CN103468874A - 一种采用氩氧炉冶炼低碳twip钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳TWIP钢氩氧炉（AOD）冶炼生产技术。冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。本发明生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜。有利于实现大规模工业化生产。
Description
技术领域：
本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳TWIP钢氩氧炉（AOD）冶炼生产技术。
背景技术：
1997年，Grassel等在试验研究Fe—Mn—Si—Al系TRIP钢时发现，当锰含量达到25wt%，铝含量超过3wt%，硅含量在2～3wt%之间，碳含量较低时，具有中等的抗拉强度（约600Mpa）和极高的延伸率（80%），其抗拉强度和延伸率的乘积在50000MPa％以上，是高强韧性TRIP钢的两倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中形变孪晶的形成，故命名为孪生诱发塑性钢，即TWIP钢（Twinning Induced Plasticity）。由于TWIP钢具有诸多优异性能，在机车、汽车、高架建筑、抗冲击钢板、低温容器等领域展示出广阔的应用潜力。
目前国内外对TWIP钢的研究主要集中在Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-Al-C系及Fe-Mn-C系。其中Fe-Mn-Al-Si系的碳含量较低，冶炼难度较大或成本较高。
专利文献CN102690938A公开了一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的中试生产方法，采用纯铁在0.5吨非真空感应炉进行冶炼，试制成功了碳含量为0.052wt%的低碳TWIP钢；专利文献CN102312158A公开了一种Nb、Ti合金化低碳TWIP制备方法，采用真空感应炉熔炼了碳含量为0.05～0.08wt%的TWIP钢，具体原料没有说明。感应炉和真空感应炉一般容量较小，生产时间较长，能耗较高，生产效率低。迄今，低碳TWIP高效低成本大规模冶炼生产还存在许多难题。
难题之一，低碳TWIP钢碳含量较低，产品碳含量小于等于0.06%，而Mn、Si和Al含量较高，考虑到冶炼后期添加Mn、Si等合金增碳及耐材增碳等问题，需在合金化前将钢中碳降至0.03%以下；难题之二，该TWIP钢合金含量较高，冶炼后期需大量添加Mn、Si、Al等合金，温降较为严重，冶炼过程中只靠碳的氧化能量不够；难题之三，该TWIP钢合金含量较高，尤其是金属铝含量较高，钢液铝合金化时容易引起钢液增硅，成分控制较为困难。
发明内容
本发明的目的是提供了一种采用氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢生产方法和工艺。该方法采用高炉铁水或感应炉、电弧炉提供的粗钢液；通过氩氧炉（AOD）吹氧脱碳，前期将碳脱至0.03%以下；采用金属锰或电解锰进行合金化；采用硅铁和金属铝调整温度和合金化；同时，还原炉渣中锰的氧化物，提高锰的收得率；通过彻底扒渣，防止铝合金化过程中钢液增硅，保证成分的稳定控制；并造还原渣进行脱硫，生产低碳TWIP钢。
一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢生产方法，其特征在于：采用氩氧炉冶炼TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：
1）通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；
2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。
做为更详细的技术方案为：
1）原料
TWIP冶炼的最主要原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液。铁水可为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，采用铁水预处理后的铁水，由于硫和磷的含量较低，对冶炼TWIP钢更为有益。也可采用感应炉或电弧炉熔化的钢液。
采用的重要合金主要有三种：金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金。不采用锰铁，因为它们含有部分碳，容易引起TWIP钢碳含量超标。
采用的造渣原料主要为石灰、白云石。
2）吹氧脱碳
本发明采用氩氧炉（AOD）冶炼TWIP钢，在氩氧炉（AOD）中吹氧脱碳。
在向氩氧炉（AOD）中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰。
在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高，可加入一定比例的废钢，废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定，加入量为铁水质量的0～20%。但如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720℃，需在兑钢水前后、或氩氧炉（AOD）脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600℃，需在炉内添加增碳剂或硅铁。
在脱碳过程中，当钢中碳含量≥0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量<0.10%时，可适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到0.01～0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化。
