一种高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法

摘要

一种高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法，其包括如下步骤：1)钢包进入真空吹氧脱碳炉VOD；2)抽真空，并顶吹氧脱碳，同时底吹氩搅拌，吹氧流量290L/(min·t)-310L/(min·t)；3)超真空自由脱碳处理，并顶底复合吹氩，顶枪高度即枪位1.4-1.6m，流量在200L/(min·t)～260L/(min·t)，处理时间8-12min；4)加入硅铁、铝块复合脱氧，并加石灰和萤石造渣，处理时间15-20min；5)破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。本发明方法可降低氧耗和还原剂消耗，缩短真空处理时间，由于脱碳脱氮效率高，终点碳加氮总含量可稳定控制在150ppm以下。

说明书

技术领域

本发明属不锈钢冶炼领域，涉及利用VOD炉(真空吹氧脱碳炉)精炼超纯铁素体不锈钢的方法。

背景技术

研究表明，铁素体不锈钢中间隙元素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，测定温度和成分，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。

常规操作在冶炼超纯铁素体不锈钢时，为了将钢中碳氮含量降到极低值，通常采取大吹氧量操作，希望通过多吹氧将碳含量脱得很低，110t VOD炉吹氧量在800-1400Nm³之间，高吹氧量带来的不利影响是氧气利用率(用来脱碳的氧与总吹氧量之比)降低，同时高吹氧量会导致熔池过热严重，停氧时熔池最高温度均在1720℃以上，高吹氧量直接导致真空处理时间变长，另外，高吹氧量还会导致脱氧剂(也称为还原剂)加入量增加，相应冶炼成本增加，也不利于夹杂物的控制。

常规操作的自由脱碳过程脱碳速率偏低，固然有钢中碳含量已经处于较低水平导致脱碳难度增大的原由，然而从脱碳热力学上分析，受钢水静 压力影响，自由脱碳只能发生在钢液熔池的上层及裸露的钢液表面，从脱碳动力学上分析，钢液熔池内部碳氧自发反应形成脱碳气泡难度很大，为脱碳提供的反应面积主要集中在钢液裸露表面以及底吹氩上升到钢液熔池内部上层形成的大气泡，在相同的反应区域，大气泡提供的反应面积要远小于弥散小气泡提供的反应面积，所以自由脱碳过程的反应面积受到了极大的制约。

根据以上分析可知，常规操作吹氧量大，吹氧时间偏长，自由脱碳过程的脱碳脱氮效率偏低，导致真空处理时间长，且吹氧量大，还原剂消耗大。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。

通过对VOD冶炼过程的氧平衡分析可知，常规方法喷吹的氧仅仅30％-40％用来脱碳，剩余氧大部分以溶解氧和氧化物(主要是Cr₂O₃)的方式留在钢液熔池中，熔池中的氧量足够将钢液碳脱到极低值，如果能提高自由脱碳过程的脱碳脱氮效率，则可减少吹氧脱碳的时间并降低吹氧量，缩短了真空处理时间。本发明专利基于此开发了新的高效率生产超纯净铁素体不锈钢的方法。

发明内容

本发明的目的提供一种高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法，可提高VOD冶炼过程的脱碳脱氮效率，缩短真空处理时间以提高生产效率，降低氧耗及还原剂消耗。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

VOD炉(真空吹氧脱碳炉)冶炼铁素体不锈钢的吹氧脱碳阶段采用少吹氧操作，在自由脱碳阶段采用顶底复合吹氩强化脱碳脱氮，通过如上技术改进，可提高VOD冶炼过程的脱碳脱氮效率，缩短真空处理时间以提高生产效率，降低氧耗及还原剂消耗，并进一步降低终点碳氮含量。

具体地，高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法，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％～25％之间，碳含量质量百分比在0.25％～0.60％之间，钢液初始温度高于1620℃；

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270L/(min·t)～310L/(min·t)，采取少吹氧操作，初始碳质量含量为0.25％时总吹氧量(Nm³)控制为6.3-6.8Nm³/t，初始碳质量含量比0.25％高出0.1％，则总吹氧量需增加1.6-1.8Nm³/t；

