CN108866277B - 一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺，属于钢铁冶金技术领域。该精炼炉包括钢包、单嘴真空系统及升降氧枪系统。单嘴真空系统位于钢包上方，单嘴真空系统包括浸渍管、下部真空室、上部真空室、真空加料管及位于上下真空室之间的防喷溅遮挡体，上下真空室之间采用密封法兰进行紧固连接。钢包设有底吹透气砖，底吹透气砖产生的气泡柱通过浸渍管进入下部真空室内。升降氧枪系统中的氧枪产生超音速氧气射流，使用过程中可进行垂直升降，用于吹炼过程枪位的调整。采用该精炼炉进行不锈钢冶炼，对初始碳含量小于2％的不锈钢钢液，可在短时间内将钢中C+N总量降低至0.015％以下。该装置具有生产成本低、精炼效率高的显著优势。

Description

一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别是指一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺。
背景技术
随着钢铁材料的迅速发展和激烈竞争，对不锈钢质量提出了越来越苛刻的要求。不锈钢的高洁净化和高效冶炼是冶金工作者追求的目标。
目前，在不锈钢冶炼过程中，钢液初炼主要在电弧炉或转炉内完成，其主要任务是炉料熔化和钢液的粗脱碳。不锈钢精炼常用的装置有AOD、VOD及RH-OB，主要的精炼任务是将钢液中碳、氮等杂质元素快速地去除，同时减少Cr等合金元素的氧化烧损。AOD冶炼过程是将初炼钢水装入炉内，并按一定比例的氩(氮)-氧混合气体通过炉体下部侧吹喷枪吹入炉内，在氩(氮)-氧气泡表面进行脱碳反应。该炉型的主要优点在于可以用高碳铬铁进行冶炼，冶炼效率高，操作方便；主要缺点在于：当碳含量低于0.1％时，其脱碳速率显著降低，冶炼时间显著增加，难以获得极低C、N含量的钢液，因此，对于碳氮含量要求极低的超纯不锈钢(C+N<0.02％)，AOD难以进行冶炼。相比AOD炉，VOD与RH-OB主要利用顶吹氧和真空环境的共同作用进行快速脱碳。通过控制真空度，即使在碳含量较低时也可使钢液中的碳先于铬氧化，使钢中的碳含量降低至极低水平。因此，这两种炉型适用于超纯铁素体不锈钢等高端钢种的冶炼。
尽管VOD与RH-OB在冶炼超低碳不锈钢方面具有明显的优势，但在实际生产中仍存在一些问题难以解决。
对VOD冶炼不锈钢，主要存在的问题如下：
(1)VOD脱碳时往往要求进站钢水的碳含量小于0.5％。碳含量较高时，容易产生喷溅，吹炼时间随之增加。因此，对VOD进站碳含量必须控制在一定范围，这意味着初炼炉脱碳任务加重，也限制了廉价高碳铬铁的使用量，导致冶炼成本的增加。
(2)为防止吹炼过程产生的钢渣喷溅污染罐体，冶炼时要求钢包留有较高的自由空间，导致钢包装钢量减少，钢包利用率降低，生产效率降低。
(3)脱碳过程难以进行在线取样。VOD冶炼时，钢包被完全密封在真空罐内，过程难以进行取样分析，不便于对冶炼过程进行在线跟踪。
对RH-OB冶炼不锈钢，主要存在的问题如下：
(1)由于炉型结构限制，吹氧强度受限。在RH真空循环冶炼过程中，高强度吹氧极易对真空槽底部形成冲蚀。因此，在实际生产过程中无法快速脱碳。
(2)浸渍管耐材寿命低。在RH脱碳过程中，提高钢液循环量是加快脱碳速率的有效方法，提高钢液循环量意味着上升管中需要吹入更多提升气体。大量提升气体加剧浸渍管耐材的侵蚀。
(3)真空室内结瘤严重，清理困难。在吹氧脱碳过程中大量的喷溅物附着在真空槽内壁，形成结瘤，极难清理。
本发明所涉及到的单嘴精炼炉最早由我国北京钢铁学院(现：北京科技大学)在1976年首次提出[文献1：北京钢铁学院，大连钢厂试验小组(张鉴执笔)：单咀插入式真空吹氩试验结果，大连特殊钢，1978，No.1，P5-26]，当时起名为“单咀插入式真空吹氩法”，在此基础上形成了“一种单嘴真空精炼设备”专利[文献2：张鉴；杨念祖；王潮等：一种单嘴真空精炼设备，授权公告号：CN2040910U]，并取名为“单嘴精炼炉”，一直沿用至今。
