CN104726646B - 一种控制高温合金钢p91中氮含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明年公开了一种控制高温合金钢P91中氮含量的方法，工艺流程为：电炉或转炉初炼→LF炉精炼→VD炉抽真空→浇注，在LF炉精炼与VD炉抽真空过程中均吹氩气，仅在VD炉抽真空结束后，通过钢包底部透气砖向钢中吹入氮气来增加钢中的氮含量，使钢中的氮含量达到目标含量。通过吹氮气代替加氮化铬铁方式增氮，但在钢包精炼(LF)与VD抽真空过程均吹氩气，仅在VD抽真空结束(即破空)后再吹氮气增氮，不仅能够稳定控制钢中氮含量、精确控制铬含量，而且能够防止VD抽真空过程中，钢与渣喷溅严重的问题，同时操作简单易行。

Description

一种控制高温合金钢P91中氮含量的方法

技术领域

本发明涉及含氮钢的冶炼工艺，尤其涉及一种冶炼生产P91钢的过程中，控制钢中氮含量的方法。

背景技术

高温合金钢P91是标准ASTM A335中的一种钢种，与标准ASME SA335的T91钢相同。P91钢的化学成分中要求含N量为300～700ppm，其中，ppm是溶质浓度单位，表示百万分比浓度。

P91钢的一般生产流程是:电炉或转炉初炼→LF炉精炼→VD真空精炼→浇注(连铸或模注)。

钢中氮含量的最终控制是在真空精炼之后浇注之前完成，早期的控制氮含量的一般工艺是:在钢水经真空精炼之后，对钢水取样，分析钢中氮含量，根据钢中已有氮含量，按一定收得率计算，加入相应数量的氮化铬铁进行增氮。这种工艺所存在问题:①因氮化铬铁比普通铬铁价格高近一倍，造成冶炼成本较高；②因氮化铬铁是在真空处理后临出钢前才能加入钢中，将增加钢中非金属夹杂物及[O]、[H]气体含量，从而污染钢液，如果采取吹氮气增氮则不存在这个问题；③氮化铬铁既含N又含Cr，增N必然增Cr，难以同时精确控制钢中铬与氮的含量。

因此，现有技术中已经提出了一些通过吹入氮气增加钢中氮含量的方法，但经过本申请的发明人长期实验和分析，发现仍然存在一定的问题，例如:现有技术1为申请号“CN200610147658.0”，名称“高温合金钢P91的冶炼方法”的发明专利，其控制钢中氮的过程是:在钢包精炼(即LF)过程中吹入氮气，要求使精炼终点钢中氮含量达到400～500ppm，再经VD炉真空抽气(即VD)处理，VD破空后再次吹氮气增氮。但经过本申请的发明人长期实验和分析，发现仍然存在一定的问题:①LF吹氩气与吹氮气切换，操作麻烦，将延长精炼时间；②经LF精炼吹氮气使钢中氮含量达到400～500ppm后再经真空处理，这种条件下真空处理过程中，钢与渣喷溅十分剧烈，容易造成安全隐患；③虽然LF精炼后氮含量基本达到目标含量，但经真空处理后，钢中氮含量有较大幅度的去除(一般去除率为20～50％，因受真空条件变化及初始氮含量变化而波动很大)，真空处理前氮含量越高，真空去除氮含量越多，使得LF精炼过程中吹氮气增加氮含量的效果大打折扣，因此，LF精炼吹氮增加氮含量的效果较低，甚至达不到增氮的作用。

现有技术2为申请号“CN201010594778.1，名称“耐高温高压合金钢的冶炼方法”的发明专利，其控制钢中氮含量的过程是:在钢包精炼(即LF)过程中吹入氮气，在VD抽真空过程中也吹入氮气，VD破空后再吹氮气增氮含量，但经过本申请的发明人长期实验和分析，发现仍然存在一定的问题:①LF吹氮气搅拌，由于吹入的氮气大部分会溶解于钢中，因此吹氮气的搅拌力很弱,使得均匀钢水成分与温度的时间延长,导致精炼时间很长；②因经LF精炼吹氮气后钢中氮含量很高，且在VD抽真空过程吹氮气(而非氩气)，使得钢与渣喷溅更加剧烈，更容易造成安全隐患；③因是在真空条件下，其增氮效果并不理想，因此，LF精炼与VD抽真空过程吹氮显得没有必要。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅能够精确控制钢中氮含量，而且能够降低安全隐患，防止VD抽真空过程中，钢与渣喷溅严重的控制高温合金钢P91中氮含量的方法。

