CN105039649B

CN105039649B - 一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法

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Publication number: CN105039649B
Application number: CN201510471169.XA
Authority: CN
Inventors: 陈建斌; 孙功超; 陈麒忠; 栾怀壮; 李金光; 胡继业; 孙亚琴; 盛赵敏; 刘晓荣
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-08-04
Also published as: CN105039649A

Abstract

一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，将液态金属原料、锰铁、固态金属材料、造渣材料、增碳剂、石灰和/或白云石置于氩氧脱碳炉中，还包括一个脱碳的步骤，脱碳期开吹钢水中碳含量大于等于1.5%，钢水温度高于1450℃；脱碳期至少包含如下的一个阶段，第一阶段氧/氩比≤3:1，脱碳到0.8%~1.2%；第二阶段氧/氩比≤1:1，脱碳到0.5%~0.8%；第三阶段氧氩比≤1:4，脱碳到产品规格下限或下限减去0.1%~0.2%；然后停止吹氧，改吹氩气；还包括还原、脱硫、成分和温度调整的步骤，当碳含量为0.35%~1.5%，锰含量为10%~26%时出钢。本发明生产成本低，效率高，便于大规模生产。

Description

一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法

技术领域

本发明属于冶金领域，尤其涉及一种钢的冶炼方法，具体来说是一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法。

背景技术

汽车轻量化是减少汽车尾气排放、降低油耗，实现生产环境友好型汽车的目标的主要措施。孪晶诱导塑性(TWIP)钢具有强度和塑性的良好配合，是目前已提出的各种汽车用钢方案中最适合用作汽车用钢的新钢种。

就世界各国研究的各种TWIP钢体系而言，都集中在含锰18％～33％的高锰Fe-Mn-C基体系，在此基础上加入不同量的Al、Si、Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb、Cr等元素。其中：C 0.35％～1.05％、Mn 15％～26％、Si≤3.0％、Al≤0.050％、S≤0.030％、P≤0.080％、N≤0.1％，其余为铁和杂质的高碳高锰钢是现今最为典型的一类TWIP钢。

由于TWIP钢中含有大量的锰，锰具有与氧的亲和力比铁与氧的亲和力大得多的特点，如何低成本地进行合金化是其中一个十分重要的技术难题。

专利文献CN102312158A公开了一种Nb、Ti合金化低碳高强度高塑性TWIP钢及制备方法，采用感应炉进行熔炼。专利文献CN102690938A公开了一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中试生产方法，采用感应炉和电渣重熔炉双联熔炼TWIP钢。专利文献CN1743489A公开了一种高锰钢熔炼工艺及高锰钢铸件，采用感应炉进行熔炼含10％～14％Mn，1％～1.4％C的高锰钢。专利文献CN102286704A公开了一种耐磨抗腐蚀高锰钢及其制备方法，提供了含12％～14％Mn，1.2％～1.3％C的耐磨高锰钢的铸造、热处理工艺，没有提供冶炼方法。专利文献CN103484777A公开了一种奥氏体锰钢及其制备方法，采用感应炉熔炼含16％～19％Mn，0.9％～1.5％C的高锰钢。这些方法均不适合于大规模的生产，不能满足汽车行业对该钢种的需求。专利文献CN101191180A公开了一种含10.5％～20.0％Mn，1.0％～1.5％C的超高性能耐磨高锰钢及其生产方法，只提供了除锰以外的元素的合金化工艺。专利文献CN101191180A公开了一种含23.5％～24.4％Mn，0.55％～0.64％C的汽车用高锰钢及其制造方法，提供了轧制工艺，没有提供相应的冶炼方法。专利文献CN103468874A公开了一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，TWIP钢中含20％～30％Mn，C≤0.06％，采用金属锰或电解锰进行锰的合金化，原料成本高；采用氩氧脱碳炉的最高氧/氩比进行吹氧脱碳，锰、硅等与氧亲和力大的元素会大量氧化，收得率低。

如何降低高碳高锰TWIP钢生产过程中合金化的成本是一个十分重要的技术和生产问题。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，所述的这种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法解决了现有技术中的高锰TWIP钢冶炼时锰极易氧化，合金化时收得率低的技术问题，同时解决了高碳高锰TWIP钢大规模生产时成本高的技术问题。