在此基础上，张鉴等进一步发明了“多功能复吹单嘴精炼炉”[文献3：张鉴，成国光等：多功能复吹单嘴精炼炉，授权公告号：CN2432219Y]，其功能在文献2的基础上，增加了真空室顶部氧枪等多功能装置。随后中国专利CN101921895B[文献4：张鉴，成国光，秦哲：单嘴精炼炉冶炼超洁净钢工艺]提出了采用单嘴精炼炉冶炼超低碳钢的冶炼工艺。
此外，中国专利CN2432219Y[文献3]、CN101921895B[文献4]、CN206768169U[文献5：成国光，朱梅婷，代卫星等：偏心单嘴精炼炉及精炼工艺]分别对单嘴精炼炉的冶炼优势进行详细阐述，相比RH，其突出的优势可概括如下：
(1)高效的循环搅拌效率；单嘴精炼炉内气泡在钢液中的上升路径要比RH增加近一倍，在相同吹氩量及真空度条件下，气泡所贡献的搅拌能远大于RH，因此，在同等冶炼条件下，单嘴精炼炉氩气消耗量远低于RH。
(2)浸渍管寿命更长，真空室产生的喷溅量更少；与同吨位RH相比，在相同的冶炼指标下，由于单嘴拥有更大的浸渍管直径和更少的气体消耗，因此，钢液循环对浸渍管内壁耐材的冲刷侵蚀程度要低于RH；同时，低的氩气消耗也将使真空室内钢液界面产生气泡喷溅量减少，进而减少钢渣在真空室的结瘤附着。
(3)建设成本、运行成本和维护成本更低；相比同吨位RH，单嘴精炼炉装备结构更为简单且吹氩量少，因此所需的建造成本、真空泵等设备成本较低。
对于采用单嘴精炼炉冶炼超低碳钢种的研究和实践早有报道，中国专利CN101921895B[文献4]中提出的超低碳冶炼工艺主要适合于初炼获得低碳的钢液后，在真空中进一步深脱碳，从而将碳含量降低至极低水平，如IF钢、无取向硅钢等钢种的冶炼。但这种工艺不适合于不锈钢这种高Cr含量钢种的冶炼。
针对利用单嘴精炼炉是否可以冶炼不锈钢，中国实用新型CN2432219Y[文献3]中首次提出单嘴精炼炉可用于不锈钢种的冶炼，但申请人依据该实用新型进行不锈钢冶炼时发现真空室喷溅现象严重，大量的含铬渣附着在真空室内壁难以清理，且钢包内炉渣结壳严重，脱碳效率低。
到目前为止，对于采用单嘴精炼炉冶炼超低碳不锈钢的合理炉型及工艺研究尚无报道。本发明在充分发挥单嘴精炼炉真空精炼优势的基础上，通过进一步优化炉型结构、增设喷溅遮挡装置以及合理设计冶炼操作，进而形成一种适用于冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉装置及相关工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺，有效解决上述采用VOD、RH-OB冶炼超低碳不锈钢时出现的诸多问题，对初始碳含量较高([C]≤2％)的不锈钢钢液，能够在较短时间内，高效地完成钢液脱碳、脱气、还原等精炼任务，同时在冶炼过程中能够有效减少钢液喷溅对生产的影响。
该精炼炉包括钢包、单嘴真空系统及升降氧枪系统，单嘴真空系统位于钢包上方，单嘴真空系统包括浸渍管、下部真空室、上部真空室、真空加料管和防喷溅遮挡体，升降氧枪系统伸入单嘴真空系统中；防喷溅遮挡体位于上部真空室和下部真空室之间，上部真空室和下部真空室之间采用密封法兰进行紧固连接；钢包下部设有底吹透气砖，底吹透气砖产生的气泡柱通过浸渍管进入下部真空室内。
其中，升降氧枪系统中的氧枪为拉瓦尔氧枪，能够产生超音速氧气射流，并且在使用过程中能够垂直升降，用于吹炼过程枪位的调整。
防喷溅遮挡体主要由耐火质浇注料及钢纤维一体浇注成型，具有易加工，高强度，耐高温的特点。防喷溅遮挡体外形呈圆盖状，防喷溅遮挡体中心部分设有通气孔，防喷溅遮挡体上部端面为平面结构，防喷溅遮挡体下部端面为圆形穹顶结构，防喷溅遮挡体整体中心薄边部厚，防喷溅遮挡体边部支撑部位厚度d1满足d1＝(0.15～0.25)×D3，其中，D3为防喷溅遮挡体外径，防喷溅遮挡体中心最薄部位厚度d2满足d2＝(0.3～1.0)×d1。