在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分。
如果钢水温度低于1600℃，需添加硅铁或金属铝提温。
3）硅、锰合金化
碳含量小于0.03%时向炉内加入金属锰或电解锰、硅铁进行硅、锰合金化，硅的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%。
合金化后测温。
4）温度调整
硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温。将钢水温度控制在1550℃～1700℃。
5）还原回收渣中锰
在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，可采用金属铝还原回收锰，提高锰的收得率。
2[Al]+3(MnO)=3[Mn]+(Al2O3)
根据上面的反应计算，1公斤的铝与渣中氧化锰反应，可以还原得3.1公斤锰进入钢液。金属铝价格较金属锰低，采用硅铁和铝还原渣中锰氧化物，提高锰的收得率有明显的经济价值。
6）铝合金化
硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标。
向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑铝的收得率为55-90%。
7）还原脱硫
加入石灰，重新造渣，进行脱硫。
8）成分和温度微调
铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温。根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到1580～1720℃。
钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。
本发明方法和技术具有如下优势：
1）有利于TWIP钢大规模生产
氩氧炉（AOD）生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。采用氩氧炉（AOD）冶炼生产TWIP钢比感应炉和真空感应炉更有利于实现大规模工业化生产。
2）生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜
采用感应炉和真空感应炉冶炼TWIP钢，因无法吹氧脱碳，需要采用碳含量较低的纯铁，价格较高，生产成本较高。而采用氩氧炉（AOD）冶炼，可吹氧脱碳；且由于采用氧气和氩气冶炼，脱碳结束时可将钢中碳降至0.01～0.03%，这对于冶炼低碳TWIP钢非常有利。
3）生产工艺简单，易于操作
冶炼低碳TWIP钢时，采用前期脱碳，采用氩氧混合脱碳，较易将碳脱到0.01～0.03%；脱碳后采用金属锰、硅铁合金化，然后再进行铝合金化，钢液的化学成分可以多次微调，较易命中。
生产中可采用硅铁和金属铝多次调温，温度也容易控制。
具体实施方式
实例1：
采用8吨氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水5.9吨，钢水成分见表1.
表1氩氧炉（AOD）兑入钢水成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Ni | Cr | Mo | Cu |
| 0.75 | 0.54 | 0.013 | 0.005 | 0.20 | 0.06 | 0.27 | 0.03 | 0.09 |
测温，钢水温度为1471℃。根据钢水成分和温度，补加增碳剂25公斤，加入硅铁75公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和170m3/hr。
吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。
脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.01%；测量钢液温度，温度为1720℃。
加入金属锰2.1吨，进行锰合金化；同时加入硅铁450公斤。加料过程中，停止吹氧，将氩气流量提高到480m3/hr。
采用大氧/氩比吹氧化合金，氧气和氩气流量分别为500和170m3/hr。
取样分析成分，成分见表2。
测温，钢液温度为1605℃。
取渣样分析，渣样成分见表3。
表2TWIP钢硅、锰合金化后成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Ni | Cr | Al |
| 0.02 | 26.36 | 0.019 | 0.008 | 2.43 | 0.05 | 0.41 | 0.006 |
表3TWIP钢扒渣前炉渣化学组成（质量百分数，%）
| SiO2 | CaO | MnO | MgO | Al2O3 | Fe2O3 | CuO | TiO2 | Cr2O3 |
| 38.41 | 26.80 | 14.42 | 13.51 | 5.45 | 0.63 | 0.26 | 0.10 | 0.07 |
倾倒氩氧炉（AOD），进行流渣和扒渣操作。加入200公斤石灰，提高炉渣碱度，准备脱硫。
测温，温度为1595℃。
根据温度和表2所示的成分，计算需加入的硅铁、金属铝和金属锰质量，本实例加入318公斤金属铝，补加金属锰50公斤。
吹氧提温，氧气和氩气流量分别为530和170m3/hr。
测温取样。本实例中出钢温度为1589℃，出钢时钢水成分见表4。
表4冶炼终点钢水成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| 0.034 | 25.13 | 0.019 | 0.007 | 2.75 | 0.05 | 0.38 | 0.04 | 0.06 | 3.50 |
实例2：
采用8吨氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水6.2吨，钢水成分见表1.
