CN101538636A - 钢包炉用氮气进行氮合金化工艺 - Google Patents

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Abstract

钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤：a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分；吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30℃～50℃；b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1～20ppm；c)底吹氮气进行微合金化处理，氮气流量在6～120m3/h，吹氮压力0.60～0.80MPa；d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m3/h，均匀不锈钢成分和温度。本发明对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，降低生产成本。

Description

钢包炉用氮气进行氮合金化工艺
技术领域
本发明涉及不锈钢的冶炼技术，特别涉及钢包炉(LF)冶炼含氮不锈钢生产的钢包炉用氮气进行氮合金化工艺。
背景技术
不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱和盐等腐蚀作用的合金钢的总称。通常所说的“不锈钢”是指其抗腐蚀性能，可归因于在氧化的环境中，形成一层氧化铬表面膜，这层薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点。氩氧脱碳炉(AOD)是生产不锈钢的主要精炼手段之一。
目前世界上88％不锈钢采用二步法生产，其中76％是通过AOD炉生产。钢包炉(LF炉)是设置在AOD炉与连铸之间的精炼设备之一，它顺畅地连接这两个生产过程，提高两个过程的生产率，在提高钢质量、扩大品种、优化工艺、降低消耗等方面发挥着巨大作用，是现代不锈钢炼钢不可缺少的重要工序。
不锈钢的分类通常以金相组织进行分类：铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢；马氏体不锈钢；奥氏体-铁素体双相不锈钢，奥氏体-马氏体双相不锈钢；沉淀硬化不锈钢。而奥氏体不锈钢又根据氮含量不同，可分为控氮型、中氮型、高氮型三种含氮奥氏体不锈钢。
氮在含氮奥氏体不锈钢中的有益作用：
(1)氮是最有效的固溶强化元素。氮在奥氏体不锈钢中的有利作用主要是由固溶在钢中的氮元素产生。
(2)氮在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当Ni的25倍左右。目前有些钢种开始采用廉价的氮，锰来代替贵重的镍来生产奥氏体不锈钢。
(3)氮可以细化晶粒。在热处理过程中氮化物粒子可以阻止了奥氏体的长大，还有利于钢的表面渗碳、碳氮共渗，可以改善钢的表面性能。
(4)氮可以明显提高不锈钢耐一般腐蚀、点蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀性能。
(5)氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用。
AOD炉冶炼含氮不锈钢的氮合金化工艺主要有两种：1)吹氮气进行合金化；2)加入氮化合金进行合金化。后一种工艺在AOD的应用有成本高、氮含量不易控制的缺点。而完全氮气合金化工艺的开发与应用，同AOD可以灵活用气的冶金特性相一致，具有生产成本低、可生产高氮含量产品的显著优点，但其难点是在AOD炉中精确控制氮含量。
目前，国内外用氮气进行氮合金化工艺都只是在AOD炉里，在冶炼过程中氮气/氧气混吹的气相合金化。中国专利CN02135251.8公开的“AOD炉用氮气进行氮合金化工艺”，其包括下列两个步骤：(1)氮气在不锈钢中的溶解过程，即在整个冶炼过程吹氩气前一直往AOD炉中吹入氮气进行冶炼，使氮在不锈钢中达到饱和；(2)一部分氮原子的脱除过程，即应用氩气气泡精炼理论，脱除一部分氮含量，使钢中溶解的氮含量达到钢种所要求的范围之内，也就是根据钢种不同，在出钢前往AOD炉中吹入不同时间(或吹入量)的氩气。应用氮气在AOD炉中溶解与脱除理论，调节氮、氩气吹入量，生产含氮不锈钢和双相钢，代替原氮化合金增氮的工艺，降低了含氮不锈钢的生产成本。但是AOD炉内反应动力学条件非常好，很短的时间内吹一定量的氩气或氮气，就会导致钢水中的氮急剧变化，要想精确控制氮含量在±50ppm还是比较困难。
LF炉(炉外精炼设备)具有如下功能：
(1)搅拌功能，均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮和钢渣反应；
(2)钢水升温和控温功能，精确控制钢水温度；
(3)精炼功能，包括渣洗、脱氧、脱气、脱硫，去除夹杂物和夹杂物变性处理等；
(4)合金化功能(包括喂线)，对钢水进行窄成分控制；
(5)生产调节功能，均衡炼钢-连铸生产。
LF炉都是用各种相应的合金来进行合金化，有如下弊端：
(1)氮化合金不是纯金属，含有杂质，添加较多的氮化合金会污染不锈钢钢水，影响钢水纯净度，因而会影响钢水质量。
(2)如果冶炼初始，离氮含量目标值较大，需添加较多的氮化合金，这会造成其他合金成分的波动而超标，导致不锈钢成分不合格。
(3)氮化合金价格比较贵，添加较多的氮化合金，成本明显增加。
(4)由于不锈钢渣壳很硬，添加氮化合金时，部分氮化合金常常加在渣壳上，不能熔入钢水，导致氮的收得率不稳定，而且氮成分不均匀。
发明内容
本发明的目的在于开发一种钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。
本发明是在钢包炉(LF炉)工位，增设一路氮气管，平行于原有钢包炉底吹氩气管，增加相应的氮气管控制***，可以切换氮气、氩气，利用钢包炉原有的透气塞，在冶炼含氮不锈钢时底吹氮气，使LF炉能持续稳定地进行氮的合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。
具体地，本发明的技术方案是：
钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤：
a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分，钢包炉钢水处理量110t～130t；吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30℃～50℃；