通气孔的有效通气面积A1与真空室内腔截面积A2比值满足A1/A2＝0.35～0.65。
浸渍管内径D1满足D1＝(0.35～0.45)×D0，其中，D0为钢包底部内径；浸渍管内壁耐材高度h0满足h0＝1.3m～1.6m，浸渍管壁厚δ满足δ＝0.2m～0.35m，浸渍管外壁耐材高度h3满足h3＝0.9m～1.2m；下部真空室内径D2满足D2＝(1.3～1.8)×D1；下部真空室耐材高度h4满足h4＝(2.0～3.0)×h0；底吹透气砖中心与浸渍管中心距离R满足R＝(0.35～0.55)×(D1/2)。
安装时，先将防喷溅遮挡体嵌入下部真空室的顶部，然后将防喷溅遮挡体及下部真空室形成的整体与上部真空室进行对位连接。
采用该单嘴精炼炉进行精炼的工艺，包括步骤如下：
S1.调整进站钢液初始条件：
进站前钢液成分满足：ω[C]≤2％；钢液温度T＝Tliq.+(100～200)℃,其中Tliq.为钢种液相线温度；渣厚≤100mm，炉渣二元碱度[ω(CaO)/ω(SiO2)]控制在1.5～1.8，渣中ω(Al2O3)≤3％,ω(MgO)≤5％，ω(CaF2)5％～10％；
S2.浸渍管排渣：当钢包到达单嘴精炼炉处理工位后，调整底吹透气砖吹氩量为2～5NL/min/t，调整钢包位置使浸渍管中心与钢包中心重合；再增大底吹透气砖吹氩量至5～10NL/min/t，将钢包渣面吹开，将浸渍管插入至钢液液面以下，调整浸渍管插入深度h2至0.1～0.2m，吹氩强搅拌1～3min；
S3.真空吹氧脱碳：
S2操作完成后，降低吹氩量至1～3NL/min/t；开启真空泵，将真空室内部压力快速降低至15～20kPa，然后进行低枪位、大流量吹氧脱碳，吹氧量为5～20Nm3/h/t，同时增大吹氩量至3～7NL/min/t，过程中将浸渍管插入深度h2控制在0.5～0.7m，枪位高度HL控制在0.5～1.0m，吹炼5～10min；当碳含量降至0.2％以下后，提高枪位HL至1.0～1.5m，降低吹氧量至1～6Nm3/h/t，调整吹氩量至5～10NL/min/t，过程中将真空压力逐渐降低至15kPa以下，调整浸渍管插入深度至0.3～0.6m；
S4.真空自然脱碳：
当S3吹氧过程碳含量降至0.1％以下时，停止吹氧，快速将真空室压力降低至100Pa以下，吹氩量保持在5～10NL/min/t，冶炼5～10min；
S5.还原精炼：
在精炼时，加入石灰、萤石和硅铁，其中石灰与萤石加入重量比为3～6：1，硅铁加入量为3～8kg/t，总渣量控制在20～40kg/t；还原剂加入后，逐级关闭真空泵进行复压操作，复压过程吹氩量保持1～4NL/min/t；当浸渍管脱离钢液后，持续小流量吹氩搅拌2～5min，此时吹氩保证不裸露钢液面。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明单嘴精炼炉具有更大的下部真空室，主要体现在更大的真空室内径D2及更高的h4。大的真空室可实现以下冶炼优势：(1)有效减少喷溅；(2)真空室内活跃界面增加，促进碳氧快速反应，实现高效脱碳；(3)真空室内壁不易结冷钢。结合本发明精炼炉的精炼工艺，具体优点如下：(1)通浸渍管排渣，使真空室钢液面裸露，加快了前期脱碳效率，并减少了吹氩前期渣溅发生量；(2)脱碳过程中，部分氧化铬渣会被卷出浸渍管进入钢包渣中，这种高熔点铬渣极易在包壁及浸渍管外壁形成附着，本发明工艺通过合理控制进站炉渣成分，有效降低了氧化铬渣附着程度；(3)采用本发明工艺，对初始碳含量1～2％的不锈钢钢液，可在短时间内将钢中C+N含量总和降低至150ppm以下，相比RH-OB冶炼工艺，吹氧效率更高，氩气消耗更少。
附图说明
图1为本发明单嘴精炼炉具体结构组成示意图；
图2为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体俯视图；