3)超真空自由脱碳处理，真空压力要求小于1000Pa，顶底复合吹氩，吹氩时顶枪的枪头距钢液面距离(即枪位)1.4-1.6m，流量在200L/(min·t)～260L/(min·t)，底吹氩总流量在2L/(min·t)-6L/(min·t)，处理时间8-12min；

4)加入硅铁(硅质量含量在70～80％)2.8-10kg/t、铝块1.0-6.0kg/t进行脱氧，并加石灰10-30kg/t和萤石2-8kg/t造渣，同时脱硫，处理时间15～20min；

5)破真空，软搅拌，喂丝(钛丝、或钙丝、或铌合金)，合金化处理或夹杂物改性，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸；其为现有常规技术，在此不再赘述。

优选地，在步骤3)开始时，加入铝块0-2kg/t用于升高钢液温度，加铝过程中底吹氩气总流量在2L/(min·t)-4L/(min·t)之间。

进一步，在整个冶炼过程中，参与氧化的硅铁(硅质量含量在70-80％) 加入量高于2.8kg/t，总硅铁加入量包括参与氧化的硅铁量和用于钢液合金化的硅铁量，总纯铝加入量高于2.3kg/t。

本发明方法可缩短真空处理时间，降低氧气消耗和还原剂消耗，同时终点碳加氮总含量稳定控制在150ppm以下。

本发明方法相对常规方法采用少吹氧操作，降低氧耗和还原剂消耗，并缩短真空处理时间。

本发明方法步骤2)从VOD冶炼热平衡的角度来控制总吹氧量，而不同与常规的从考虑脱碳角度来控制总吹氧量。理由是，所吹氧只有30-40％用来脱碳，其他氧也大部分留在熔池中，对于脱碳来说其实不缺氧源，如果高真空下自由脱碳(不吹氧)的速率被提升，则无需吹入大量的氧来保证脱碳。下面将阐述从能量平衡角度考虑总吹氧量，以满足VOD脱碳所需要的较高温度及终点温度符合要求。

VOD的顶吹氧除了直接强化脱碳之外，另一个很重要的作用是向熔池提供化学能，以补偿VOD整个真空处理的热损失，由于VOD炉无法象普通的钢包精炼炉那样可配有电弧供热装置，则吹氧产生的化学能和硅合金化释放的能量成了仅有的能量供应。经热平衡计算，对于VOD炉的冶炼过程，真空处理时间65min左右的情况下，热辐射和钢包吸热形成的热损失约为可以降低钢液温度140℃左右，为了弥补这部分能量损失，保证VOD终点温度符合要求，除了要求钢液初始温度高以外，就是依靠吹氧带来的化学能和硅合金化释放的能量来弥补这损失的能量。

以整个VOD冶炼过程的钢液熔池为研究对象，由于被氧化的铬最终被硅或铝还原出，则能量收入主要来自所吹氧的脱碳反应包括二次燃烧放出的能量、氧与硅的反应以及氧与铝的反应所放出的能量。经计算，钢中脱去0.1％的碳在二次燃烧率60％的条件下放出的能量可使钢液温度升高约为12℃；氧与吨钢所加入的1kg硅铁中的75％的硅反应释放的能量可使钢液温度升高24℃，但由于生成的SiO₂进入渣中需要用石灰中CaO来固定和萤石来化渣，渣碱度(渣中CaO与SiO₂的质量比)控制在2.5条件下，萤石加入量为石灰加入量1/4条件下，为此加入的石灰和萤石在升温和熔化过程的吸热可降低相应钢液温度11℃左右，综合来看，氧与吨钢所加入的1kg硅铁反应产生的能量扣除相应石灰和萤石升温熔化需能量可 使得钢液温度升高约13℃；吨钢所加入的1kg铝与氧反应释放的能量可使得钢液温度升高32℃；硅为强放热元素，吨钢1kg硅铁(含硅75％)在合金化过程中也可使钢液温度升高4.1℃。从氧耗方面计算，1kg硅铁(含硅75％)中硅氧化需要的氧气量为0.60Nm³，1kg铝需要的氧气量为0.62Nm³，吨钢脱去0.1％的碳约需要净氧气量为1.4Nm³。