b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1～20ppm；其中，不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在300～1000ppm时，氮气增氮系数为100～800ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在1001～2000ppm  时，氮气增氮系数为200～900ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在2001～5000ppm时，氮气增氮系数为300～1200ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在5001～8000ppm时，氮气增氮系数为400～2000ppm/m3·t；
c)底吹氮气进行微合金化处理，处理气压为大气状态，氮气流量在6～120m3/h，吹氮压力：0.60Mpa～0.80Mpa；
d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m3/h，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。
为实现精确控制冶炼过程的氮含量，利用氮含量计算软件计算底吹氮气量。实际操作中采用设定吹氮量，时间与吹氮量、氮气流量有关。吹氮量和气-钢液界面积、钢的质量、钢液密度、表观正反应速率常数、时刻钢液内部氮浓度、时刻钢液内部氮浓度、氮的溶解度、氮在钢液中的传质系数、氮的活度系数、吹氮流量、初始氮含量及与目标氮含量的差值有关系。渗氮百分量随吹气量增大而增大，同时Cr对其影响较大，渗氮素率随Cr含量的增大而增大。温度对不锈钢的溶解度影响较大，随温度的升高，溶解度变小。
冶炼含氮不锈钢，在LF炉用氮气进行合金化前，把除氮以外的成分控制到目标成分，钢水处理量110t～130t。由于LF炉底吹氮气时钢水有温降，温降有两部分组成，一部分是钢包吸热，每分钟降0.3～0.6℃；氮气熔入钢水是吸热过程，底吹氮气每分钟降0.6～1.1℃；所以吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30～50℃。
由于渗氮百分量随吹氮量增大而增大，同时铬对其影响较大，渗氮速率随铬含量的增大而增大。温度对不锈钢的溶解度影响较大，随温度的升高，溶解度变小。LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1ppm～20ppm，其中不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在300～1000ppm时，氮气增氮系数为100～800ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在1001～2000ppm时，氮气增氮系数为200～900ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在2001～5000ppm时，氮气增氮系数为300～1200ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在5001～8000ppm时，氮气增氮系数为400～2000ppm/m3·t。
因此根据吹氮处理前的不锈钢钢水的成分、温度、处理后不锈钢目标氮含量，计算出氮气喷吹量。
底吹氮气进行微合金化处理。底吹氮气流量控制在钢水不严重裸露为宜；处理气压为大气状态，氮气流量在6～120m3/h，吹氮压力：0.60Mpa～0.80Mpa。
底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m3/h，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。
氮气在AOD的主要作用是降低CO分压从而脱碳保铬，搅拌钢水，改善冶金动力学条件，AOD冶炼后期用氮气进行吹炼，在技术上不能满足含氮不锈钢在冶炼过程中氮的精确控制。而LF炉在底部通过透气塞吹入氮气，进行氮合金化，可以弥补AOD氮含量控制精度不高，可以替代和降低氮化合金(用于调整氮含量)的消耗，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低成本。国外含氮不锈钢冶炼基本采用AOD氮含量炉内控制，精炼工位(LF、VOD)用氮化合金微调氮含量操作。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)在LF炉，采用底吹氮气进行合金化，根据处理前的奥氏体不锈钢的氮成分和目标成分，由控氮软件计算出喷吹流量和时间，计算机控制喷吹流量和时间。操作简单、方便，从而使含氮不锈钢在LF能持续稳定地进行氮的合金化。
(2)LF炉用氮气进行氮合金化工艺可以使氮含量控制精度比原来LF用氮化合金控制精度提高20～30ppm，精确控制氮含量在目标值±50ppm。
(3)氮气增氮与氮化合金增氮相比，每增氮200ppm可降低成本100～150元/吨，经济效益显著。
(4)采用底吹氮气进行合金化与添加氮化合金相比，底吹氮气的重量可以忽略不计，不会造成其他钢水成分的波动而超标，含氮不锈钢炼成率可以得到保证。
(5)采用底吹氮气进行合金化与添加氮化合金相比，由于氮气纯度99.9％，不含有杂质，不会污染不锈钢钢水，不影响钢水纯净度，钢水质量明显改善。
(6)底吹氮气，氮能完全熔入钢水，氮收得率稳定。
(7)由于底吹氮气，可以搅拌钢水，氮成分比较均匀。
(8)氮气价格低廉，成本可以忽略不计。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.036％～0.040％
(2)起始处理温度：1575℃～1585℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.69Mpa～0.71Mpa
(3)吹氮时间：59.5min～60.7min
(4)吹氮流量：39m3/h～41m3/h
(5)底吹氮气量：39.8Nm3～40.2Nm3
3、钢种-在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   N
  处理起始   0.031   0.36   0.95   0.004   0.018   18.08   8.05   0.038
  处理终点   0.0307   0.35   0.95   0.002   0.018   18.10   8.06   0.068
实施例2
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.143％～0.144％
(2)起始处理温度：1535℃～1545℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.68Mpa～0.70Mpa