图3为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体仰视图；
图4为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体结构尺寸示意图；
图5为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体与下部真空室组装示意图；
图6为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体与上部真空室组装示意图；
图7为本发明单嘴精炼炉中防喷溅遮挡体遮挡喷溅物示意图；
图8为图1中A-A剖切视图；
图9为本发明单嘴精炼炉结构尺寸说明图。
其中：1-底吹透气砖；2-气泡柱；3-钢液；4-炉渣；5-钢包；6-浸渍管；7-下部真空室；8-防喷溅遮挡体；9-密封法兰；10-真空加料管；11-上部真空室；12-升降氧枪系统；13-氧气射流；14-通气孔；15-防喷溅遮挡体上部端面；16-防喷溅遮挡体下部端面；17-边部支撑部位；18-喷溅物；
A1-通气孔有效通气面积；A2-下部真空室内腔截面积；D0-钢包底部内径；D1-浸渍管内径；D2-下部真空室内径；D3-防喷溅遮挡体外径；d1-防喷溅遮挡体边部支撑部位厚度；d2-防喷溅遮挡体中心最薄部位厚度；δ-浸渍管壁厚；h0-浸渍管内壁耐材高度；h1-渣厚；h2-浸渍管插入钢液深度；h3-浸渍管外壁耐材高度；h4-下部真空室内壁耐材高度；HL-氧枪枪位高度；R-底吹透气砖中心与浸渍管中心距离。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉及精炼工艺。
该精炼炉结构如图1所示，包括钢包5、单嘴真空系统及升降氧枪系统12。钢包5底部为底吹透气砖1，钢包5内盛放钢液3，钢液3上方漂浮炉渣4，单嘴真空系统位于钢包5上方，单嘴真空系统包括浸渍管6、下部真空室7、上部真空室11、真空加料管10及位于上下真空室之间的防喷溅遮挡体8，上下真空室之间采用密封法兰9进行紧固连接。钢包设有底吹透气砖1，底吹透气砖1产生的“气泡柱”2通过浸渍管6进入下部真空室7内。升降氧枪系统12中的氧枪为拉瓦尔氧枪，可产生超音速氧气射流13，且使用过程中可进行垂直升降，用于吹炼过程枪位的调整。
防喷溅遮挡体8主要由耐火质浇注料及钢纤维一体浇注成型，具有易加工，高强度，耐高温的特点。
如图2、图3、图4所示，防喷溅遮挡体8外形呈圆盖状，其内部设有通气孔14，通气孔的设计可保证冶炼状态下真空通道的畅通，以及氧枪升降通道、加料通道的畅通。防喷溅遮挡体上部端面15为平面结构，防喷溅遮挡体下部端面16为圆形穹顶结构，整体呈中心薄边部厚，穹顶结构设计可有效增加遮挡体的结构强度，为保证使用过程中的结构强度，遮挡体边部支撑部位17处厚度d1应满足d1＝(0.15～0.25)×D3，D3为遮挡体外径，中心最薄部位处厚度d2应满足d2＝(0.3～1.0)×d1。
如图5所示，安装时先将防喷溅遮挡体8嵌入下部真空室7的顶部，嵌入后将防喷溅遮挡体及下部真空室形成的整体与上部真空室11进行对位连接，如图6所示，对位时应保证防喷溅遮挡体不阻碍氧枪及加料通道，然后通过密封法兰9与上部真空室11进行密封连接。
在单嘴吹氧脱碳过程中，真空室内会也会产生如前所述的液滴喷溅，但其喷溅量远少于RH，同样，在超音速射流的冲击下，真空室内也会产生钢渣的长距离飞溅。遮挡体的设计一方面可有效遮挡钢渣飞溅物进入上部真空室，如图7所示，被遮挡的喷溅物18大多附着在遮挡体的底面，进而减少喷溅物在上部真空室内壁的附着；另一方面，可遮挡钢液表面产生的高温辐射热，可使整个下部真空室的气氛保持高温状态，高温可促进喷溅物18发生重熔滴落，有效抑制真空室内附着物的大量聚集。