根据上述分析，当钢液初始温度高于1620℃，如化学能和硅合金化释放的能量可弥补钢液温度损失加上为保险体现的20℃对应的能量，则终点温度基本符合要求，根据这样的思路对本发明方法吹氧量进行设计。为了保证能量供应同时降低吹氧量，应多加铝脱氧而少加硅，原因是铝的发热值高，而硅氧化后形成的氧化物需要加石灰来控制碱度，考虑到需保证一定的渣量以便更好的脱硫，本发明方法要求对于一吨钢液来说，用于氧化反应的硅铁量(含硅75％)不少于2.8kg。而为了保证钢液能量供应同时少吹氧，总的铝加入量不少于2.3kg/(t钢)。

具体来说，对于超纯铁素体不锈钢钢液的冶炼过程，如总的铝加入量为2.3kg/(t钢)，当初始碳为0.25％时，用于氧化的硅铁2.72kg/(t钢)可满足能量补偿，对应总氧耗6.56Nm³/(t钢)；初始碳为0.35％时，真空处理时间要延长，用铝量不变情况下，用于氧化的硅铁3.45kg/(t钢)可满足能量补偿，总氧耗为8.39Nm³/(t钢)；当初始碳为0.45％时，总氧耗为10.16Nm³/(t钢)；当初始碳为0.6％时，总氧耗为12.81Nm³/(t钢)。由此可得出，当初始碳高出0.25％碳含量0.1个百分点，则氧耗需提高1.8Nm³/t。当然，如果铝加入量增大，氧耗还可以略微降低。常规方法初始碳为0.25％时，对于110t的钢液，氧耗在800-900Nm³之间，本发明方法仅需720Nm³的氧耗。

综合考虑，本发明方法提出初始碳为0.25％时总吹氧量(Nm³)控制为6.3-6.8Nm³/t，初始碳高出0.25％碳含量0.1％，则总吹氧量需增加1.6-1.8Nm³/t。同时要求，用与氧化的硅铁加入量高于2.8kg/t，总铝加入量高于2.3kg/t。

降低吹氧量可缩短吹氧时间，从而降低整个真空处理时间，同时可节约氧气消耗并节约还原期的还原剂量消耗。

另外，本发明在超真空自由脱碳过程增加了顶吹氩操作，大大提高了 脱碳脱氮速率，自由脱碳处理时间也有所降低。

本发明方法步骤3)要求超真空自由脱碳过程中，顶底复合吹氩，吹氩时顶枪的枪头距钢液面距离(即枪位)1.4-1.6m，流量在200L/(min·t)～260L/(min·t)，底吹氩总流量在2L/(min·t)-6L/(min·t)，处理时间8-12min。步骤3)开始时可优选采用加铝升高钢液温度，以提高脱碳脱氮速率。

对于常规的VOD自由脱碳操作，一般采取高真空条件下底吹氩强烈搅拌操作，根据前面对常规操作方法的介绍，这种方法的脱碳脱氮效率受到了反应面积有限的制约。传统观点认为，底吹搅拌的搅拌效果大大好于顶吹搅拌。经过对VOD自由脱碳脱氮过程动力学的分析，发现除了真空和搅拌强度外，脱碳脱氮反应面积是影响其反应速率的核心因素，所以如果能将钢液表面下的数量不多的大气泡破裂为数量很多的小气泡，则脱碳脱氮反应面积将大大增加。顶部吹氩具有这样的功能，根据水模型观测的结果，顶吹可为脱碳脱氮提供足够的微小气泡源，脱碳脱氮无需自发形核，可直接在这些氩气泡表面上反应，同时顶吹氩对钢液表面冲击震动，钢液表面下的大气泡也会被破裂，另外，这些被吹入钢液内部的氩气可进一步降低气泡内部的CO分压和N₂分压，改善脱碳脱氮反应的热力学条件。可以看出，VOD顶部吹氩虽然对熔池整体的搅拌强度的提升作用有限，但它可大大提高脱碳和脱氮的反应速率。