本发明解决其技术问题所采用的一种控制高温合金钢P91中氮含量的方法，工艺流程为：电炉或转炉初炼→LF炉精炼→VD炉抽真空→浇注，在LF炉精炼与VD炉抽真空过程中均吹氩气，仅在VD炉抽真空结束后，通过钢包底部透气砖向钢中吹入氮气来增加钢中的氮含量，使钢中的氮含量达到目标含量。

进一步的，具体包括以下步骤：

A、电炉或转炉初炼；

B、LF炉精炼:全程吹氩气搅拌，加入普通铬铁合金将Cr成分调整到目标含量，同时，将钢中除N含量外的其它各种成分调整到目标含量，当温度满足工艺要求后出钢送VD炉抽真空；

C、VD炉抽真空:在VD抽真空过程中，仅吹氩气搅拌，达到规定的高真空下保持规定的时间后破除真空；

D、破除真空之后，取样分析钢中氮含量，随即将吹氩气改为吹氮气，流量控制在6～8Nl/min/t钢；当钢中氮含量为50～100ppm，则吹氮时间控制在20～25min；当钢中氮含量为100～150ppm，则吹氮时间控制在15～20min；

E、吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量，若钢中氮含量低于目标含量，则按照流量6～8Nl/min/t钢补吹氮气，根据步骤D的增氮速度，确定需要补吹氮气的时间，吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量；

F、当钢中氮含量达到目标含量后，改吹氩气来调整钢水温度，当满足规定的钢水温度要求后，出钢送浇注。

本发明的有益效果是:

(1)采用吹氮气增氮，较之加氮化铬铁方式增氮，具有的优点是:

①使用普通铬铁合金代替氮化铬铁可以显著降低生产合金的成本:以某钢厂生产高温合金钢P91为例，采用加入氮化铬铁方式增N，需加入氮化铬铁约7kg/t，氮化铬铁单价按23000元/吨计算，成本为23000*7/1000＝161元/t钢；采用吹氮方式增N，用约7kg/t普通铬铁合金即可满足相应的Cr的含量要求，普通铬铁合金单价12000元/吨，成本为12000*7/1000＝84元/t钢；因此，采用吹入氮气的方式增氮相比加入氮化铬铁方式增氮，可节约成本161-84＝77元/t钢。

②由于是加入普通铬铁合金控制铬含量、通过吹氮气控制氮含量，二者互不干扰，因此可以实现对钢中铬、氮元素的精确控制；采取加氮化铬铁方式增N是在VD破空后临出钢前进行，将增加钢中非金属夹杂物及[O]、[H]气体含量，污染钢液，而采取吹氮气增氮则不存在这个问题，使钢质更加纯净。

(2)与对比专利文献“CN200610147658.0-高温合金钢P91的冶炼方法”相比，其不同点在于:该文献中要求在钢包精炼(即LF)过程中吹入氮气，使精炼终点钢中氮达到400～500ppm，而本发明在钢水精炼过程中仅吹氩气，不吹氮气，对精炼终点氮无要求。本发明与之相比的优点是：①省略LF精炼过程吹氮气，大大简化LF操作，节省LF精炼时间；②该文献所述方法经LF精炼吹氮气使钢中氮达到400～500ppm后再经真空处理，这种条件下真空处理过程中钢与渣喷溅十分剧烈，容易造成安全隐患，而本发明因抽真空前没有吹氮气，钢中氮含量不高(一般低180ppm)，同时抽真空过程吹氩气搅拌，防止了真空处理过程中发生钢与渣剧烈喷溅。

