CN105908101A - 一种超低碳氮钢及制备方法 - Google Patents

一种超低碳氮钢及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料技术领域，尤其涉及一种超低碳氮钢及制备方法，其特征在于：以超低碳氮钢总量计，所述C≤0.030，Si≤0.75，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr 18.00‑20.00，Ni 8.00‑12.00，N≤0.10，其余为Fe，计量单位为重量%。钢中碳和氮含量低，方法简单，易操作，成本低，产品性能质量高，提高脱碳速度，缩短冶炼时间。

Description

一种超低碳氮钢及制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，尤其涉及一种超低碳氮钢及制备方法。
背景技术
在不锈钢的二步法冶炼流程中，AOD作为一种氩氧脱碳炉被很多厂家采用。AOD的吹炼方式是通过炉侧喷吹氩气与氧气的混合气体进行，因此，侧吹的方式与强度不仅对溶池内的物理化学现象产生重要的影响，而且也直接影响炉衬的寿命和生产成本。
来自独联体的GOR气氧冶炼技术，经过十几年探索，已在俄、乌等国用于新厂建设和老厂改造，其优点是炉料选择宽，可使用价格便宜的高碳铬铁替代费用较高的中低碳铬铁，大量使用碳素废钢。但是从世界范围来看，GOR的使用数量远远不能和AOD相比，对GOR的研究也相对较少。
GOR转炉由于炉型的不同，对冶炼工艺的控制水平也要求较高。尤其是氧气、氮气、氩气的吹入制度，氮氩切换点和脱碳的相互影响等都是和AOD转炉冶炼有着很大区别。GOR与AOD最为显著的不同点一是AOD出钢方式采用钢渣混出而GOR则采用出钢口单独出钢，二是AOD采用侧吹喷嘴，GOR采用底吹喷嘴，喷嘴布置位置的不同也导致炉内钢渣流动以及各阶段反应的不同。比如GOR转炉的搅拌是由安装在转炉底部的五只吹氩管道进行的，而AOD的搅拌是由安装在转炉侧面的喷嘴，甚至有些AOD转炉还安装了顶部氧枪。所以说，GOR的控制难度更大，要求也更高。
由于GOR炉形特殊性、以及炉底枪分布导致GOR流场与AOD（国内及国际生产不锈钢主流设备）流场相比不利于脱碳，所以目前主要存在、同时也是长期困扰的问题是GOR转炉脱碳能力差、无法实现低碳钢冶炼。
随着人们对不锈钢产品质量日益严格的要求，不锈钢中的氮的控制作为其中一项要求备受关注。根据钢种用途的不同，有的钢种需要氮的含量很低，有的钢种则要求很高的氮含量。这就要求我们能在冶炼过程中充分的控制氮的含量，需要研究清楚氮进入钢液以及脱除的机理。对于脱氮，由于GOR转炉脱氮氩气消耗量大且波动范围也大，例氩气消耗量约为10～14Nm3 /t钢，平均12.5Nm3/t钢，成品氮为0.45～0.055%，最低约为0.045%，这表明目前GOR脱氮能力差且氮含量控制不稳定，即使采取大量供氩的方式（GOR全程吹氩）依然无法确保钢中氮含量达到一个较低的水平。
所以，制备出超低碳氮钢以及如何制备出超低碳氮钢，且要有好的效果，是目前所需。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种超低碳氮钢及制备方法，钢中碳和氮含量低，方法简单，易操作，成本低，产品性能质量高，提高脱碳速度，缩短冶炼时间。
解决以上技术问题的一种超低碳氮钢，其特征在于：以超低碳氮钢总量计，所述C≤0.030，Si≤0.75，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr 18.00-20.00，Ni 8.00-12.00，N≤0.10，其余为Fe，计量单位为重量%。
所述C：0.015-028，Si 0.4-0.75，Mn 1-1.3，P≤0.045，S≤0.005，Cr 18.00-18.40，Ni 8.00-8.1，N 0-0.05，其余为Fe，计量单位为重量%。
所述C：0.015，N：0，计量单位为重量%。
本发明中的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）配料准备：准备冶炼中所需原料；Si≤0.180，碱度1.45±0.3，转炉冷料比为10±3%；
（2）中频炉或/和电炉冶炼：扒渣后温度≥1520℃；
（3）GOR精炼炉：高炉铁水经过脱硫、脱硅、脱磷处理后，兑入到GOR转炉中，GOR钢水进炉温度＞1450℃，渣层厚度控制230-300mm；