本发明方法为了生产操作不复杂，吹氩操作可直接使用顶吹氧枪，同时为了保证所喷吹的氩气流有足够的冲击力，其流量设定与吹氧流量相当，由于氩气标准状态下密度高于氧气，其流量设定应略小于吹氧流量，同时枪位比吹氧时的枪位略低。

一般VOD氧枪为超音速枪，带三个喷头，喉口直径16mm左右，马赫数为3，在上述设定条件下，顶吹氩流量在1300-1700Nm³/h，经计算，枪位1.4-1.6m时，顶吹氩对钢液冲击坑的深度在20cm-30cm之间，氩气流中大部分可进入钢液内部，形成微小气泡，进入钢液内部的气泡将横向随钢液运动，扩散到钢液面下方的其他区域，由于底吹强烈搅拌的效果，这些微小气泡相当一部分被卷入钢液熔池深处，将延长了它们在钢液内部的停留时间。由于顶枪吹氩带来了熔池顶部反应强烈，则底吹氩流量相对 传统的6L/(min·t)-10L/(min·t)略微降低，控制在2L/(min·t)-6L/(min·t)。

由于本发明方法吹氧量相对常规方法有所降低，停氧时钢液温度可能低于常规方法停氧时的钢液温度，为了保证随后的自由脱碳过程钢液温度维持在较高值，在自由脱碳开始前可加入铝来升高钢液温度，所加入的铝主要是与溶池内的Cr₂O₃反应，经计算，吨钢每加1kg铝参与此反应释放的能量可使钢液升高的温度为10℃。如果钢液在停氧时其温度超过了1700℃，则可不加铝升高温度，如果停氧时其温度低于1700℃，加铝将钢液温度升高到1700℃，加铝量0-2kg/t可满足要求。

需要说明的是，由于本发明方法脱碳脱氮效率高，钢液终点碳、氮含量也得到了有效的控制，其总含量可稳定控制在150ppm以下。

本发明的有益效果：

根据本发明方法，VOD精炼超纯铁素体不锈钢的终点碳、氮总含量可稳定控制在150ppm以下，在此基础上VOD真空处理时间比常规方法缩短5-10min，氧耗及还原剂消耗得到一定降低。总之，本发明方法提高了铁素体不锈钢产品质量、缩短处理时间、降低了消耗。

附图说明

无

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精炼409L、439和430L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，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h，顶吹枪可切换接通氧气和氩气。初始钢液温度1620℃，钢液重量110t，冶炼钢种409L，其处理前主要成分如下：

C：0.3％，Si：0.03％，Cr：11.7％，S：0.005％，N：0.018％，Mn：0.22％，P：0.015％，其余为Fe和微量杂质元素。

结合VOD常规操作和本发明方法，本实施例实施步骤如下：

(1)钢水扒渣后进入真空处理室。

(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，当吹氧量为820Nm³时停止吹氧，此阶段处理时间为30min。

(3)加入铝块100kg铝用于升高熔池温度，加铝过程中底吹氩气流量在15Nm³/h。

(4)高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，顶吹枪离钢液面高(即枪位)1.5m，其氩气流量1400Nm³/h，底吹氩气流量在30Nm³/h，处理时间9min。

(5)停止高真空处理，真空压力恢复到12000Pa，加入硅铁(含硅量75％)880kg，其中340kg用来参与氧化反应，铝块150kg，石灰1.5t，萤石300kg。

(6)高真空条件下脱氧、化渣并脱硫，炉渣碱度为2.5，真空压力在200Pa～100Pa，底吹氩气流量在45Nm³/h，处理时间16min。

(7)破真空，软搅拌，喂钛丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

以上真空精炼处理结束后钢液温度1627℃，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％，Ti：0.12％，N：0.0060％，Mn：0.24％，P：0.014％，Al：0.015％，其余为Fe和微量杂质元素。