本发明提供了一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，包括如下步骤：

1)一个装料的步骤，将液态金属原料、锰铁或者含锰材料、固态金属材料、造渣材料、增碳剂、石灰和/或白云石置于一个氩氧脱碳炉中；所述的液态金属原料为电弧炉、转炉、感应炉冶炼得到的高碳钢水、高炉冶炼得到的铁水、或者经铁水预脱磷和预脱硫处理后的铁水中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合；根据液态金属原料中锰的含量，用锰铁及其他含锰的固态金属材料将锰配到产品规格限内；根据液态金属原料中碳的含量及其他炉料带入的碳含量，用增碳剂，将碳的含量配到开吹钢水中碳含量要求的浓度以上；成品钢中除硅和铝以外的其他元素，用含该元素的固态金属材料配到产品规格的中下限；石灰和/或白云石的总加入量为装料重量的1～7％；

2)一个脱碳的步骤，脱碳期开吹钢水中碳含量大于或等于1.5％，钢水温度高于或等于1450℃；脱碳期至少包含下述三个阶段中的一个及一个以上的阶段，第一个阶段的氧/氩比≤3:1，脱碳到0.8％～1.2％；第二个阶段的氧/氩比≤1:1，脱碳到0.5％～0.8％；第三个阶段的氧氩比≤1:4，脱碳到产品规格下限或规格下限减去0.1％～0.2％；然后停止吹氧脱碳，改吹氩气；脱碳期的炉渣碱度，即CaO/SiO₂的质量分数比控制在0.8到2.5范围内，以加强脱磷；

3)一个还原步骤和一个脱硫的步骤，加入脱氧剂脱氧，所述的脱氧剂为铝锭、硅铁、硅钙、铝硅、铝钙和铝硅铁中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，所述的脱氧剂的加入量小于3.5kg/t钢水；扒除炉渣，然后加入还原期造渣用的石灰和萤石，还原期石灰的加入量为钢水重量的1～3％，还原期萤石加入量为钢水重量的1％以下；

4)一个成分和温度调整的步骤，按照产品中锰的规格成分中下限补加金属锰或电解锰调整锰的含量，其他合金元素用工业纯金属调整成分，当成分、温度达到要求时即可出钢，当C的质量百分含量在0.35％～1.05％之间、Mn的质量百分含量在15％～26％之间时，获得高碳高锰TWIP钢；当C的质量百分含量在0.9％～1.5％之间，Mn的质量百分含量在10～20％之间时，获得高碳高锰耐磨钢。

进一步的，在氩氧脱碳炉中还可以加入发热剂硅铁、铝、铝硅、铝钙、硅钙中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，根据液态钢水温度及其他冷料的加入量确定发热剂的加入量，各种发热剂的加入量低于20kg/t钢水。

进一步的，在氩氧脱碳炉中还可以加入生铁、废电极块、碳粉及其它增碳剂中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，以提高钢水中的碳含量。

进一步的，在装料步骤，锰铁进行锰的合金化，锰铁的加入量超过全部锰合金化用材料加入量的60％以上，其中锰铁包括高碳锰铁、中碳锰铁、低碳锰铁、或者微碳锰铁。

进一步的，吹炼之前一次性加入全部锰合金化用炉料，或加入全部锰合金化炉料量的60％以上，其中用于锰合金化的锰铁全部加入。

进一步的，吹炼之前加入的金属材料为硅铁、铝锭、铝硅、铝硅铁、硅锰合金、金属锰、电解锰、废钢或者所炼产品中包含的其他元素的合金化用材料中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合。

进一步的，为尽快成渣，便于脱磷，还可以加入吹氧阶段造渣用的造渣材料，为氧化铁鳞或者萤石中的任意一种或者两种，其中氧化铁鳞加入量小于或等于石灰和白云山总加入量的15％，萤石加入量为石灰和白云山总加入量的1/3以下。

进一步的，脱碳期开吹钢水中碳含量大于或等于2.0％，钢水温度高于或等于1500℃；脱碳期至少包含下述三个阶段中的一个及一个以上的阶段，第一个阶段的氧/氩比≤3:1，脱碳到0.8％～1％；第二个阶段的氧/氩比≤1:1，脱碳到0.5％～0.6％；第三个阶段的氧氩比≤1:4，脱碳到产品规格下限或规格下限减去0.1％～0.2％；然后停止吹氧脱碳，改吹氩气。