（4）LF炉精炼：LF入工位温度＞1550℃， C≤0.020%、Si≥0.45%，渣厚250mm，
萤石块加入量＜200Kg/炉；
（5）连铸：将精炼后的钢水连续铸造成所需钢坯；中包浇注温度1490~1505℃，目标拉速1.00m/min；转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。
（6）精整修磨后进行轧制。
所述步骤（2）中C：3.5～4.0%；Cr：范围按配料要求±0.8% ；Ni：范围按配料要求±0.3%；Si：炉GOR吹300m3氧气后取样0.20～0.50%，GOR不吹氧取样0.50～0.70%；炉0.30～0.60%；S≤0.100%。
所述步骤（3）中使用活性石灰，石灰总加入量按终渣碱度1.68~1.80控制；对化学成分的要求是：P＜0．03％；S＜0．045％；C不限制；Si＜0．2％；Mn＜1．0％。GOR碱度控制偏高、影响炉渣粘度，影响LF送电量，不利于LF防止增碳。
所述步骤（3）中GOR精炼炉的冶炼，分为三个阶段，氧化一期、氧化二期和一个还原期：
氧化一期配气制度为氧气主管15-80/min,氮气主管0-60 /min，氮气环缝10-20/min，温度控制要求：≥1680℃，碳含量：＜0.10%；
氧化二期配气制度为氧气主管10-20 /min,氮气主管40-60 /min，氮气环缝10-20/min；
还原期配气制度为氩气40-50 /min，环缝10-20 /min。
合理制定GOR吹炼模式及终点C的控制对保证低碳不锈钢种碳成分达到要求具有重要作用，因此GOR冶炼超低碳工艺的制定至关重要。
优化方案中，所述还原期加入萤石块，采用低碳硅铁、低碳硅锰进行还原，低碳硅铁或低碳硅锰中碳含量≤0.10%，石灰在氧化一期分批全部加入；萤石块加入量＜200Kg/炉，为渣量的6～10%，加入时间为加放还原剂后2min内。
进一步优化方案中，所述步骤（3）中GOR精炼炉的冶炼，分为四个阶段，氧化一期、氧化二期氧化三期和一个还原期，当C＜0.04%时进入氧化三期，还原前2min关闭氧气余氧脱碳，出钢前补加合金搅拌时间＞4min方可出钢；其中，配气模型：氧气总用量为100 ，具体吹氧控制分三次，第一次流量10 /min，时间2min；第二次流量8 /min，时间5min；第三次流量5 /min，时间8min。
本发明中还有优化方案中，所述步骤（3）GOR精炼炉中的氧化一期温度≥1720℃，吹氩量≥1000 。
本发明中GOR转炉精炼不锈钢工艺是在转炉内进行高合金熔体脱碳、还原、合金化，最终使钢水的化学成份和温度都达到指定标准。其冶炼过程可以分三期，即二个氧化期、一个还原期。在第一阶段，中心管吹入氧气，环逢吹入保护气体，对电炉初钢液进行脱硅、脱碳和升温，在此阶段按照钢种要求进行合金的配加，并且加入石灰进行造渣；在第二阶段，通过专门的配气程序调整中心管氧气与环缝氮气的比例来降低炉内CO分压，以达到“降碳保铬”的目的，并进行深脱碳；在第三阶段，向转炉熔池吹入纯氩（或氮），加入硅铁进行还原脱氧，并加入萤石造还原渣，进行富铬渣的还原，并加入电解锰等金属合金料合金化。
本发明中钢中碳和氮含量低，方法简单，易操作，成本低，产品性能质量高，提高脱碳速度，缩短冶炼时间。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2-5为本发明中试验一到四的过程碳变化趋势图
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
一种超低碳氮钢，以超低碳氮钢总量计， C≤0.030，Si≤0.75，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr 18.00-20.00，Ni 8.00-12.00，N≤0.10，其余为Fe，计量单位为重量%。
具体制备方法如以下步骤：
（1）配料准备：准备冶炼中所需原料；Si≤0.180，碱度1.45±0.3，转炉冷料比为10±3%；
（2）中频炉或/和电炉冶炼：扒渣后温度≥1520℃；C：3.5～4.0%；Cr：范围按配料要求±0.8% ；Ni：范围按配料要求±0.3%；Si：炉GOR吹300 氧气后取样0.20～0.50%，GOR不吹氧取样0.50～0.70%；炉0.30～0.60%；S≤0.100%。