对于本发明所述的通气孔14，如图8所示，通气孔面积越小越有利于飞溅物及辐射热的遮挡，但过小的通气面积将增加抽真空的阻力，降低真空压降速率，不利于高效冶炼，因此控制通气面积A1(不包括氧枪与加料管所占通道面积)与真空室内腔截面积A2比值非常关键，本发明提出的最佳比值范围A1/A2＝0.45～0.65。
防喷溅遮挡体在生产过程中使用方便，更换灵活。由于遮挡体远离高温反应区且不与钢液发生直接接触，其耐材的更换周期要大于浸渍管及下部真空室耐材的更换周期，当浸渍管与下部真空室耐材进行更换时，可同时对遮挡体进行检查、清理或更换。
单嘴精炼炉各组成结构之间满足特定的尺寸关系，如图9所示：(1)浸渍管内径D1满足D1＝(0.35～0.45)×D0，D0为钢包底部内径；(2)浸渍管内壁耐材高度h0满足h0＝1.3m～1.6m，浸渍管壁厚δ满足δ＝0.2m～0.35m，浸渍管外壁耐材高度h3满足h3＝0.9m～1.2m；(3)下部真空室内径D2满足D2＝(1.3～1.8)×D1；下部真空室耐材高度h4满足h4＝(2.0～3.0)×h0；(4)底吹透气砖中心与浸渍管中心距离R满足R＝(0.35～0.55)×(D1/2)。
采用该精炼炉进行精炼的工艺主要包括如下工序：S1.进站钢液需要满足一定的初始条件；S2.浸渍管排渣；S3.真空吹氧脱碳；S4.真空脱碳；S5.还原精炼。
以下结合冶炼操作对上述工序进行详细说明
(1)进站钢液初始条件
进站前钢液成分应满足，ω[C]≤2％；钢液温度T＝Tliq.+(80～200)℃,其中Tliq.为液相线温度；渣厚≤100mm，炉渣二元碱度[ω(CaO)/ω(SiO2)]控制在1.5～1.8，渣中ω(Al2O3)≤3％,ω(MgO)≤5％，ω(CaF2)5％～10％。
(2)浸渍管排渣操作
钢包到达单嘴精炼炉处理工位；调整底吹透气砖吹氩量为2～5NL/min/t，调整钢包位置使浸渍管中心与钢包中心重合；增大吹氩量至5～10NL/min/t，将钢包渣面吹开，使钢液面尽可能裸露，将浸渍管插入至钢液液面以下，调整浸渍管插入深度h2至0.1～0.2m，吹氩1～3min，通过大流量强搅拌将浸渍管内残余的炉渣尽可能排尽，为后序脱碳脱气创造良好的动力学条件。(注：如不特别指出，本文所用单位“/t”表示吨钢。)
(3)真空吹氧脱碳
排渣操作完成后，降低透气砖吹氩量至1～3NL/min/t；开启真空泵，将真空室上部、真空室下部内部压力快速降低至15～20kPa范围，此时，钢种碳含量较高，供氧速度决定脱碳速度，可通过强吹氧、快循环加速脱碳，降低枪位高度HL调整至低枪位0.5～1.0m，以5～20Nm3/h/t大吹氧量向钢水中不断吹氧，同时增大吹氩量至3～7NL/min/t，过程中需将浸渍管插入深度h2控制在0.5～0.7m范围，持续吹炼5～10min。
随着碳含量不断降低，脱碳速率也随之降低，此时供氧强度也应降低，否则钢液过氧化会造成合金元素烧损。控制过程可采取如下操作，将当碳含量降至0.1％以下时提高枪位至1.0～1.5m范围，以每分钟1-6Nm3/h/t的流量吹氧，调整吹氩量至5～10NL/min/t，过程中需将真空压力逐渐降低至15kPa以下，调整浸渍管插入深度至0.3～0.6m。
(4)真空自然脱碳
当上述吹氧过程碳含量降至[C]临后，钢液中碳元素的传质速率成为脱碳限制环节，此时，通过极真空与强搅拌，可促进钢中溶解氧与剩余的碳继续发生反应，具体操作为：当碳含量降低至0.1％以下，停止吹氧，快速将真空压力降低至100Pa以下的极真空状态，吹氩量保持在5～10NL/min/t范围，保持极真空5～10min。
(5)还原精炼