进一步的，所冶炼的合格高碳高锰含量钢水为汽车用高碳高锰孪晶诱导塑性钢(TWIP)、或者耐磨高锰钢；高锰TWIP钢中碳含量为0.35％～1.20％，锰含量为18％～33％；耐磨高锰钢中碳含量为0.9％～1.5％，锰的含量为10～20％。

本发明的用AOD炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法与现有技术相比较，其有益效果是：

(1)采用锰铁，特别是高碳锰铁进行锰的合金化，原料成本大大降低。

现有技术采用价格昂贵的金属锰或电解锰进行锰的合金化，本发明采用价格低廉的锰铁，特别是高碳锰铁进行合金化，可大大节省原料成本。

(2)AOD冶炼过程中锰的烧损低，合金元素的收得率高。

本发明在AOD的吹氧脱碳阶段，采用高的开吹碳含量，较高的温度，较低的氧/氩比进行吹炼，符合“去碳保锰”的热力学原理：

[C]+(MnO)＝CO(g)+[Mn]

锰的收得率可达92％以上。

(3)便于TWIP钢的低成本大规模工业生产，生产效率高，操作方便，工艺简单成熟。

利用本方法可大幅度降低氩氧脱碳炉冶炼的原料成本，显著提高锰合金化的收得率。生产的产品为碳的含量为0.35％～1.5％，锰含量为10％～33％的高锰高碳钢。代表性钢种为碳和锰含量在此范围内的高碳高锰TWIP钢及高碳高锰耐磨钢。高碳高锰TWIP钢主要成分为：C 0.35％～1.05％、Mn 15％～26％、Si≤3.0％、Al≤0.050％、S≤0.030％、P≤0.080％、N≤0.1％。高碳高锰耐磨钢主要成分：C 0.9％～1.5％，Mn 10～20％。

本发明采用钢铁厂现行成熟的生产设备进行大规模生产，效率高，操作方法、工艺成熟、操作方便，对原料的要求低，对原料适应性强。原料成本和操作成本均大幅度降低。

具体实施方式

实施例1：

向氩氧脱碳炉内加入200公斤石灰，兑入感应炉提供的钢水5.5吨，其成分如表1所示。

表1 AOD入炉钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S
					2.52	0.54	0.32	0.010	0.009

加入高碳锰铁3.1吨，加入硅铁40公斤，氧化脱碳期分两批加入石灰，每批加入200公斤，每批加入萤石30kg。

测温，温度1506℃。

采用2:1的氧/氩比进行吹氧脱碳，吹到钢水中碳含量为0.85％。改用1:3的氧/氩比进行吹氧脱碳，吹到钢水中碳含量为0.53％，加入石灰。改用1:6的氧/氩比进行吹氧脱碳，吹到钢水中碳含量为0.38％，测温1705℃。取样，钢水成分见表2。

表2 AOD吹氧脱碳期结束时的钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S	Al
						0.38	24.12	0.57	0.026	0.015	0.003

停吹氧气，只吹氩气，加入硅钙80公斤，硅钙粉50公斤进行脱氧。

扒除炉渣，造新渣。加入200公斤石灰，40公斤萤石。

加入FeSi75C硅铁230公斤。

取样，钢水成分见表3。测温，1634℃。

出钢。

表3 AOD吹氧脱碳期结束时的钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S	Al
						0.40	22.92	2.42	0.026	0.008	0.003

实施例2：

向氩氧脱碳炉内加入200公斤石灰，兑入感应炉提供的钢水5.4吨，其成分如表4所示。

表4 AOD入炉钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S
					2.5	0.46	0.23	0.012	0.006

加入高碳锰铁1.56吨，加入硅铁40公斤，氧化脱碳期分两批加入石灰，每批加入200公斤，每批加入萤石30kg。

测温，温度1513℃。

采用2:1的氧/氩比进行吹氧脱碳，吹到钢水中碳含量为0.92％。，测温1701℃。取样，钢水成分见表5。

表5 AOD吹氧脱碳期结束时的钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S	Al
						0.92	15.13	0.53	0.029	0.012	0.003

扒除炉渣，造新渣。加入200公斤石灰，40公斤萤石。

取样，钢水成分见表6。测温，1641℃。

出钢。

表6 AOD冶炼终点时的钢水成分(质量分数，％)