（3）GOR精炼炉：高炉铁水经过脱硫、脱硅、脱磷处理后，兑入到GOR转炉中，GOR钢水进炉温度＞1450℃，渣层厚度控制230-300mm；使用活性石灰，石灰总加入量按终渣碱度1.68~1.80控制；对化学成分的要求是：P＜0．03％；S＜0．045％；C不限制；Si＜0．2％；Mn＜1．0％。GOR碱度控制偏高、影响炉渣粘度，影响LF送电量，不利于LF防止增碳。
GOR精炼炉的冶炼，分为三个阶段，氧化一期、氧化二期和一个还原期：
氧化一期配气制度为氧气主管15-80 /min,氮气主管0-60 /min，氮气环缝10-20/min，温度控制要求：≥1680℃，碳含量：＜0.10%；
氧化二期配气制度为氧气主管10-20 /min,氮气主管40-60 /min，氮气环缝10-20/min；
还原期配气制度为氩气40-50 /min，环缝10-20 /min。
合理制定GOR吹炼模式及终点C的控制对保证低碳不锈钢种碳成分达到要求具有重要作用，因此GOR冶炼超低碳工艺的制定至关重要。
还原期加入萤石块，采用低碳硅铁、低碳硅锰进行还原，低碳硅铁或低碳硅锰中碳含量≤0.10%，石灰在氧化一期分批全部加入；萤石块加入量＜200Kg/炉，为渣量的6～10%，加入时间为加放还原剂后2min内。
（4）LF炉精炼：LF入工位温度＞1550℃， C≤0.020%、Si≥0.45%，渣厚250mm，
萤石块加入量＜200Kg/炉；
（5）连铸：将精炼后的钢水连续铸造成所需钢坯；中包浇注温度1490~1505℃，目标拉速1.00m/min；转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。
（6）精整修磨后进行轧制。
实施例2
一种超低碳氮钢，以超低碳氮钢总量计， C：0.015-028，Si 0.4-0.75，Mn 1-1.3，P≤0.045，S≤0.005，Cr 18.00-18.40，Ni 8.00-8.1，N 0-0.05，其余为Fe，计量单位为重量%。
具体制备方法如以下步骤：
（1）配料准备：准备冶炼中所需原料；Si≤0.180，碱度1.45±0.3，转炉冷料比为10±3%；
（2）中频炉或/和电炉冶炼：扒渣后温度≥1520℃；C：3.5～4.0%；Cr：范围按配料要求±0.8% ；Ni：范围按配料要求±0.3%；Si：炉GOR吹300 氧气后取样0.20～0.50%，GOR不吹氧取样0.50～0.70%；炉0.30～0.60%；S≤0.100%。
（3）GOR精炼炉：高炉铁水经过脱硫、脱硅、脱磷处理后，兑入到GOR转炉中，GOR钢水进炉温度＞1450℃，渣层厚度控制230-300mm；使用活性石灰，石灰总加入量按终渣碱度1.68~1.80控制；对化学成分的要求是：P＜0．03％；S＜0．045％；C不限制；Si＜0．2％；Mn＜1．0％。GOR碱度控制偏高、影响炉渣粘度，影响LF送电量，不利于LF防止增碳。
GOR精炼炉的冶炼，分为三个阶段，氧化一期、氧化二期和一个还原期：
GOR精炼炉的冶炼，分为四个阶段，氧化一期、氧化二期氧化三期和一个还原期，
氧化一期配气制度为氧气主管15-80 /min,氮气主管0-60 /min，氮气环缝10-20/min，温度控制要求：≥1680℃，碳含量：＜0.10%；
氧化二期配气制度为氧气主管10-20 /min,氮气主管40-60 /min，氮气环缝10-20/min；
当C＜0.04%时进入氧化三期，还原前2min关闭氧气余氧脱碳，出钢前补加合金搅拌时间＞4min方可出钢；其中，配气模型：氧气总用量为100m3，具体吹氧控制分三次，第一次流量10 /min，时间2min；第二次流量8 /min，时间5min；第三次流量5 /min，时间8min。
还原期配气制度为氩气40-50 /min，环缝10-20 /min。
还原期加入萤石块，采用低碳硅铁、低碳硅锰进行还原，低碳硅铁或低碳硅锰中碳含量≤0.10%，石灰在氧化一期分批全部加入；萤石块加入量＜200Kg/炉，为渣量的6～10%，加入时间为加放还原剂后2min内。
（4）LF炉精炼：LF入工位温度＞1550℃， C≤0.020%、Si≥0.45%，渣厚250mm，
萤石块加入量＜200Kg/炉；
（5）连铸：将精炼后的钢水连续铸造成所需钢坯；中包浇注温度1490~1505℃，目标拉速1.00m/min；转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工段就是将精炼后的钢水连续铸造成钢坯的生产工序，主要设备包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。
