特别有效。

（6）金相组织中奥氏体相或者铁素体相可以控制到40-60%，耐蚀性能和焊接性能优良，并且实现了机械性能的最佳匹配，热裂、冷铁倾向小。

具体实施方式

一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，包括内控成分设计、中频感应炉熔炼工艺和AOD炉精炼工艺。

（1）内控成分设计

为了提高双相不锈钢铸件的耐蚀性，控制铁素体相和奥氏体相含量各占约一半（铁素体含量40-60%），需要对铁素体和奥氏体形成元素的含量进行控制和设计，设计的内控成分如表2所示。

表2 ZG022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢内控成分 wt（%）

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

N

标准成分

≤0.03

≤1.00

≤2.00

≤0.03

≤0.02

21.0-23.0

4.5-6.5

2.5-3.5

0.08-0.20

内控

≤0.03

0.4-0.9

0.4-1.5

≤0.03

≤0.020

21.2-22.5

4.6-6.0

2.5-3.2

0.10-0.18

PREN值：%Cr＋3.3%Mo＋16%N≥31.05。

（2）中频感应炉熔炼工艺

①中频炉熔炼的目标成分控制，见表3。

表3 ZG022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢中频炉熔炼成分范围 wt（%）

元素

C

Si

Mn

S

P

Ni

Cr

Mo

范围

0.08-4.5

≤1.0

≤1.5

≤0.020

≤0.030

4.5-5.5

20.0-22.5

2.5-3.0

②中频炉初炼钢液的出钢温度控制在1600-1690℃。

③中频炉熔炼过程控制

首先炉底加入少量活性石灰，然后加入回炉料、废钢、锰铁、铬铁、电解镍、钼铁等合金炉料，然后通电熔化、扒渣取样，按照表3的成分范围控制钢液成分，达到出钢温度时出钢，用翻包把钢水兑入AOD精炼炉中。

（3）AOD精炼炉精炼工艺

①兑入钢水前，AOD精炼炉内加入石灰、镁砂等，并将中频感应炉最终光谱分析结果、钢水重量输入到计算机控制系统中。

②将炉体转动至后仰5°，开始吹炼。

③进入脱碳期，依次进入脱碳期第一阶段与脱碳期第二阶段；

a）脱碳第一阶段

设定脱碳期第一阶段的目标值，见表4，根据中频感应炉最终光谱分析结果计算需要吹氧量，此时可以吹入氧气和氮气的混合气体，氧气和氮气的比例以连续递减的方式吹入熔池，混合气体比例范围4:1-1:3；在脱碳过程中实时测温，以加入石灰或铝锭提温。

表4 AOD精炼炉脱碳期第一阶段目标数值

序号	项目	目标值
			1	温度	1680℃±20℃
2	碳含量	≤0.03%

当吹炼至第一阶段的目标碳含量时，测温，取样测碳，并根据测定温度，加入石灰或铝锭提温，以达到温度目标值。

b）脱碳第二阶段

设定第二阶段的目标值，见表5。继续吹炼，平炉测温，取样测碳，碳含量达到第二阶段的目标碳含量，如温度没达到第二阶段的目标温度，加铝锭和石灰提温，直至达到第二阶段的目标温度。

表5 脱碳期第二阶段目标数值

序号	项目	目标值
			1	温度	1680℃±20℃
2	碳含量	≤0.01%

④脱硫，采用单渣法脱硫，渣处理约5分钟。

⑤还原，加入工业硅、石灰等，用氩气还原搅拌5-10分钟。还原完毕后取样分析成分、测温；根据分析结果和测定温度，往炉中加入铝锭、石灰和需要补充的合金料，调整钢液成分和温度，使钢液成分达到如表1的内控成分，温度达到1650℃±20℃。还原期及钢水搅拌时，根据钢水中的氮含量，惰性气体用氮气和氩气切换调整钢水中的氮含量，切换调整的顺序为先通过氮气后通入氩气。

⑥出钢前倒渣、扒渣。如因温度低需重吹，可加入铝锭和石灰，用氧气/氩气（氮气）比为3：1的混合气体吹炼，达到出钢前温度，用氩气搅拌2分钟去除氧化物夹杂。

⑦出钢，出钢温度1620±20℃，出钢前在钢包内加入硅钙合金脱氧。

⑧氮气和氢气的控制

AOD精炼炉中脱气是通过气泡反应来实现的，H含量可以在双相不锈钢中控制在2-4PPm，氮含量控制到内控成分范围内。

⑨氧的控制

钢中氧含量是其纯净度的一个反映，采用AOD精炼ZG022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，其O含量可以控制到≤150PPm。