脱碳过程往往伴随着合金元素的氧化，不锈钢脱碳后钢中Cr含量一般下降0.4～0.8％，Cr以Cr2O3形式存在于渣中，脱碳过程中，这些富铬渣漂浮在真空室钢液面上，部分铬渣流出真空室进入钢包覆盖渣中。当冶炼碳含量降低至目标碳含量时，可通过真空加料仓向真空室内加入萤石、硅铁等复合还原剂进行合金还原，其中石灰与萤石加入比(重量)应控制在3～6：1，硅铁(75％Si)加入量为3～8kg/t，总渣量控制在20～40kg/t。还原剂加入后，逐级关闭真空泵进行复压操作，复压过程吹氩量保持1～4NL/min/t，当浸渍管脱离钢液后，持续小流量吹氩搅拌2～5min，促进钢包炉渣的软化及合金还原，应当指出，此时吹氩搅拌要以不裸露钢液面为前提，防止钢液吸氮。
对工序(1)所述的进站碳含量要求，应当指出，本发明装置及工艺主要是针对进站碳含量较高(>0.1％)的这种冶炼难度大的不锈钢钢种提出的，对进站碳含量较低(<0.1％)不锈钢钢液，不需要进行吹氧强制脱碳，经工序(2)后可直接进入工序(4)进行自然脱碳。
下面结合具体实施例予以说明。需要说明的是，实施例包括本发明例与对照例，本发明例采用本发明单嘴精炼炉进行不锈钢脱碳精炼，对照例采用VOD精炼炉进行不锈钢脱碳，本发明例与对照例均采用“电炉+单嘴精炼炉/VOD+LF精炼炉+连铸”的生产流程冶炼409L铁素体不锈钢，两种真空精炼炉采用同等能力真空系统，相同大小的钢包。实施例所要达到的冶炼终点目标：ω[C]≤0.008％，ω[N]≤0.008％，ω[Cr]10.50～11.50％。
1.本发明例：单嘴精炼炉进行不锈钢脱碳
①电弧炉冶炼完成后，钢包进入单嘴精炼炉工位，钢包透气砖接通吹氩管，吹氩流量为160NL/min，取全分析样，钢液成分：ω[C]1.18％，ω[Cr]11.52％ω，[Si]0.023％，ω[Mn]0.24％，ω[N]0.014％；取渣样，炉渣成分：ω(CaO)47.8％，ω(SiO2)29.3％，ω(Al2O3)2.7％，，ω(MgO)3.42％，ω(CaF2)7.8％，钢水量66t，钢液温度1638℃，炉渣厚度约100mm，。
②浸渍管排渣工序：调整钢包位使浸渍管中心与钢包中心重合，调节吹氩量至540NL/min，用大流量搅拌将钢包渣面吹开，使钢液面裸露，启动液压顶升装置顶升钢包使浸渍管底部浸入钢液面下，调整浸渍管插入钢液深度约为150mm，吹氩量保持不变，吹氩2min。
③吹氧脱碳工序：排渣操作完成后，降低吹氩量至180NL/min；逐级开启真空泵，4min后，真空压力达到18kPa，过程中不断抬升钢包使插入深度为0.7m，压力稳定后，增大吹氩量至425NL/min；下氧枪至0.7m高度，吹氧量为1220Nm3/h，吹炼13min；取分析样，ω[C]0.11％，ω[Cr]11.21％ω，测温1640℃。抬氧枪至1.1m高度，以35Nm3/h/min的速度降低吹氧量；6min后，取分析样，ω[C]0.028％，ω[Cr]11.02％，测温1670℃，停止供氧；
④真空自然脱碳：增大吹氩量至510NL/min，快速降低真空压力，3min后压力降至61Pa，过程中调整插入深度为0.4m，保持极真空3min；取分析样，ω[C]0.017％，ω[Cr]11.12％，ω[N]0.007％，测温1675℃；将真空度降至8kPa，下氧枪至1m高度，控制吹氧量750Nm3/h，补吹2min后停止吹氧，恢复极真空至60Pa，恢复插入深度0.4m，极真空保持5min；取分析样，ω[C]0.008％，ω[Cr]11.14％，ω[N]0.003％，测温1658℃；
⑤还原精炼工序：加硅铁210kg，石灰580kg，萤石120kg，继续吹氩2min后破真空；复压至大气压后，降低吹氩量至210NL/min，继续吹氩3min；取分析样：ω[C]0.0065％，ω[Cr]11.48％，ω[N]0.003％，测温1590℃。
2.对照例：VOD精炼炉进行不锈钢脱碳
①电弧炉冶炼完成后，钢包入真空罐，钢包透气砖接通吹氩管，吹氩流量为160NL/min，取分析样，钢液成分：ω[C]0.45％，ω[Cr]11.54％ω，[Si]0.022％，ω[Mn]0.21％，ω[N]0.012％；取渣样，炉渣成分：ω(CaO)46.3％，ω(Al2O3)2.8％，ω(SiO2)28.5％，ω(MgO)3.6％，ω(CaF2)8.1％，钢水量66t，钢液温度1642℃，炉渣厚度约100mm。
