钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢控制碳氮含量的方法

摘要

本发明公开了一种钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢控制碳氮含量的方法，其包括如下步骤：1)铁素体不锈钢冶炼时，电弧炉、感应炉或转炉出钢，并通过氩氧脱碳炉或真空吹氧脱碳炉使钢水成分达到超纯铁素体不锈钢要求；2)钢包精炼，在通电过程中，通过精炼炉石墨电极中心孔喷吹焦炉煤气和氩气混合气体，在电极下端形成含氢等离子电弧，实现对钢水脱碳、脱氮，同时保证钢水洁净度；其中，焦炉煤气和氩气混合比例为95∶5～5∶95，混合气体的压力范围为0.02～10MPa，混合气体的流量范围为0.01～50Nm3/h；3)停电时，停止向石墨电极中心孔喷吹气体，在钢水成分、温度合格后将钢包吊离钢包精炼炉，送下步工序进行浇注。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢控制碳氮含量的方法。

背景技术

铁素体不锈钢具有比奥氏体不锈钢好得多的耐氯化物、苛性碱等应力腐蚀性能，很好的海水局部腐蚀性能和抗高温氧化性能，且价格低廉，因而广泛应用于国民经济的各个领域，如家用电器、厨房器皿、五金制品、汽车排气系统、建筑以及石油化工等方面。普通铁素体不锈钢的缺点是对晶间腐蚀敏感，塑性和韧性都很低，延-脆性转变温度在室温以上，焊接性能较差。有关研究表明，铁素体不锈钢的上述缺陷是由于间隙元素C、N造成的。C+N≤150ppm的超纯铁素体不锈钢可以完全克服上述缺点。

超纯铁素体不锈钢目前主要采用真空精炼设备(如VOD、SS-VOD)生产。近年来，不锈钢厂为了实现连铸的多炉连浇，并提高钢水的洁净度和精确控制成分，通常在连铸之前，钢水需经过钢包精炼炉(Ladle Furnace简称LF，参见图1)处理。从图1可以看出，采用常规LF流程生产超纯铁素体不锈钢过程中，由于常规钢包精炼炉(LF炉)采用石墨电极与钢水产生的自由电弧对钢水进行加热，因而加热过程会产生增碳问题，另外，由于常规LF操作过程中，电极周围的炉气成分主要是空气，加热过程电弧会将其周围的空气中的氮气电离，因而会产生增氮问题，而且加热时间越长，增碳增氮问题越严重，以300t钢包精炼炉为例，通常在通电30min条件下，增碳量为0.005％～0.01％，增氮量大于0.002％。这使得在用常规钢包精炼炉(LF)生产超低碳、氮铁素体不锈钢时经常造成因碳氮超标导致钢种成分不合格而改钢种问题，产品炼成率降低。由于钢包精炼炉精炼铁素体不锈钢时的增碳、增氮问题一直无法解决，因而无法用常规钢包精炼炉(LF)精炼超低碳、氮的超纯铁素体不锈钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢控制碳氮含量的方法，实现在钢包精炼炉精炼超低碳、低氮铁素体不锈钢。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢控制碳氮含量的方法，其包括如下步骤：

1)铁素体不锈钢冶炼时，当初炼炉如电弧炉、感应炉或转炉出钢，并通过氩氧脱碳炉(AOD)或真空吹氧脱碳炉(VOD)使钢水成分基本达到超纯铁素体不锈钢的要求；

2)将钢包运到钢包精炼工位，开始钢包精炼，在通电过程中，通过钢包精炼炉的石墨电极中心孔喷吹焦炉煤气和氩气混合气体，在钢包精炼炉电极下端形成含氢等离子电弧，实现对钢水脱碳、脱氮，同时保证钢水洁净度；其中，焦炉煤气和氩气混合比例为95∶5～5∶95，混合气体的压力范围为0.02～10Mpa，混合气体的流量范围为0.01～50Nm³/h；

3)停电时，停止向石墨电极中心孔喷吹气体，在钢水成分、温度合格后将钢包吊离钢包精炼炉，送下步工序进行浇注。

又，所述的焦炉煤气的成分体积百分比为：H₂ 50～60％，C_nH_m 2～5％，CH₄ 20～30％，CO₂ 1～5％，CO 3～8％，O₂ 0～1.0％，N 2～6％。

利用钢包精炼炉(LF炉)的中空石墨电极喷吹焦炉煤气和氩气混合气体(由于焦炉煤气中含有大量的氢气，形成含氢等离子电弧)的方法，实现LF炉精炼超纯铁素体不锈钢。

由于钢包精炼LF炉的石墨电极中心为中空，从该中心孔吹入上述混合气体使在石墨电极下端形成等离子电弧，同时依靠调整喷吹混合气体比例(焦炉煤气和氩气混合比例的范围为95∶5～5∶95)、压力(混合气体的压力范围为0.02～10MPa)、流量(混合气体的流量范围为0.01～50Nm³/h)等工艺参数来防止钢液增碳并实现对钢液脱氮，实现在钢包精炼炉精炼超低碳、低氮铁素体不锈钢的目的。