实施例1

铸造材质为ZG022Cr22Ni5Mo3N的双相不锈钢导叶体铸件时采用本发明，实施后效果良好。实施过程如下：

（1）中频感应炉熔炼

①首先在炉底加入少量活性石灰，然后加入回炉料、废钢、锰铁、铬铁、电解镍、钼铁等合金炉料，然后通电熔化、扒渣取样，成分分析结果C：3.0%，Si：0.7%，Mn：1.2%，S：0.018%，P：0.028%，Ni：5.0，Cr：21.3%，Mo：2.7%，符合表3的双相不锈钢中频感应炉熔炼成分范围。

②中频感应炉初炼钢液的出钢温度控制在1680℃。

③用翻包把钢水兑入AOD精炼炉中。

（2）AOD精炼炉精炼

①兑钢前，AOD精炼炉内加入石灰、镁砂等，并将中频感应炉熔炼的成分分析结果、钢水重量输入到计算机控制系统中。

②将炉体转动至后仰5°，开始吹炼。

③脱碳期

a）脱碳第一阶段

根据中频感应炉最终光谱分析结果计算需要吹氧量，氧气/氮气的比例以连续递减的方式吹入熔池，刚开始时混合气体比例是4:1，随着碳含量的降低，混合气体比例是1:3；温度达到1670℃时，碳含量0.028%，随后加入石灰、铝锭。

b）脱碳第二阶段

继续吹炼，平炉测温，取样测碳，温度达到1680℃时，碳含量0.008%。

④脱硫，采用单渣法脱硫，渣处理4分钟。

⑤还原，加入工业硅、石灰、电解镍、铬铁等，用氧气/氩气（氮气）比为3：1的混合气体吹炼，用氩气还原搅拌8分钟。还原完毕后测温1650℃，取样分析成分C：0.016%，Si：0.65%，Mn：0.96%，S：0.015%，P：0.028%，Ni：5.3，Cr：22.1%，Mo：2.65%，N：0.15%，符合内控成分要求，H含量为3.4PPm，O含量为118PPm。

⑥继续吹氩气搅拌2分钟去除氧化物夹杂，然后倒渣、扒渣。

⑦出钢，出钢温度1640℃，钢包内加入硅钙合金脱氧。

（3）实施效果

①浇注铸件后，从铸件连体试块上取样进行成分分析，经检测：C：0.021%，Si：0.70%，Mn：0.94%，S：0.016%，P：0.029%，Ni：5.28%，Cr：22.03%，Mo：2.62%，N：0.16%，符合内控成分要求，并且H含量为3.6PPm，O含量为135PPm。

②铸件连体试块随铸件一起热处理后，其抗拉强度Rm为670MPa，屈服强度Rp_0.2为465MPa，延伸率A为31.7%，常温冲击功Ak_V为177J，强韧性优良。

③经过金相组织检测，铁素体含量为52.5%，达到控制要求。

④在35℃、0.05mol/L盐酸+6%的FeCl₃溶液中进行24h点蚀试验和缝隙腐蚀试验，ZG022Cr22Ni5Mo3N的点蚀速率为4.03gm^-2h^-1，缝隙腐蚀速率为6.31gm^-2h^-1，而同条件下的CF3M材质的点蚀速率为21.91gm^-2h^-1，缝隙腐蚀速率为12.25gm^-2h^-1，结果显示ZG022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的耐蚀性优于CF3M奥氏体不锈钢。

⑤铬的收到率98.5%，钼的收到率98.8%，镍的收到率100%。

Claims

1.一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，其特征在于：包括依次进行的中频感应炉熔炼工艺和AOD炉精炼工艺；

（一）中频感应炉熔炼工艺包括以下步骤：

（二）AOD炉精炼工艺包括以下步骤；

步骤2.2、兑入钢水后，开始吹炼；

步骤2.3、依次进入脱碳期第一阶段与脱碳期第二阶段；

a）脱碳第一阶段

b）脱碳第二阶段

步骤2.4、脱硫，采用单渣法脱硫，渣处理4-6分钟；

2.如权利要求1所述的一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，其特征在于：所述的ZG022Cr22Ni5Mo3N出炉前的最终成分，按重量百分比，C≤0.03%、Si为0.4-0.9%、Mn为0.4-1.5%、P≤0.03%、S≤0.02%、Cr为21.2-22.5%、Ni为4.6-6.0%、Mo为2.5-3.2%、N为0.10-0.18%，其余为Fe, 其中，PREN值：%Cr＋3.3%Mo＋16%N≥31.05。

3.如权利要求1所述的一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，其特征在于：所述的脱碳期第一阶段的温度目标值为1680℃±20℃、碳含量目标值≤0.03%。

4.如权利要求1所述的一种ZG022Cr22Ni5Mo3N材质双相不锈钢冶炼工艺方法，其特征在于：所述的脱碳期第二阶段的温度目标值为1680℃±20℃、碳含量目标值≤0.01%。