表1氩氧炉（AOD）兑入钢水成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Ni | Cr | Mo |
| 0.37 | 0.52 | 0.009 | 0.007 | 0.15 | 0.02 | 0.05 | 0.02 |
测温，钢水温度为1520℃。根据钢水成分和温度，补加增碳剂50公斤，加入硅铁40公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和150m3/hr。
吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。
脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.012%；测量钢液温度，温度为1568℃。
加入硅铁300公斤、铝锭55.5公斤。吹氧提温。
加入金属锰2.2吨，进行锰合金化；加料过程中，停止吹氧。
采用大氧/氩比吹氧化合金，氧气和氩气流量分别为350和170m3/hr。
取样分析成分，成分见表2。
表2TWIP钢硅、锰合金化后成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Ni | Cr | Al |
| 0.015 | 24.10 | 0.014 | 0.012 | 0.53 | 0.07 | 0.59 | 0.007 |
测温，钢液温度为1520℃。
倾倒氩氧炉（AOD），进行流渣和扒渣操作。加入FeSi200公斤。
加Al锭37公斤提温，温度为1650℃。
根据温度和表2所示的成分，计算需加入的硅铁、金属铝和金属锰质量，本实例加入722公斤金属铝，补加金属锰1000公斤、硅铁10公斤。
吹氧提温，氧气和氩气流量分别为530和170m3/hr。
测温取样。本实例中出钢温度为1710℃，出钢时钢水成分见表4。
表4冶炼终点钢水成分（质量百分数，%）
| C | Mn | P | S | Si | Al |
| 0.05 | 25.78 | 0.019 | 0.009 | 2.75 | 3.00 |
Claims (4)
1.一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：采用氩氧炉冶炼TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：
1）通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；
2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。
2.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：在铝合金化前，全部扒掉还原渣，防止钢液增硅，确保钢液成分的稳定控制。
3.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：在TWIP钢冶炼后期造还原渣，对钢液进行脱硫。
4.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：详细技术方案
1）原料
TWIP冶炼的原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液；铁水为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，或采用感应炉或电弧炉熔化的钢液；
采用的合金为金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金；采用的造渣原料主要为石灰、白云石；
2）吹氧脱碳
本发明采用氩氧炉冶炼TWIP钢，在氩氧炉中吹氧脱碳，在向氩氧炉中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰；
在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高，加入一定比例的废钢，废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定，加入量为铁水质量的0～20%；如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720℃，需在兑钢水前后、或氩氧炉脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600℃，需在炉内添加增碳剂或硅铁；
在脱碳过程中，当钢中碳含量≥0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量<0.10%时，适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到0.01～0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化；
在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分；
如果钢水温度低于1600℃，需添加硅铁或金属铝提温；
3）硅、锰合金化
碳含量小于0.03%时向炉内加入金属锰或电解锰、硅铁进行硅、锰合金化，硅的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%，合金化后测温；
4）温度调整
硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温，将钢水温度控制在1550℃～1700℃；
5）还原回收渣中锰
在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，采用金属铝还原回收锰，提高锰的收得率；
2[Al]+3(MnO)=3[Mn]+(Al2O3)
根据上面的反应计算，1公斤的铝与渣中氧化锰反应，能还原得3.1公斤锰进入钢液；
6）铝合金化
硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标；
向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑铝的收得率为55-90%；
7）还原脱硫
加入石灰，重新造渣，进行脱硫；
8）成分和温度微调
铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温；根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到1580～1720℃；钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。
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