用于奥氏体不锈钢钢水的氩氧脱碳精炼法

摘要

用于奥氏体不锈钢钢水的氩氧脱碳(AOD)精炼法，包括：在电弧炉中制备奥氏体不锈钢钢水；通过将奥氏体不锈钢钢水的碳浓度调节至2.0重量％至2.5重量％将所述奥氏体不锈钢钢水注入AOD精炼炉中；通过向其中吹送氧气(O

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于奥氏体不锈钢钢水的氩氧脱碳(AOD)精炼法。

背景技术

不锈钢通常使用带坯连铸法来制造，因此与板坯连铸法相比，可降低制造成本。优点还包括通过快速固化来抑制析出相和因夹杂物细化而具有优异的板坯内部质量等。因此，对其需求日益增加。

然而，为了改善不锈钢级最终产品的可加工性，应将钢水中碳(C)和氮(N)的水平控制为低水平。

通过将碳(C)和氮(N)的水平控制为低水平，可以降低不锈钢的屈服强度并可改善其可成形性。当不锈钢的屈服强度降低时，回弹现象减少并且可加工性(例如弯曲等)增加。因此，不锈钢可用于各种不同目的的电子产品中，例如空调管等。

在使用真空氧脱碳(VOD)形成的铁素体不锈钢的情况下，由于通过真空设备将气氛控制至具有低分压，因此脱碳效率因O₂和Ar吹送而提高，空气的进入被阻挡，并且氮气得到控制。因此，在铁素体不锈钢的情况下，钢中的碳和氮含量可显著降低。

另一方面，在仅使用氩氧脱碳(AOD)形成的奥氏体不锈钢的情况下，可能对碳和氮的含量降低存在限制。

(现有技术文献)专利文献1：韩国专利申请第2009-0128466号

发明内容

技术问题

本公开内容的一个方面可提供用于奥氏体不锈钢钢水的氩氧脱碳(AOD)精炼法，并且更特别地，涉及能够在AOD精炼中减少奥氏体不锈钢钢水中的碳和氮的氩氧脱碳(AOD)精炼法。

另一方面，本公开内容的目的不限于上述说明。本公开内容的目的可通过本说明书的内容来理解。本领域技术人员不难理解本公开内容的其他目的。

技术方案

根据本公开内容的一个方面，用于奥氏体不锈钢钢水的氩氧脱碳(AOD)精炼法包括：在电弧炉中制备奥氏体不锈钢钢水；通过调节奥氏体不锈钢钢水的碳浓度至2.0重量％至2.5重量％将所述奥氏体不锈钢钢水注入AOD精炼炉中；通过向其中吹送氧气(O₂)和氩气(Ar)对所注入的奥氏体不锈钢钢水进行脱碳；以及通过向其中吹送氩气(Ar)对经脱碳的奥氏体不锈钢钢水进行还原-脱碳。

还原-脱碳可在Ar的流量为50Nm³/分钟至55Nm³/分钟的条件下进行。

脱碳可通过逐渐减少氧气的流量并逐渐增加氩气的流量来进行。

氧气的初始流量可为140Nm³/分钟至170Nm³/分钟。

在还原-脱碳之后奥氏体不锈钢钢水的氮浓度可为75ppm或更少。

以重量％计，在还原-脱碳之后奥氏体不锈钢钢水的成分包括：C：0.003％至0.16％，Si：0.2％至0.7％，Mn：1.0％至5.0％，P：0.03％或更少，S：0.02％或更少，Cr：16％至18％，Ni：7％至9％，Mo：0.001％至0.200％，N：按重量计75ppm或更少，其剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质。

此外，上述问题的解决方案未列出本公开内容的所有特征。本公开内容的各种特征、优点和效果可参考以下具体实施方案来更详细地理解。

有益效果

根据本公开内容的一个示例性实施方案，可提供能够在AOD精炼中减少奥氏体不锈钢钢水的碳和氮的AOD精炼法。

附图说明

图1为示出常规不锈钢制造过程的示意图。

图2为示出在奥氏体不锈钢(304J1)中，屈服强度根据C+N含量的变化的图。

图3为示出在Cr的含量为18％的不锈钢中，临界碳浓度根据CO分压的变化的图。

图4为示出常规脱氮反应机理的示意图。

图5为根据将发明例和比较例应用于实际精炼的结果，对各个铸次(castingnumber)的AOD出钢氮浓度进行比较的图。

图6为根据将发明例和比较例应用于实际精炼的结果，对各个铸次的AOD出钢碳浓度进行比较的图。

具体实施方式

下文中，将描述本公开内容的示例性实施方案。然而，本公开内容可示例为许多不同形式，并且不应解释为限于本文所述的具体实施方案。还提供了本公开内容的实施方案，以向本领域技术人员更全面地描述本公开内容。