(3)吹氮时间：5.7min～6.4min
(4)吹氮流量：119m3/h～121m3/h
(5)底吹氮气量：9.8Nm310.2Nm3
3、钢种二在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   Cu   N
  处理起始 0.0170 0.510 1.34 0.001 0.027 17.40 6.60 0.15 0.14 0.1435
  处理终点 0.0168 0.508 1.35 0.001 0.027 17.42 6.61 0.15 0.14 0.1450
实施例3
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.118％～0.122％
(2)起始处理温度：1585℃～1595℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.69Mpa～0.71Mpa
(3)吹氮时间：49.8min～50.2min
(4)吹氮流量：35m3/h～38m3/h
(5)底吹氮气量：29.8Nm3～30.2Nm3
3、钢种三在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  处理起始   0.022   0.57   1.4   0.005   0.020   21.52   5.07   2.86   0.120
  处理终点   0.021   0.58   1.4   0.004   0.021   21.53   5.07   2.86   0.150
实施例4
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.236％～0.240％
(2)起始处理温度：1535℃～1545℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.70Mpa～0.71Mpa
(3)吹氮时间：19.8min～20.2min
(4)吹氮流量：28m3/h～31m3/h
(5)底吹氮气量：9.8Nm3～10.2Nm3
3、钢种四在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  处理起始   0.022   0.51   6   0.004   0.023   21.08   12.99   2   0.238
  处理终点   0.020   0.50   6   0.004   0.024   21.07   13.0   2   0.250
实施例5
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.430％～0.440％
(2)起始处理温度：1545℃～1555℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.72Mpa～0.74Mpa
(3)吹氮时间：21.4min～21.8min
(4)吹氮流量：27m3/h～29m3/h
(5)底吹氮气量：9.8Nm3～10.2Nm3
3、钢种五在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   Mo   N
  处理起始   0.02   0.41   6   0.002   0.027   24   16   7.1   0.435
  处理终点   0.02   0.41   6   0.002   0.027   24   16   7.1   0.450
实施例6
1、LF钢水起始条件
(1)起始氮含量：0.690％～0.700％
(2)起始处理温度：1625℃～1635℃
(3)钢水量：110t～130t
2、LF处理实绩
(1)处理气压：大气状态
(2)吹氮压力：0.79Mpa～0.81Mpa
(3)吹氮时间：89.6min～90.3min
(4)吹氮流量：19.8m3/h～20.3m3/h
(5)底吹氮气量：29.8Nm3～30.2Nm3
3、钢种六在LF的氮气微合金化实绩
成分分析
  元素   C   Si   Mn   S   P   Cr   Ni   N
  处理起始   0.125   0.43   14.96   0.003   0.027   22.56   0.3   0.696
  处理终点   0.125   0.42   14.96   0.003   0.026   22.57   0.3   0.750
从上述实施例可以看出，不同含量的奥氏体不锈钢冶炼采用本发明的方法可以达到增氮效果。
综上所述，本发明对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。

Claims (1)

1.钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤：
a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分，钢包炉钢水处理量110t～130t；吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30℃～50℃；
b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1～20ppm；其中，不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在300～1000ppm时，氮气增氮系数为100～800ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在1001～2000ppm时，氮气增氮系数为200～900ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在2001～5000ppm时，氮气增氮系数为300～1200ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在5001～8000ppm时，氮气增氮系数为400～2000ppm/m3·t；
c)底吹氮气进行微合金化处理，处理气压为大气状态，氮气流量在6～120m3/h，吹氮压力：0.60Mpa～0.80Mpa；
d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m3/h，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。
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