②吹氧脱碳工序：逐级开启真空泵，3min后，真空压力达到18kPa，压力稳定后，增大吹氩量至430NL/min；下氧枪至0.7m高度，吹氧量为930Nm3/h，吹炼10min；抬氧枪至1.1m高度，以25Nm3/h/min的速度降低吹氧量；7min后，取分析样，ω[C]0.032％，ω[Cr]10.92％，测温1675℃，停止供氧；
③真空自然脱碳工序：增大吹氩量至510NL/min，快速降低真空压力，5min后压力降至59Pa，保持极真空3min；将真空降至7.5kPa，下氧枪至1m高度，控制吹氧量755Nm3/h，补吹2min后停止吹氧，恢复极真空至60Pa，保持8min；
④还原精炼工序：加硅铁250kg，石灰650kg，萤石170kg，继续吹氩5min后破真空；复压至大气压后，降低吹氩量至210NL/min；取分析样：ω[C]0.0072％，ω[Cr]11.39％，ω[N]0.0030％，测温1605℃。
冶炼效果对比：
采用以上所述的本发明例与对照例冶炼流程，分别冶炼10炉409L铁素体不锈钢，通过对精炼过程的成分分析、材上夹杂物分析及喷溅状况对比，得出的冶炼效果对比如表1所示，从表中可以看出，单嘴精炼炉在进站碳含量远大于VOD条件下，在冶炼时间几乎相同的条件下，可达到与VOD同等水平的终点碳含量，从脱碳速率对比可以看出单嘴精炼炉的脱碳效率明显优于VOD。采用本发明单嘴精炼炉冶炼后脱氮率、氧气利用效率明显提高。此外，硅铁的消耗也明显降低，这表明本发明单嘴精炼炉在不锈钢冶炼过程中可有效降低合金Cr的氧化。从材上的夹杂物评级对比可以看出，本发明例B类、D类夹杂物的等级要明显低于对照例。
表1本发明例与对照例所达到的真空精炼效果对比
注：A类为硫化物类夹杂，B类氧化铝类夹杂，C类为硅酸盐类夹杂，D类为球状氧化物类夹杂，评级范围从0到3，级别随夹杂物的长度，数量，直径的增加递增，详细评级方法见GB/T10561-2005。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉，其特征在于：包括钢包(5)、单嘴真空系统及升降氧枪系统(12)，单嘴真空系统位于钢包(5)上方，单嘴真空系统包括浸渍管(6)、下部真空室(7)、上部真空室(11)、真空加料管(10)和防喷溅遮挡体(8)，升降氧枪系统(12)伸入单嘴真空系统中；防喷溅遮挡体(8)位于上部真空室(11)和下部真空室(7)之间，上部真空室(11)和下部真空室(7)之间采用密封法兰(9)进行紧固连接；钢包(5)下部设有底吹透气砖(1)，底吹透气砖(1)产生的气泡柱(2)通过浸渍管(6)进入下部真空室(7)内；
所述防喷溅遮挡体(8)外形呈圆盖状，防喷溅遮挡体(8)中心部分设有通气孔(14)，防喷溅遮挡体上部端面(15)为平面结构，防喷溅遮挡体下部端面(16)为圆形穹顶结构，防喷溅遮挡体(8)整体中心薄边部厚，防喷溅遮挡体边部支撑部位(17)厚度d1满足d1＝(0.15～0.25)×D3，其中，D3为防喷溅遮挡体(8)外径，防喷溅遮挡体(8)中心最薄部位厚度d2满足d2＝(0.3～1.0)×d1。
2.根据权利要求1所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉，其特征在于：所述升降氧枪系统(12)中的氧枪为拉瓦尔氧枪，能够产生超音速氧气射流(13)，并且在使用过程中能够垂直升降，用于吹炼过程枪位的调整。
3.根据权利要求1所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉，其特征在于：所述通气孔(14)的有效通气面积A1与下部真空室内腔截面积A2比值满足A1/A2＝0.35～0.65。