本发明人认识到在使仅使用氩氧脱碳(AOD)形成的奥氏体不锈钢的碳和氮含量降低方面可能存在限制，并已进行研究以解决这一问题。

结果，在适当控制AOD过程的条件的情况下，可以确定钢水中的碳和氮浓度得以有效地降低，从而完成了示例性实施方案。

图1是示出制造不锈钢的常规工艺的示意图。将在电弧炉(electric arcfurnace，EAF)中熔化的熔融金属(即，EAF中的熔融金属)排出至装料钢包(chargingladle)，并使装料钢包倾斜以除去浮在熔融金属上部的部分炉渣。此外，在除去剩余的残留炉渣后，将EAF中的熔融金属注入精炼炉中。在钢水中，为了在氩氧脱碳(AOD)精炼炉中除去碳，将氧气和氩气吹送入钢水中进行脱碳。使钢水通过用于对脱碳情况下产生的铬和铁的氧化物的进一步的还原过程。在用于调节钢水的钢包处理(LT)过程中，可以进行精细的成分调节、钢水温度均化、及底部鼓泡(B/B)以改善钢水的品质。

为了改善最终产品的可加工性，需要钢水中碳(C)和氮(N)的水平为低水平。当不锈钢的屈服强度降低时，回弹现象减少并且可加工性(例如弯曲等)增加。因此，其具有可用于多种不同目的的电子产品(例如空调管等)中的优点。具体地，氮(N)对材料软化的影响显著较大，因而对氮的控制很重要。

图2示出在奥氏体不锈钢304J1中，屈服强度根据C+N含量的变化。当C+N的含量减少100ppm时，屈服强度趋于降低约6MPa至7MPa。当屈服强度保持在约200MPa或更小的水平时，材料具有进一步软化特性。因此，所述材料可应用于需要高软化特性的部件中，例如空调管。具体地，在AOD工艺期间通过充分的脱碳操作将碳移除之后需要将碳排出，并且在AOD工艺期间通过促进脱氮的操作和防止吸附的操作将氮充分移除之后需要将氮排出。

此外，KA4至KA7表示样品编号(No.)。KA6和KA7是通过氩氧脱碳(AOD)工艺获得的值。KA4和KA5是通过真空氧脱碳(VOD)工艺获得的值。确定AOD过程受到C+N的浓度降低的限制。

下文中，将详细描述根据一个示例性实施方案的一个方面的用于奥氏体不锈钢钢水的AOD精炼法。

根据一个示例性实施方案的一个方面的用于奥氏体不锈钢钢水的AOD精炼法包括：在电弧炉中制备奥氏体不锈钢钢水；通过调节奥氏体不锈钢钢水的碳浓度至2.0重量％至2.5重量％将所述奥氏体不锈钢钢水注入AOD精炼炉中；通过吹送氧气(O₂)和氩气(Ar)对所注入的奥氏体不锈钢钢水进行脱碳；以及通过吹送氩气(Ar)对经脱碳的奥氏体不锈钢钢水进行还原-脱碳。

钢水输入操作

准备电弧炉、奥氏体不锈钢钢水，并将奥氏体不锈钢钢水的碳浓度调节至2.0重量％至2.5重量％，以将所述奥氏体不锈钢钢水注入氩氧脱碳(AOD)精炼炉中。

为了在AOD精炼期间除去溶解在钢中的氮，需要提高氮气在钢包上方的排放量。图4中示出了常规脱氮反应机理。

1)液体中的每个氮原子以未指定方向移动，但其整体向界面移动。2)向界面移动的氮原子在界面处被吸附。3)在界面处被吸附的氮原子彼此碰撞。4)经碰撞的氮原子成为氮分子(N₂)，并且从液体层的界面移动至气体层的界面。5)向气体层界面移动的N₂成为气体而向蒸气层移动。

通常，在脱氮反应中产生氮分子(N₂)的操作4)是速控(rate>2或Ar气泡用于使氮原子朝向反应界面移动，从而促进分子生成。

为了通过CO、CO₂或Ar气泡使氮原子向反应界面移动，需要增加精炼脱碳期间CO气体的产生量，CO气体通过精炼炉上部的顶部喷枪以及通过其下部中的风管(tuyere>

钢中通过化学反应产生的CO气体上升至界面。在这种情况下，产生了气流，其中钢水内部的氮原子被CO气体吸附，并且所述CO气体上升至界面。结果，氮原子移动至界面层而除去氮。为此，将钢水的碳浓度调节至比常规碳浓度高的2.0重量％至2.5重量％，以将钢水注入氩氧脱碳(AOD)精炼炉中，从而增加CO气体的量以减少钢中的氮。