(3)与对比专利文献“CN201010594778.1-耐高温高压合金钢的冶炼方法”相比，其不同点在于:该文献中要求在钢包精炼(即LF)过程中吹入氮气，同时在VD抽真空过程中吹入氮气，而本发明在钢水精炼过程及VD抽真空过程中仅吹氩气，不吹氮气。本发明与之相比的优点是：①省略LF精炼过程及VD抽真空过程吹氮气，大大简化操作，节省LF精炼时间，且避免在LF精炼过程因吹氮气搅拌力弱引起成分温度不均的问题；②该文献所述方法经LF吹氮气后钢中氮含量很高且在VD抽真空过程吹氮气(而非氩气)、而使得钢与渣喷溅更加剧烈，更容易造成安全隐患，而本发明因抽真空前没有吹氮气，钢中氮含量不高(一般低于180ppm)，同时抽真空过程吹氩气搅拌，防止了抽真空过程中发生钢与渣剧烈喷溅。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

本发明的一种控制高温合金钢P91中氮含量的方法，工艺流程为：电炉或转炉初炼→LF炉精炼→VD炉抽真空→浇注，在LF炉精炼与VD炉抽真空过程中均吹氩气，仅在VD炉抽真空结束后，通过钢包底部透气砖向钢中吹入氮气来增加钢中的氮含量，使钢中的氮含量达到目标含量。冶炼P91钢时，每个生产厂家对钢中的每个成分都有规定的目标含量，该目标含量均在标准ASTM A335规定的范围内。

与现有技术1和现有技术2相比的区别：钢包在LF炉精炼与VD炉抽真空过程均吹氩气，仅在VD炉抽真空结束(即破空)后才吹氮气增氮；具有的有益效果：不仅能够稳定控制钢中氮含量、精确控制铬含量，而且能够防止VD抽真空过程中，钢与渣喷溅严重的问题，同时操作简单易行。

进一步的，作为一种实施方式，具体包括以下步骤：

A、电炉或转炉初炼；采用现有技术的常规方法；

B、LF炉精炼:全程吹氩气搅拌，加入普通铬铁合金将Cr成分调整到目标含量，同时，将钢中除N含量外的其它各种成分调整到目标含量，当温度满足工艺要求后出钢送VD炉抽真空；冶炼过程中，需要将每个成分都调整到对应的目标含量；LF精炼过程全程吹氩气搅拌，而不是吹氮气搅拌，大大节省LF精炼时间；

C、VD炉抽真空:在VD抽真空过程中，仅吹氩气搅拌，达到规定的高真空下保持规定的时间后破除真空，一般情况下，在67Pa以下保持时间12～18分钟后破除真空；由于LF精炼过程与VD炉抽真空过程均是吹氩气搅拌，钢中氮含量低，因此VD抽真空过程中，能够防止钢与渣喷溅严重的问题，降低安全隐患；

D、破除真空之后，取样分析钢中氮含量，随即将吹氩气改为吹氮气，流量控制在6～8Nl/min/t钢；当钢中氮含量为50～100ppm，则吹氮时间控制在20～25min；当钢中氮含量为100～150ppm，则吹氮时间控制在15～20min；

E、吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量，正常情况下，此时钢中氮含量能达到350～550ppm，若钢中氮含量低于目标含量，则按照流量6～8Nl/min/t钢补吹氮气，根据步骤D的增氮速度，确定需要补吹

氮气的时间，一般补吹时间不超过5min就可达到目标含量，吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量；步骤D的增氮速度根据破空后钢中的氮含量、吹氮时间、吹氮结束后钢中的氮含量计算；

F、当钢中氮含量达到目标含量后，改吹氩气来调整钢水温度，当满足规定的钢水温度要求后，出钢送浇注。浇注可以是连铸或模注，按常规工艺要求执行即可。

下面的实施例中：[N]指氮含量。

实施例1

某公司，采用电炉炼钢厂生产P91钢，目标氮含量为350～550ppm，工艺流程为:70t电炉超高功率电弧炉初炼→LF炉精炼→VD真空精炼→浇连铸。生产过程:

电炉初炼：按冶炼工艺要求配料进行冶炼，终点C为0.020％、终点P为0.002％、终点温度1620℃，出钢加入配料Al块、SiAlBaCa、低碳FeMn，出钢量61.2吨；

LF精炼：全程吹氩气，采用低碳铬铁将Cr成分调整到位，同时将C、Mo、Nb、Ni、Mn、Si等元素调整到位，LF终点化学成分的重量百分比为(％)：C:0.100、Si:0.46、Mn:0.52、P:0.008、S:0.003、V:0.224、Ni:0.15、Cr:8.64、Mo:0.96、Nb:0.086、Al:0.019、余量为Fe，LF终点温度1697℃，终点[N]为110ppm。