4.根据权利要求1所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉，其特征在于：所述浸渍管(6)内径D1满足D1＝(0.35～0.45)×D0，其中，D0为钢包(5)底部内径；浸渍管(6)内壁耐材高度h0满足h0＝1.3m～1.6m，浸渍管(6)壁厚δ满足δ＝0.20m～0.35m，浸渍管(6)外壁耐材高度h3满足h3＝0.90m～1.2m；下部真空室(7)内径D2满足D2＝(1.3～1.8)×D1；下部真空室(7)内壁耐材高度h4满足h4＝(2.0～3.0)×h0；底吹透气砖(1)中心与浸渍管(6)中心距离R满足R＝(0.35～0.55)×(D1/2)。
5.根据权利要求1所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉，其特征在于：安装时，先将防喷溅遮挡体(8)嵌入下部真空室(7)的顶部，然后将防喷溅遮挡体(8)及下部真空室(7)形成的整体与上部真空室(11)进行对位连接。
6.采用权利要求1所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉进行冶炼的工艺，其特征在于：包括步骤如下：
S1.调整进站钢液初始条件：
进站前钢液成分满足：ω[C]≤2％；钢液温度T＝Tliq.+(100～200)℃,其中Tliq.为钢种液相线温度；渣厚≤100mm，炉渣二元碱度[ω(CaO)/ω(SiO2)]控制在1.5～1.8，渣中ω(Al2O3)≤3％,ω(MgO)≤5％，ω(CaF2)5％～10％；
S2.浸渍管排渣：当钢包到达单嘴精炼炉处理工位后，调整底吹透气砖吹氩量为2～5NL/min/t，调整钢包位置使浸渍管中心与钢包中心重合；再增大底吹透气砖吹氩量至5～10NL/min/t，将钢包渣面吹开，将浸渍管插入至钢液液面以下，调整浸渍管插入深度h2至0.1～0.2m，吹氩强搅拌1～3min；
S3.真空吹氧脱碳；
S4.真空自然脱碳；
S5.还原精炼。
7.根据权利要求6所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉进行精炼的工艺，其特征在于：所述S3具体为：S2操作完成后，降低吹氩量至1～3NL/min/t；开启真空泵，将真空室内部压力快速降低至15～20kPa，然后进行低枪位、大流量吹氧脱碳，吹氧量为5～20Nm3/h/t，同时增大吹氩量至3～7NL/min/t，过程中将浸渍管插入深度h2控制在0.5～0.7m，枪位高度HL控制在0.5～1.0m，吹炼5～10min；当碳含量降至0.2％以下后，提高枪位HL至1.0～1.5m，降低吹氧量至1～6Nm3/h/t，调整吹氩量至5～10NL/min/t，过程中将真空压力逐渐降低至15kPa以下，调整浸渍管插入深度至0.3～0.6m。
8.根据权利要求6所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉进行精炼的工艺，其特征在于：所述S4具体为：当S3吹氧过程碳含量降至0.1％以下时，停止吹氧，快速将真空室压力降低至100Pa以下，吹氩量保持在5～10NL/min/t，冶炼5～10min。
9.根据权利要求6所述的冶炼超低碳不锈钢的单嘴精炼炉进行精炼的工艺，其特征在于：所述S5在精炼时，加入石灰、萤石和硅铁，其中石灰与萤石加入重量比为3～6：1，硅铁加入量为3～8kg/t，总渣量控制在20～40kg/t；还原剂加入后，逐级关闭真空泵进行复压操作，复压过程吹氩量保持1～4NL/min/t；当浸渍管脱离钢液后，持续小流量吹氩搅拌2～5min，此时吹氩保证不裸露钢液面。
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