在碳浓度小于2.0重量％的情况下，CO气体的产生量不足，因此氮减少的效果可能不足。另一方面，在碳浓度超过2.5重量％的情况下，在出钢时碳浓度明显较高，因此最终产品的屈服强度增加。因此，优选碳浓度为2.0重量％至2.5重量％。

由于电弧炉出钢碳浓度增加，如下文所述可产生更大量的CO气体。由于通过精炼炉上部的顶部喷枪注入的O₂，脱碳通过以下过程从精炼炉初始碳浓度进行至各个操作的临界碳浓度：由反应[C]+[O]＝CO(g)引起的直接脱碳和由反应Cr₂O₃+3[C]＝2[Cr]+3CO(g)引起的间接脱碳。当碳浓度达到临界碳浓度且脱碳效率降低时，调节注入的氧浓度以提高脱碳效率，因此，碳浓度逐渐降低，从而降低下一操作中的临界碳浓度。通常，从第一吹送操作至第五吹送操作或进一步在脱碳操作中，使氧气的流量逐渐减少并使氩气的流量逐渐增加以进行脱碳，并因此可以有效地除去碳同时抑制铬的氧化。因此，在AOD精炼后，在出钢时，钢水中碳的含量可被降低。

脱碳操作

将氧气(O₂)和氩气(Ar)吹送所注入的奥氏体不锈钢钢水中，以对所述奥氏体不锈钢钢水进行脱碳。

不锈钢中的脱碳精炼显示，脱碳有效地进行，同时具有高氧化能力且相对昂贵的Cr的氧化得到抑制。通常，在含Cr钢水的脱碳反应中，吹送钢水中的氧气首先使Cr氧化，并且脱碳通过其氧化物介质进行。具体反应根据如下关系表达式进行。

[C]+[O]＝CO(g)

2[Cr]+3[O]＝Cr₂O₃

Cr₂O₃+3[C]＝2[Cr]+3CO(g)

log K＝-40,990/T+25.83

在此，a_i：I组分的活度，K：平衡常数，以及Pco：CO气体的分压。

在这种情况下，脱碳操作可通过逐渐减少氧气的流量并逐渐增加氩气的流量来进行。

参照图3，(其为示出了在Cr的含量为18％的不锈钢中，临界碳浓度根据CO分压的变化的图)临界碳浓度可表示为CO分压、Cr的活度(Cr的浓度)和温度的函数。如图3中所示，在较高温度、较低CO分压和较低铬浓度下，临界碳浓度降低。

换言之，在碳被从钢水中除去时，平衡铬浓度降低。钢水中的铬不存在于平衡浓度以上，因此铬以高速率被氧化。当温度增加或CO分压减小时，在相同的铬浓度下平衡碳浓度降低。因此，在铬的氧化得到抑制的同时可有效地除去碳。

因此，用于降低CO分压的方法是，通过适当控制O₂气与Ar气之比调节与碳反应的O₂的量，并且通过调节Ar的注入量以优化CO气体的向上排放来显著提高CO气体反应的效率。

在脱碳操作中，脱碳通过逐渐减少氧气的流量并逐渐增加氩气的流量来进行，从而有效地降低CO分压。因此，在相同的铬浓度下平衡碳浓度降低时，可有效地除去碳，同时抑制铬的氧化。

例如，如下文所述，在脱碳操作中的第一吹送操作至第五吹送操作中，脱碳通过逐渐减少氧气的流量并逐渐增加氩气的流量来进行，由此有效地除去碳，同时抑制铬的氧化。

第一吹送操作O₂:Ar＝150Nm³/分钟:20Nm³/分钟，临界碳浓度0.35重量％

第二吹送操作O₂:Ar＝60Nm³/分钟:20Nm³/分钟，临界碳浓度0.20重量％

第三吹送操作O₂:Ar＝45Nm³/分钟:45Nm³/分钟，临界碳浓度0.10重量％

第四吹送操作O₂:Ar＝20Nm³/分钟:60Nm³/分钟，临界碳浓度0.05重量％

第五吹送操作O₂:Ar＝12Nm³/分钟:48Nm³/分钟，临界碳浓度0.01重量％

此外，为了在吹送期间根据[C]％降低Pco，需要增加惰性气体的量。对于惰性气体，可使用Ar，但可使用相对廉价的N₂，只要其在质量方面没有缺陷即可。然而，在一个示例性实施方案中，为了降低屈服强度并增加可成形性和可加工性，需要显著降低C+N的含量。因此，将Ar用于惰性气体。

