CN110016535A - 一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,工艺步骤为:EAF→AOD→精炼→连铸,所述AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢,AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼;所述精炼阶段采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/2~1/5;所述连铸阶段采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在1/2~2/1。本发明可有效地提高不锈钢中的氮含量,大大降低不锈钢增氮成本,适合于大型不锈钢企业的大规模生产,解决了现有工艺中增氮和控氮困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,具体地说是涉及一种在不锈钢冶炼过程中增加钢中氮含量并通过钢中合金元素含量和冶炼工艺的合理控制,达到稳定控制最终产品中氮含量的方法,属于不锈钢冶炼技术领域。
背景技术
近些年来,氮在不锈钢的研究、发展和生产领域越来越受到重视。氮作为强烈的奥氏体形成元素,在奥氏体不锈钢、双相不锈钢等钢种中作为有益元素加入,可以显著提高不锈钢的力学性能、耐蚀性能、焊接性能以及平衡相比例等。同时在部分钢种中可以利用氮的作用,代替钢中镍元素,达到节镍的目的。国外不锈钢生产企业利用氮在不锈钢中的有益作用,大量开发了具有良好性能的含氮不锈钢或节镍型不锈钢,如日本JIS标准中列入的SUS304N1(0Cr19Ni9N)和SUS304N2(0Cr19Ni10NbN)、瑞典的阿维斯塔公司最早开发生产的SAF2205(00Cr22Ni5Mo3N)双相不锈钢等。我国大型、先进的不锈钢企业也先后开发了众多的含氮不锈钢品种,如太钢在国内首次成功开发了Cr-Ni奥氏体、Cr-Mn(Ni)-N节镍奥氏体、双相含氮系列不锈钢钢种等。
随着不锈钢冶炼工艺技术的不断发展和进步,目前氮合金化的冶炼方法主要有等离子炉合金化、真空感应炉合金化、增压电渣重熔法、底吹氮气合金化和粉末冶金合金化等方法。这些方法都可将钢中的氮含量增加到0.4%以上,有的甚至能达到1%以上,如增压电渣重熔法。但无论哪种增氮方法,都或多或少的存在成本高、设备复杂、含氮合金贵、不适合大规模生产等问题。而且在钢中增氮后,尤其是高氮钢存在较难稳定控制钢中的氮含量的问题。含氮不锈钢性能优越的前提条件是钢中氮以固溶形式存在,而氮的高固溶使钢在热力学上处于不稳定状态,在高温、低压以及真空下使用或重熔时,氮易过饱和溢出造成材料组织及性能的改变从而影响其应用范围。另外,含氮不锈钢在焊接时产生的热影响区容易造成氮的溢出流失、氮化物析出以及硬脆相的形成,这会导致在焊缝内产生气孔、裂纹等缺陷,极大地弱化了焊接区材料的性能。因此,经济有效的增加不锈钢中的氮含量且稳定控制其含量,防止氮的溢出流失是含氮不锈钢生产控制的难题和关键。为了避免和防止氮的溢出流失,研究人员在不锈钢的焊接方面研究较多。有研究者在含氮钢焊接时采用Ar+N保护方式,通过提高氮分压防止氮溢出;在自熔焊时,利用填充材料吸氮从而获得无气孔和高氮含量的焊缝。文献“Comparison of welding behavior of SUS316L steel by gastungsten and gas metal arc processes in high pressure nitrogenatmosphere.Materials Science Forum,1999,318-320:609-614”在高氮气压下,对SUS316L采用GMAW(GasMetal Arc Welding)焊接,焊后焊缝未发现气孔,氮含量达0.65%。然而当氮含量超过1%时,氮气的溢出会非常剧烈,很难控制。
整体而言,含氮不锈钢在增氮工艺和增氮后的稳定控制以及加工(焊接和重熔)和使用(高温、低压及真空环境中)过程中防止氮溢出等方面的研究还有待进一步的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,采用氮气作为不锈钢氮的来源,通过底吹氮气进行增氮,通过适当添加控氮合金的方法进行氮的稳定控制,可有效地提高不锈钢中的氮含量,钢中增加的氮含量不会由于焊接、轧制等后序加工而造成氮的流失和焊缝或钢材中产生气孔。利用本方法将大大降低不锈钢增氮成本,氮含量控制稳定,适合于大型不锈钢企业的大规模生产,因此利于推广应用,解决现有工艺中增氮和控氮困难的问题。
本发明的目的是这样实现的,一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,工艺步骤:EAF(电炉)→AOD→精炼→CC(连铸);此工艺步骤的目的是:在不增加设备、不影响其它工序的前提下,实现不锈钢经济、有效的增氮,更重要的是该工艺步骤更适合大型不锈钢企业的大规模生产,符合大多数钢厂的现状,有利于推广应用。
所述AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢。AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比为:
在AOD炉冶炼不锈钢时,不同的阶段采用不同比例的氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,其目的是:采用廉价的氮气替代昂贵的氮化合金对钢水进行增氮,大大降低含氮不锈钢的生产成本,而且可以提高钢质的纯净度,避免氮化合金向钢水中带入杂质,同时也消除了添加氮化合金给环境造成的污染。一次氧化阶段采用O2/N2比为3/1~2/1的混合气体对钢水进行熔炼,目的是提高脱碳效率,同时避免钢中Cr、Ni等合金的氧化。一次还原阶段采用硅铁对氧化铬合金进行还原,采用N2/Ar比为15/1~20/1的混合气体对钢水进行增氮和搅拌。二次氧化阶段采用O2/N2比为1/2~1/3的混合气体对钢水进行熔炼,钢水随着碳含量的减少,PCO分压下降,因而要不断减小吹入的O2/N2比,同时避免钢中Cr、Ni等合金的氧化。二次还原阶段采用硅铁对氧化铬合金进行还原,采用N2/Ar比为10/1~20/1的混合气体对钢水进行增氮和搅拌。在最终氮含量调整阶段,只吹氩气对钢水中的氮含量进行微调,同时添加硅铁还原回收铬金属。
所述精炼阶段采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/2~1/5;此设计的目的是:在精炼过程中,通过采取N2+Ar混合气体搅拌方式,弥补由于精炼阶段氮的溢出流失,防止或减少补加氮化合金。
所述CC(连铸阶段)采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在1/2~2/1;此设计的目的是:在浇铸过程中,通过采取N2+Ar保护方式,提高氮分压,防止氮的溢出流失。
进一步的,如若生产含氮质量百分比≤0.4%的不锈钢,在精炼阶段,向钢中添钛或锆或二者同时加入,加入量为最终钢水成分中,钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.05%;合金元素钛或锆影响铁基溶液的活度系数,从而进一步影响氮的溶解度,此外,钛或锆元素还能与氮合金化,从而在铁基合金中析出氮化物,有利于增氮、稳定控制氮和提高含氮不锈钢的性能。因此,此工艺的目的是:在AOD炉冶炼中对钢水进行增氮后,通过添加钛或锆合金,提高和稳定控制钢水中的氮含量,避免由于焊接、轧制等后序加工而造成氮的流失和焊缝或钢材中产生气孔。控制钢液中钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.05%,是为了节约钛或锆合金,降低不锈钢冶炼成本,更重要的是根据不同钢种成分设计,满足钢种成分和性能要求。
进一步的,如若生产含氮量为>0.4%的不锈钢,在AOD二次还原阶段或还原后,向钢中添加钛或锆或二者同时加入,加入量为最终钢水成分中,钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.10%;合金元素钛或锆影响铁基溶液的活度系数,从而进一步影响氮的溶解度,因而必须借助合金元素来提高钢中氮的溶解,从而得到更高含氮量的钢。此外,钛或锆元素还能与氮合金化,从而在铁基合金中析出氮化物,有利于增氮、稳定控制氮和提高含氮不锈钢的性能。因此,此工艺的目的是:在AOD炉冶炼中对钢水进行增氮的同时,通过添加钛或锆合金,提高和稳定控制钢水中的氮含量。控制钢液中钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.10%,是为了节约钛或锆合金,降低不锈钢冶炼成本,更重要的是根据不同钢种成分设计,满足钢种成分和性能要求。
本发明的有益效果是,本发明采用廉价的氮气替代昂贵的氮化合金对钢水进行增氮,大大降低含氮不锈钢的生产成本,而且可以提高钢质的纯净度,避免氮化合金向钢水中带入杂质,同时也消除了添加氮化合金给环境造成的污染。同时,在冶炼过程中通过添加适量的钛或锆合金元素对钢水进一步增氮和控氮,避免含氮不锈钢在使用或加工过程中氮的溢出和钢材出现缺陷,解决了现有工艺中增氮和控氮困难的问题。另外,本发明是基于传统不锈钢两步法冶炼工艺和以不对设备进行改造为前提,无需投资并可大大降低不锈钢冶炼成本和减少环境污染,将创造显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1:
本实施例是在某不锈钢厂170吨EAF电炉、AOD转炉和LF炉等冶金设备上进行不锈钢生产,钢种为00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢,生产工艺流程:EAF(电炉)→AOD→LF→CC。
冶炼过程中EAF(电炉)按正常冶炼工艺进行,AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢。AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比如下:
其它工艺及步骤按常规冶炼方式进行。
在LF精炼阶段,采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/2。在精炼末期,向钢水中添加钛铁合金(钛含量49%)136Kg。在CC(连铸阶段)采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在1/2。
经对铸坯取样分析,该钢氮含量0.1830%、钛含量0.031%。铸坯经轧制后钢板表面无缺陷,各项性能符合钢种要求。钢板经焊接试验,在未采取Ar+N保护的情况下,未发生氮溢出现象,焊缝无气孔。
实施例2:
本实施例是在某不锈钢厂170吨EAF电炉、AOD转炉和LF炉等冶金设备上进行不锈钢生产,钢种为022Cr17Ni12Mo2N奥氏体不锈钢,生产工艺流程:EAF(电炉)→AOD→LF→CC。
冶炼过程中EAF(电炉)按正常冶炼工艺进行,AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢。AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比如下:
其它工艺及步骤按常规冶炼方式进行。
在LF精炼阶段,采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/3。在精炼末期,向钢水中添加钛铁合金(钛含量49%)68Kg和锆铁合金(锆含量45%)100Kg。在CC(连铸阶段)采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在1/1。
经对铸坯取样分析,该钢氮含量0.3380%、钛含量0.014%、锆含量0.024%。铸坯经轧制后钢板表面无缺陷,各项性能符合钢种要求。钢板经焊接试验,在未采取Ar+N保护的情况下,未发生氮溢出现象,焊缝无气孔。
实施例3:
本实施例是在某不锈钢厂170吨EAF电炉、AOD转炉和VOD炉等冶金设备上进行不锈钢生产,钢种为1Cr22Mn15N奥氏体不锈钢,生产工艺流程:EAF(电炉)→AOD→VOD→CC。
冶炼过程中EAF(电炉)按正常冶炼工艺进行,AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢。AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比如下:
其它工艺及步骤按常规冶炼方式进行。
在AOD二次还原后,向钢水中添加钛铁合金(钛含量49%)250Kg。在VOD精炼阶段,采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/5。在CC(连铸阶段)采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在2/1。
经对铸坯取样分析,该钢氮含量0.5150%、钛含量0.065%。铸坯经轧制后钢板表面无缺陷,各项性能符合钢种要求。钢板经焊接试验,在采取Ar+N保护的GMAW(Gas MetalArc Welding)焊接情况下,未发生氮溢出现象,焊缝无气孔。
实施例4:
本实施例是在某不锈钢厂170吨EAF电炉、AOD转炉和VOD炉等冶金设备上进行不锈钢生产,钢种为1Cr22Mn15N奥氏体不锈钢,生产工艺流程:EAF(电炉)→AOD→VOD→CC。
冶炼过程中EAF(电炉)按正常冶炼工艺进行,AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢。AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比如下:
其它工艺及步骤按常规冶炼方式进行。
在AOD二次还原后,向钢水中添加钛铁合金(钛含量49%)260Kg。在VOD精炼阶段,向钢水中添加锆铁合金(锆含量45%)120Kg,同时采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/3。在CC(连铸阶段)采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在2/1。
经对铸坯取样分析,该钢氮含量1.181%、钛含量0.068%、锆含量0.025%。铸坯经轧制后钢板表面无明显缺陷,各项性能符合钢种要求。钢板经焊接试验,在采取Ar+N保护的GMAW(Gas Metal Arc Welding)焊接情况下,发生了氮气少量溢出现象,但溢出不剧烈,可以控制。焊缝出现了少量细小气孔,但对焊缝质量不构成影响。
Claims (3)
1.一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,工艺步骤为:EAF→AOD→精炼→连铸,其特征在于:所述AOD炉冶炼过程为:一次氧化→一次还原→扒渣→二次氧化→二次还原→出钢,AOD炉采用吹氧、氮、氩混合气体进行钢水熔炼,各阶段气体的体积比为:一次氧化阶段采用O2/N2比为3/1~2/1的混合气体对钢水进行熔炼;一次还原阶段采用硅铁对氧化铬合金进行还原,采用N2/Ar比为15/1~20/1的混合气体对钢水进行增氮和搅拌;二次氧化阶段采用O2/N2比为1/2~1/3的混合气体对钢水进行熔炼;二次还原阶段采用硅铁对氧化铬合金进行还原,采用N2/Ar比为10/1~20/1的混合气体对钢水进行增氮和搅拌;在最终氮含量调整阶段,只吹氩气对钢水中的氮含量进行微调,同时添加硅铁还原回收铬金属;
所述精炼阶段采取底吹氮、氩混合气体搅拌,N2/Ar体积比控制在1/2~1/5;
所述连铸阶段采取全程保护浇铸,保护气体采用氮、氩混合气体,N2/Ar体积比控制在1/2~2/1。
2.根据权利要求1所述的一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,其特征在于:生产含氮质量百分比≤0.4%的不锈钢,在精炼阶段,向钢中添加钛、或锆或二者同时加入,加入量为最终钢水成分中,钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.05%。
3.根据权利要求1所述的一种提高和稳定控制不锈钢中氮含量的方法,其特征在于:生产含氮质量百分比>0.4%的不锈钢,在AOD二次还原阶段或还原后,向钢中添加钛或锆或二者同时加入,加入量为最终钢水成分中,钛或锆或二者之和的质量百分比≤0.10%。
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GR01 | Patent grant | ||
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