VD处理：吊包入罐，开启吹氩气，液面呈蠕动状态，测温1690℃，合罐盖抽真空，达到67Pa后，逐步提高吹氩气流量，在67Pa下保持时间16分钟，破空；测温1633℃，取成分样和气体样，成分的重量百分比为(％)：C:0.104、Si:0.45、Mn:0.52、P:0.008、S:0.003、V:0.221、Ni:0.15、Cr:8.66、Mo:0.97、Nb:0.088、Al:0.016、余量为Fe，此时钢中[N]含量为82ppm。停止吹氩气，改吹氮气，流量490Nl/min(约6.8Nl/min/t钢)，吹氮气时间21分钟后，停止吹氮，改吹氩气3分钟，取气体样分析，[N]达到400ppm，满足目标要求。测温1595℃，调整吹氩气流量静吹，保持液面呈蠕动状态，静吹氩气16分钟，测温1573℃，出钢吊往连铸。

实施例2

某公司，采用电炉炼钢厂生产P91钢，目标氮含量为350～550ppm，工艺流程为:70t电炉超高功率电弧炉初炼→LF炉精炼→VD真空精炼→浇连铸。生产过程:

电炉初炼：按冶炼工艺要求配料进行冶炼，终点C为0.023％、终点P为0.002％、终点温度1632℃，出钢加入配料Al块、SiAlBaCa、低碳FeMn，出钢量61.5吨；

LF精炼：全程吹氩气，采用低碳铬铁将Cr成分调整到位，同时将C、Mo、Nb、Ni、Mn、Si等元素调整到目标含量，LF终点化学成分的重量百分比为(％)：C:0.097、Si:0.48、Mn:0.53、P:0.009、S:0.002、V:0.218、Ni:0.14、Cr:8.67、Mo:0.94、Nb:0.087、Al:0.022、余量为Fe，LF终点温度1700℃,终点[N]为145ppm。

VD处理：吊包入罐，开启吹氩气，液面呈蠕动状态，测温1694℃，合罐盖抽真空，达到67Pa后，逐步提高吹氩气流量，在67Pa下保持时间17分钟，破空。测温1638℃，取成分样分析，成分的重量百分比为(％)：C:0.101、Si:0.46、Mn:0.53、P:0.009、S:0.002、V:0.220、Ni:0.14、Cr:8.66、Mo:0.96、Nb:0.088、Al:0.018、余量为Fe，钢中[N]为110ppm。停止吹氩气，改吹氮气，流量500Nl/min(约6.9Nl/min/t钢)，吹氮气时间18分钟后，停止吹氮，改吹氩气3分钟，取气体样分析，[N]为345ppm。测温1612℃，补吹氮3分钟，改吹氩气2分钟，再取气体样分析，[N]为385ppm，满足要求。测温1588℃，调整吹氩气流量静吹，保持液面呈蠕动状态，静吹氩气14分钟，测温1569℃，出钢吊往连铸。

实施例3

采用电炉炼钢厂生产P91钢，目标氮含量为350～550ppm，工艺流程为:70t电炉超高功率电弧炉初炼→LF炉精炼→VD真空精炼→浇连铸。生产过程:

电炉初炼：按冶炼工艺要求配料进行冶炼，终点C为0.025％、终点P为0.003％、终点温度1632℃，出钢加入配料Al块、SiAlBaCa、低碳FeMn，出钢量60.1吨；

LF精炼：全程吹氩气，采用低碳铬铁将Cr成分调整到位，同时将C、Mo、Nb、Ni、Mn、Si等元素调整到目标含量，LF终点化学成分的重量百分比为(％)：C:0.098、Si:0.47、Mn:0.55、P:0.009、S:0.003、V:0.208、Ni:0.14、Cr:8.63、Mo:0.94、Nb:0.089、Al:0.019、余量为Fe，LF终点温度1705℃,终点[N]为77ppm。