优选氧气的初始流量为140Nm³/分钟至170Nm³/分钟。

在氧气的初始流量小于140Nm³/分钟的情况下，可能出现脱碳效率低的问题。在氧气的初始流量超过170Nm³/分钟的情况下，氧气可残留在钢水中而产生氧化物(夹杂物)，从而引起品质劣化。

还原-脱碳操作

向经脱碳的奥氏体不锈钢钢水中吹送氩气(Ar)以进行还原-脱碳，从而进一步减少在脱碳操作中产生的铬和铁的氧化物。

在这种情况下，还原-脱碳可在Ar的流量为50Nm³/分钟至55Nm³/分钟的条件下进行。如上所述，还原-脱碳中的Ar气用于使氮原子移动至反应界面。

由于将Ar的流量控制为50Nm³/分钟至55Nm³/分钟，高于其常规流量，氮原子被吸附至Ar、惰性气体的气泡表面，以使氮原子移动至反应界面，从而促进氮的分子化以有效地减少氮。

在Ar的流量小于50Nm³/分钟的情况下，氮减少的效果不足。

如上所述，Ar注入的原理如下：在通过AOD精炼炉下部中的管注入Ar时，通过使包含在钢水中的氮分子容易地吸附到Ar气泡中，经由向上方向的气泡流来除去氮。在Ar的流量过高的情况下，由于从下部上升的气泡流较强，因此其上部的钢水和覆盖钢水的炉渣暴露于气氛，因而更确切地说可能发生气氛中的氮溶解于钢中的氮吸附现象。因此，优选Ar的流量上限为55Nm³/分钟。

此外，在还原-脱碳操作后钢水中的氮浓度可为75ppm或更小，更优选地，70ppm或更小，还更优选地，65ppm或更小。

此外，以重量％计，在还原-脱碳操作后钢水的成分包括：C：0.003％至0.16％，Si：0.2％至0.7％，Mn：1.0％至5.0％，P：0.03％或更少，S：0.02％或更少，Cr：16％至18％，Ni：7％至9％，Mo：0.001％至0.200％，N：按重量计75ppm或更少，其剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质。

发明的实施方案

下文中，将通过实施方案更详细地描述本公开内容。然而，应注意，下文所述实施方案旨在更详细地描述本公开内容而不旨在限制本公开内容的范围，因为本公开内容的范围由权利要求书中所述的内容和由其合理推断的内容来确定。

(实施方案1)

进行AOD精炼以获得钢水，以重量％计，所述钢水包含：C：0.003％至0.16％，Si：0.2％至0.7％，Mn：1.0％至5.0％，P：0.03％或更少，S：0.02％或更少，Cr：16％至18％，Ni：7％至9％，Mo：0.001％至0.200％，N：按重量计75ppm或更少，其剩余部分为铁(Fe)和其他不可避免的杂质，并且将表1中所注入的钢水的碳浓度和还原-脱碳的Ar流量应用于AOD精炼奥氏体不锈钢钢水。

下文中，测量AOD出钢氮和碳浓度并在表1中描述。

【表1】

与比较例1和2相比，在满足一个示例性实施方案的控制条件的发明例1至3中，确定AOD出钢氮和碳浓度降低。

(实施方案2)

为了将一个示例性实施方案中的方法与常规方法进行比较，在图5和6中示出将一个示例性实施方案中的方法和常规方法应用于实际精炼的结果。在第1周至第7周，注入的钢水的碳浓度为1.4重量％，并且还原-脱碳的Ar流量为45Nm³/分钟。在第8周至第14周，其碳浓度为2.5重量％，并且还原-脱碳的Ar流量为55Nm³/分钟。

在应用常规精炼法的第1周至第7周，示出70ppm或更高的氮浓度和60ppm或更高的碳浓度，但在应用根据一个示例性实施方案的精炼法的第8周至第14周，确定氮和碳浓度明显降低。

(实施方案3)

此外，为了确定脱碳操作中的初始O₂浓度变化，在表2中的条件下进行另外的实验，并在表2中描述第一AOD吹送操作中的碳浓度。此处，AOD注入的钢水的初始碳浓度等于2.0重量％。

【表2】

如表2中所示，当脱碳操作中的初始O₂流量，即，第一吹送操作AOD钢水注入氧流量为140Nm³/分钟或更大时，确定脱碳效果进一步提高。

虽然已在上文中示出和描述了示例性实施方案，但对本领域技术人员明显的是，可以进行修改和改变而不背离如所附权利要求书所限定的本公开内容的范围。