喷吹焦炉煤气后，在电极端部形成含氢等离子电弧，当该电弧存在时，在钢液表面发生的以下化学反应是有效地去除钢水中的氮、碳和氧的基本原理：

[N]+3H＝NH₃

[C]+4H＝CH₄

[O]+2H＝H₂O

[N]+H+C＝HCN

喷吹混合气体的比例，可以根据冶炼钢种对成分和纯度的要求进行调整。为了保证精炼后钢中氢含量不超标，在精炼后期将通入电弧区的气体切换成氩气或精炼结束后通过一定时间的底吹氩搅拌很容易将氢脱除到较低的水平。因此本发明克服了现行LF炉的钢水增碳、增氮问题，可以大大拓宽钢种处理的范围。

常规钢包精炼炉处理超纯铁素体不锈钢容易产生增碳、增氮，通电时间越长，增碳、增氮问题越严重，这极大地限制了LF炉在超纯铁素体不锈钢冶炼中的应用。

本发明采用石墨电极中心钻孔吹气，对常规LF炉设备方面无需大的改造，方法实施简便灵活、节约投资，改造后该LF炉既可以按常规LF炉的冶炼过程进行冶炼，也可按本发明的新方式进行冶炼，启用、停止灵活方便，不影响前后生产工序和正常生产过程。设备使用、维护方便，维护费用低廉。

与普通钢包精炼炉(LF)相比，喷吹焦炉煤气所形成的含氢等离子电弧可以在保持相同弧长和电流条件下，大幅度地提高电弧电压，并相应大幅度地提高电弧功率，从而形成高能量密度的等离子电弧。这是因为氢气等离子电弧的热函大约是氩气等离子电弧的16倍。例如，当氩气中加入10％的焦炉煤气，可以使电弧电压增加1.8倍。因此，可以在不增加电弧电流和电弧长度的前提下，在传统钢包炉基础上通过大幅度提高变压器的二次电压来显著提高电弧的能量，实现高功率和超高功率钢包精炼炉。在这种情况下，由于电流不增加二次大电流导体的截面积可保持不变，相应地电极直径也不变，二次供电回路的电能损失绝对量基本不变，实际上电效率提高了。而电弧长度不变使得电弧的传热的热损失绝对量基本不变，实际上在提高电弧能量密度后，电弧传热效率大幅度提高。最后的结果是大幅度提高了钢水的升温速率，显著降低了电耗、电极消耗，提高了精炼效率，缩短了精炼周期，大大提高了钢包炉在初炼炉和连铸之间的缓冲和调节功能。

本发明的有益效果是：

通过在钢包精炼炉石墨电极孔喷吹焦炉煤气和氩气混合气体在电极下端形成等离子电弧，在提高熔池加热效率(因为氢气等离子电弧的热函高)；同时，解决了LF炉精炼过程中造成的钢水增碳和增氮问题(因为喷吹焦炉煤气后，在电极端部形成含氢等离子电弧，当该电弧存在时，在钢液表面发生脱碳和脱氮化学反应)，从而实现在LF炉上进行超低碳、低氮铁素体不锈钢精炼，并且实现了连铸的多炉连浇，提高了钢水的洁净度和精确控制成分的目的；采用焦炉煤气的目的在于该气体是钢铁联合企业常见的含氢气体，在大多炼钢车间具有焦炉煤气供气管道，气体来源容易，而且价格低廉，容易实施。

附图说明

图1为现有常规钢包精炼炉的示意图；

图2为本发明一实施例的钢包精炼炉的结构示意图；

图中符号说明，

1  交流电源      2  二次大电流导体  3  电极夹持器

4  中空石墨电极  5  含氢等离子电弧  6  钢包盖

7  钢包          8  熔渣            9  钢水

10 底气管道      11 钢包车          12 底吹透气塞

13 含氢气体源(a气体1；b气体2；气体3)

14 顶吹气体阀站(A减压阀；B截止阀；C流量计；D流量调节阀；

E快速切断阀)

15 混气包        16 流量控制阀       17 顶吹气体管路及连接装置

18 合金加料装置

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述，但本发明并不限定于下述实施例。

参见图2，其为本发明含氢等离子三相交流钢包精炼炉结构示意图，如图所示，交流供电电源1连接二次大电流导体2后与电极夹持器3连接，中空石墨电极4被电极夹持器3把持，实现中空石墨电极4的升降并向其导电，中空石墨电极4通过钢包盖6上开设的电极孔穿过钢包盖6进入钢包7内，通过中空石墨电极4的升降实现与炉渣8和钢水9的接触和分离。

钢包盖6上还设有合金加料装置18，盛装着炉渣8和钢水9的钢包7中坐在钢包车11上，底吹管道10与安装在钢包底部的底吹透气塞12连接将底吹气体吹入钢包7中的钢水9中。由输气管道将含氢气源13、顶吹气体阀站14、混气包15和流量控制阀16依次连接起来，流量控制阀16通过顶吹气体管路及连结装置17与中空石墨电极4连接将含氢气体吹入在中空石墨电极端部形成的含氢等离子电弧5中。