VD处理：吊包入罐，开启吹氩气，液面呈蠕动状态，测温1692℃，合罐盖抽真空，达到67Pa后，逐步提高吹氩气流量，在67Pa下保持时间16分钟，破空。测温1628℃，取成分样分析，成分的重量百分比为(％)：C:0.103、Si:0.46、Mn:0.55、P:0.009、S:0.002、V:0.210、Ni:0.14、Cr:8.64、Mo:0.96、Nb:0.088、Al:0.013、余量为Fe，此时钢中[N]为61ppm。停止吹氩气，改吹氮气，流量555Nl/min(约7.8Nl/min/t钢)，吹氮气时间24分钟后，停止吹氮，改吹氩气3分钟，取气体样分析，[N]达到395ppm，满足要求。测温1590℃，调整吹氩气流量静吹，保持液面呈蠕动状态，静吹氩气15分钟，测温1572℃，出钢吊往连铸。

实施例4

采用电炉炼钢厂生产P91钢，目标氮含量为350～550ppm，工艺流程为:70t电炉超高功率电弧炉初炼→LF炉精炼→VD真空精炼→浇连铸。生产过程:

电炉初炼：按冶炼工艺要求配料进行冶炼，终点C为0.022％、终点P为0.003％、终点温度1625℃，出钢加入配料Al块、SiAlBaCa、低碳FeMn，出钢量60.9吨；

LF精炼：全程吹氩气，采用低碳铬铁将Cr成分调整到位，同时将C、Mo、Nb、Ni、Mn、Si等元素调整到位，LF终点化学成分的重量百分比(％)：C:0.101、Si:0.48、Mn:0.52、P:0.008、S:0.003、V:0.214、Ni:0.15、Cr:8.65、Mo:0.97、Nb:0.087、Al:0.015、余量为Fe，LF终点温度1695℃，终点[N]为175ppm。

VD处理：吊包入罐，开启吹氩气，液面呈蠕动状态，测温1683℃，合罐盖抽真空，达到67Pa后，逐步提高吹氩气流量，在67Pa下保持时间15分钟，破空；测温1621℃，取成分样和气体样，成分的重量百分比为(％)：C:0.105、Si:0.47、Mn:0.53、P:0.009、S:0.003、V:0.211、Ni:0.15、Cr:8.66、Mo:0.97、Nb:0.088、Al:0.011、余量为Fe，钢中[N]为130ppm。停止吹氩气，改吹氮气，流量510Nl/min(约7.3Nl/min/t钢)，吹氮气时间16分钟后，停止吹氮，改吹氩气3分钟，取气体样分析，[N]达到380ppm，满足要求。测温1592℃，调整吹氩气流量静吹，保持液面呈蠕动状态，静吹氩气17分钟，测温1573℃，出钢吊往连铸。

Claims (1)

1.一种控制高温合金钢P91中氮含量的方法，工艺流程为：电炉或转炉初炼→LF炉精炼→VD炉抽真空→浇注，其特征在于：在LF炉精炼与VD炉抽真空过程中均吹氩气，仅在VD炉抽真空结束后，通过钢包底部透气砖向钢中吹入氮气来增加钢中的氮含量，使钢中的氮含量达到目标含量，具体包括以下步骤：

A、电炉或转炉初炼；

B、LF炉精炼:全程吹氩气搅拌，加入普通铬铁合金将Cr成分调整到目标含量，同时，将钢中除N含量外的其它各种成分调整到目标含量，当LF终点温度达到1695℃～1705℃后出钢送VD炉抽真空；

C、VD炉抽真空:在VD抽真空过程中，仅吹氩气搅拌，达到规定的高真空下保持规定的时间后破除真空；

D、破除真空之后，取样分析钢中氮含量，随即将吹氩气改为吹氮气，流量控制在6～8Nl/min/t钢；当钢中氮含量为50～100ppm，则吹氮时间控制在20～25min；当钢中氮含量为100～150ppm，则吹氮时间控制在15～20min；

E、吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量，若钢中氮含量低于目标含量，则按照流量6～8Nl/min/t钢补吹氮气，根据步骤D的增氮速度，确定需要补吹氮气的时间，吹氮气结束后，改吹氩气搅拌2～3min，然后取样分析钢中氮含量；

F、当钢中氮含量达到目标含量后，改吹氩气来调整钢水温度，当满足规定的钢水温度要求后，出钢送浇注。