C	Mn	Si	P	S	Al
						0.93	13.95	0.64	0.027	0.007	0.003

Claims

1.一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）一个装料的步骤，将液态金属原料、锰铁、固态金属材料、增碳剂、氧化铁鳞或者萤石中的任意一种或者两种的混合、石灰和/或白云石置于一个氩氧脱碳炉中；所述的液态金属原料为电弧炉、转炉、感应炉冶炼得到的高碳钢水、高炉冶炼得到的铁水、或者经铁水预脱磷和预脱硫处理后的铁水中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合；所述的固态金属材料为硅铁、铝锭、铝硅、铝硅铁、硅锰合金、金属锰、电解锰、废钢或者所炼产品中包含的其他元素的合金化用材料中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合；根据液态金属原料中锰的含量，用锰铁及其他含锰的固态金属材料将锰配到产品规格限内；根据液态金属原料中碳的含量及其他炉料带入的碳含量，用增碳剂，将碳的含量配到开吹钢水中碳含量要求的浓度以上；成品钢中除硅和铝以外的其他元素，用含该元素的固态金属材料配到产品规格的中下限；石灰和白云石的总加入量为装料重量的1~7%；

2）一个脱碳的步骤，脱碳期开吹钢水中碳含量大于或等于1.5%，钢水温度高于或等于1450℃；脱碳期至少包含下述三个阶段中的一个及一个以上的阶段，第一个阶段的氧/氩比≤3:1，脱碳到0.8%~1.2%；第二个阶段的氧/氩比≤1:1，脱碳到0.5%~0.8%；第三个阶段的氧氩比≤1:4，脱碳到产品规格下限或规格下限减去0.1%~0.2%；然后停止吹氧脱碳，改吹氩气；脱碳期的炉渣碱度，即CaO/SiO₂的质量分数比控制在0.8到2.5范围内，以加强脱磷；

3）一个还原步骤和一个脱硫的步骤，加入脱氧剂脱氧，所述的脱氧剂为铝锭、硅铁、硅钙、铝硅、铝钙和铝硅铁中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，所述的脱氧剂的加入量小于3.5kg/t钢水；扒除炉渣，然后加入还原期造渣用的石灰和萤石，还原期石灰的加入量为钢水重量的1~3%，还原期萤石加入量为钢水重量的1%以下；

4）一个成分和温度调整的步骤，按照产品中锰的规格成分中下限补加金属锰或电解锰调整锰的含量，其他合金元素用工业纯金属调整成分，当成分、温度达到要求时即可出钢，当C 的质量百分含量在0.35%~1.05%之间、Mn的质量百分含量在15%～26%之间时，获得高碳高锰TWIP钢；当C 的质量百分含量在0.9%~1.5%之间，Mn的质量百分含量在10~20%之间时，获得高碳高锰耐磨钢。

2.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：在氩氧脱碳炉中还加入发热剂硅铁、铝、铝硅、铝钙、硅钙中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，根据液态钢水温度及其他冷料的加入量确定发热剂的加入量，各种发热剂的加入量低于20kg/t钢水。

3.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：在氩氧脱碳炉中还加入生铁、废电极块、碳粉及其它增碳剂中的任意一种或者两种以上的任意比例的混合，以提高钢水中的碳含量。

4.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：采用锰铁进行锰的合金化，锰铁的加入量超过全部锰合金化用材料的总加入量的60%以上，其中锰铁包括高碳锰铁、中碳锰铁、低碳锰铁、或者微碳锰铁。

5.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：吹炼之前一次性加入全部锰合金化用炉料，或加入全部锰合金化炉料量的60%以上，其中用于锰合金化的锰铁全部加入。

6.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：吹氧阶段造渣用氧化铁鳞加入量小于或等于石灰和白云石的总的加入量的15%，萤石加入量为石灰和白云石的总的加入量的1/3以下。

7.根据权利要求1所述的一种用氩氧脱碳炉冶炼高碳高锰含量钢水的方法，其特征在于：脱碳期开吹钢水中碳含量大于或等于2.0%，钢水温度高于或等于1500℃；脱碳期至少包含下述三个阶段中的一个及一个以上的阶段，第一个阶段的氧/氩比≤3:1，脱碳到0.8%~1%；第二个阶段的氧/氩比≤1:1，脱碳到0.5%~0.6%；第三个阶段的氧氩比≤1:4，脱碳到产品规格下限或规格下限减去0.1%~0.2%；然后停止吹氧脱碳，改吹氩气。