在工作时，当盛有钢水的钢包7坐在钢包车11上，并移动钢包车使钢包处于加热位置正下方。接通交流供电电源1，下降中空石墨电极4与熔渣8和钢水9短路引弧，并将含氢气源13的气体通过顶吹气体阀站14、混气包15、流量控制阀16、顶吹气体管路及连结装置17迅速通人中空石墨电极4进入电弧区，从而产生含氢等离子电弧5。可以根据工艺需要，通过阀站调节混合气体各组分的比例、气体流量和压力的大小。等离子电弧的长度、功率(电弧电压、电弧电流)可以通过调节变压器二次电压、气体组分比例、压力、流量和电极升降来控制。为了控制炉内气氛钢包盖与钢包之间，电极孔与电极之间能密封良好。其它操作，如钢包底吹氩、造渣、合金化等与现行LF操作基本相同。

实施例1

当采用30t EAF-AOD-LF-CC(电弧炉-氩氧脱碳炉-钢包精炼炉-连铸)流程生产409L铁素体不锈钢时，当电弧炉冶炼完毕，并通过氩氧脱碳炉(AOD)精炼后，将钢包吊到三相交流钢包精炼炉LF工位，并座到钢包车上，接通底吹管路并打开底吹气体阀门试气，透气砖透气性良好，将钢包车开到LF炉加热工位，降下钢包盖，使钢包盖与钢包上沿保持良好的密封。然后从钢包盖上开设的取样、测温口测温取样各一次(T＝1575℃)，样品送化验室进行检验分析。将秤好的渣料从钢包盖上设有的合金加料装置中加入炉内。将含10％焦炉煤气和90％氩气的混合气体按67m³/h·t钢通入到中空石墨电极孔中，同时通电，这样在电极端部将形成含氢等离子电弧，该电弧通过辐射、传导、对流等方式将热量传递到钢包内的熔池中，实现对炉渣和钢水的加热。通电8min后，提升中空石墨电极、断电，同时关闭顶吹气体，取样、测温(T＝1583℃)，取渣样观察已成白渣。根据第一次取样分析后的钢水成分结果及钢种成分目标，秤好相应合金并将其加入炉内钢水中。将底吹氩气流量调整到226l/min进行强搅拌3min，然后降低氩气流量到120l/min。打开顶吹气体，下降中空石墨电极，采用较低档位电流、电压送电12min，提升中空石墨电极、断电，关闭顶吹气体，取样、测温(T＝1612℃)，调低底吹氩气流量到45l/min进行弱搅拌17min，取样、测温(T＝1596℃)，成分和温度均合格，停底吹氩气。提升钢包盖，将钢包车开出加热工位，吊钢包到下一处理工位，精炼结束。

在中空电极中喷入10％焦炉煤气+90％Ar混合气体，电弧功率提高1.8倍，精炼10min后，钢液的氮含量由150ppm降低至95ppm以下，20min钟后，氮含量下降至42ppm，而碳含量由0.02％下降到0.004％。在停止加热后通过后期钢包底吹搅拌17min，钢液中氢含量可降至3ppm以下。而采用常规方法进行409L铁素体不锈钢冶炼时，同样处理时间后，钢中碳含量和氮含量增加量分别达到0.006％和23ppm，造成钢种成分出格，无法满足409成品成分要求。

实施例2

同样采用实施例1的工艺流程，只是将吹炼过程的气体比例改为含20％焦炉煤气和80％氩气的混合气体，气体流量为78m³/h·t钢，其他操作过程基本不变。

在中空电极中喷入20％焦炉煤气+80％Ar混合气体，由于焦炉煤气比例增加，吹气流量增大，电弧功率提高2.2倍，精炼9min后，钢中的碳含量由0.02％降低到0.0079％，氮含量由164ppm降低到93ppm。继续吹气处理直到精炼终点，在吹气过程中氮含量始终呈继续下降趋势，到LF处理终点，氮含量下降到35ppm，钢中碳含量也由0.0079％继续下降到0.0025％。

实施例3

实施例3的冶炼工艺流程采用30t EAF-AOD-VOD-LF-CC(电弧炉-氩氧脱碳炉-真空吹氧气脱碳炉-钢包精炼炉-连铸)流程，生产钢种为409L铁素体不锈钢。电炉初炼的钢水经AOD精炼后，出钢倒入钢包并送入VOD进行精炼，VOD处理终点，钢中碳含量达到29ppm，氮含量为56ppm。将VOD精炼后的钢水吊入LF工位进行加热和成分微调处理。

在三相交流钢包精炼炉LF精炼过程中，本炉次的基本操作与实施例1的操作步骤类似，本炉次在精炼通电过程中，从石墨电极孔喷入5％焦炉煤气+95％氩气的混合气体，气体流量控制在53m³/h·t钢，精炼终点软吹氩时间为7min。

在实施例3中，VOD处理后的钢中碳、氮含量均较低，分别为[C]＝29ppm、[N]＝56ppm。进入LF炉处理过程中，电弧功率增加1.1倍，碳含量在精炼开始、精炼13min和精炼终点(22min)分别为[C]＝29ppm、20ppm和16ppm，对应时刻的氮含量分别为[N]＝56ppm、45ppm和34ppm。