开罐定氧：6.2ppm  总氧：0.003％

以上钢液温度和成分均符合技术要求，可直接上连铸台进行浇注。

实施例2

本实施例设备要求：120t VOD处理炉，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h，顶吹枪可切换接通氧气和氩气。初始钢液温度1625℃，钢液重量109t，冶炼钢种439，其处理前主要成分如下：

C：0.4％，Si：0.05％，Cr：17.5％，S：0.005％，N：0.015％，Mn：0.1％，P：0.013％，其余为Fe和微量杂质元素。

结合VOD常规操作和本发明方法，实施步骤如下：

(1)钢水扒渣后进入真空处理室。

(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1850Nm³/h，底吹氩总流量45Nm³/h，当吹氧量为1020Nm³时停止吹氧，此阶段处理时间为37min。

(3)加入铝块60kg铝用于升高熔池温度，加铝过程中底吹氩气流量在10Nm³/h。

(4)高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，顶吹枪离钢液面高度(即枪位)1.4m，其流量1350Nm³/h，底吹氩气流量在30Nm³/h，处理时间10min。

(5)停止高真空处理，真空压力恢复到12000Pa，加入硅铁(含硅量75％)1000kg，其中420kg用来参与氧化反应，铝块200kg，石灰1.8t，萤石500kg。

(6)高真空条件下脱氧、化渣处理并脱硫，炉渣碱度为2.5，真空压力在200Pa～100Pa，底吹氩气流量在45Nm³/h，处理时间15min。

(7)破真空，软搅拌，喂钛丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

以上真空精炼处理结束后钢液温度1640℃，真空处理时间64min(常规方法真空处理时间70min以上)，钢液最终成分如下：

C：0.0060％，Si：0.45％，Cr：17.4％，S：0.001％，Ti：0.22％，N：0.0070％，Mn：0.1％，P：0.013％，Al：0.019％，其余为Fe和微量杂质元素。

开罐定氧：5.4ppm  总氧：0.0035％。

以上钢液温度和成分均符合技术要求，可直接上连铸台进行浇注。

实施例3

本实施例设备要求：120t VOD处理炉，极限真空度小于100Pa，底部三个吹氩风口，总吹气能力达60Nm³/h，顶吹枪可切换接通氧气和氩气。初始钢液温度1620℃，钢液重量109t，冶炼钢种430L，其处理前主要成 分如下：

C：0.4％，Si：0.17％，Cr：16.3％，S：0.005％，N：0.017％，Mn：0.7％，P：0.013％，其余为Fe和微量杂质元素。

结合VOD常规操作和本发明方法，实施步骤如下：

(1)钢水扒渣后进入真空处理室。

(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1900Nm³/h，底吹氩总流量45Nm³/h，当吹氧量为1100Nm³时停止吹氧，此阶段处理时间为36min。

(3)加入铝块150kg铝用于升高熔池温度，加铝过程中底吹氩气总流量10Nm³/h。

(4)高真空条件下自由脱碳处理，真空压力在400Pa～200Pa，顶吹枪离钢液面高度(即枪位)1.6m，氩气流量1500Nm³/h，底吹氩气流量在30Nm³/h，处理时间10min。

(5)停止高真空处理，真空压力恢复到12000Pa，加入硅铁(含硅量75％)464kg，其中420kg用来参与氧化反应，铝块150kg，石灰2t，萤石500kg。

(6)高真空条件下脱氧、化渣处理并脱硫，炉渣碱度为2.5，真空压力在200Pa～100Pa，底吹氩气流量在45Nm³/h，处理时间16min。

(7)破真空，软搅拌，喂钛丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。

真空精炼处理结束后钢液温度1620℃，真空处理时间64min(常规方法真空处理时间70min以上)，钢液最终成分如下：

C：0.0054％，Si：0.2％，Cr：16.4％，S：0.002％，Ti：0.105％，N：0.0084％，Mn：0.66％，P：0.013％，Al：0.03％，其余为Fe和微量杂质元素。

开罐定氧：3.6ppm  总氧：0.0025％。

以上钢液温度和成分均符合技术要求，可直接上连铸台进行浇注。