（6）精整修磨后进行轧制。
实施例3
一种超低碳氮钢，以超低碳氮钢总量计，C：0.015，N：0， Si≤0.75，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr 18.00-20.00，Ni 8.00-12.00，其余为Fe，计量单位为重量%。
所述C：0.015-028，Si 0.4-0.75，Mn 1-1.3，P≤0.045，S≤0.005，Cr 18.00-18.40，Ni 8.00-8.1，N 0-0.05，其余为Fe，计量单位为重量%。
具体制备方法如实施例2中的内容，其中区别在于步骤（3）GOR精炼炉中的氧化一期温度≥1720℃，吹氩量≥1000 。
以下试验内容为分别在8月、9月、10月和11月各进行了一轮超低碳试验，前三轮试验主要目的是开发GOR生产超低碳冶炼工艺。通过前三轮试验结果已经可以确定GOR生产超低碳冶炼工艺。第四轮试验是开发精炼和浇注过程涨碳控制工艺，确定GOR超低碳冶炼工业化生产工艺。
试验一
第一轮试验
过程碳变化趋势如图2
（备注：151822为第4连浇，251809为第5连浇。151822炉次深脱碳前钢样碳未分析出碳。一倒为氧化一期，深脱碳为氧化三期，中包为连铸，以下相同）
过程参数
GOR工序如表1：
表1
LF工序如表2：
表2
炉渣分析结果如表3：
表3
钢液Als、Alt分析结果如表4：
表4
氧氮含量分析结果如表5：
表5
分析及小结：
1）深脱C前取样喂铝线，保证样品可以分析出来。
2）151822涨C主要是LF炉渣高碱度太稠，加萤石球和送电太多造成。251809基本没涨碳，主要是送电少、驻包时间短。
3）GOR碱度控制偏高、影响炉渣粘度，影响LF送电量，不利于LF防止增碳。
4）GOR高富氧深脱碳并未造成GOR还原T.O异常。
5）因为本次试验GOR出钢温度高，成分控制较好，导致LF送电次数少，操作少，所以LF过程精炼效果明显，T.O含量下降幅度大，且在入工位T.O较低时依然可以大幅下降与LF精炼操作有直接关系。
本轮试验钢坯在本厂热轧酸洗后质量无异常。
试验二
第二轮试验
过程碳变化趋势如图3
（备注：本炉钢为第8连浇。）
过程参数
GOR工序如表6：
表6
LF工序如表7：
表7
钢液Als、Alt分析结果如表8：
表8
氧氮含量分析结果如表9：
表9
分析及小结：
1）深脱C前取样喂铝线，样品可以分析出来。
2）本次试验用萤石块，有限控制了GOR还原涨C。
3）本次试验出钢前加石灰脱硫，出钢过程涨C严重。
4）GOR高富氧深脱碳并未造成GOR还原T.O异常。
本轮试验钢坯在本厂热轧酸洗后质量无异常。
2）本轮试验钢A级品和B级品全部发天成，天成质量跟踪如下表10：
表10
试验三
第三轮试验
过程碳变化趋势如图4：
（备注：252388为第1连浇，152391为第2连浇。）
过程参数
GOR工序如表11：
表11
LF工序如表12：
表12
炉渣分析结果如表13：
表13
钢液Als、Alt分析结果表14：
表14
氧氮含量分析结果如表15：
表15
分析及小结：
1）一倒C偏高（尽量控制在0.10%以下）；若深脱碳前碳0.03%，则深脱碳15min，若深脱碳前碳0.04%考虑增加时间。
2）本次GOR一倒温度1700℃，证明可以达到深脱碳目的。
3）GOR碱度控制合适（炉渣粘稠合适），LF渣厚尽量控制在250以上。
质量跟踪：
本轮试验钢坯在本厂热轧酸洗后质量无异常。152391-1/2两支A坯发天成，其它都是B级品发华南。天成两卷压延厚度分布为0.42mm、0.35mm，表面检查脱皮很少，质量合格。
试验四
第四轮试验
过程碳变化趋势如图5
（备注：从GOR还原到连铸中间包涨碳在0.01%以内。）
过程参数
GOR工序如表16：
表16
（备注：152524和252526炉次深脱碳前碳为0.04%，深脱碳增加30方氧气（130 ）。）
LF工序如表17：
表17
备注：252526炉次GOR还原结束到LF入工位间隔60min（当班5钢包周转等钢包）。
炉渣分析结果如表18：
表18
钢液Als、Alt分析结果如表19：
表19
氧氮含量分析结果如表20：
表20
分析及小结：
1）通过本轮试验和第三轮试验表明GOR一倒碳须控制在0.10%以下，方可保证深脱碳达到要求。
2）一倒温度大于1680℃，证明可以达到深脱碳目的。
过程质量数据：钢样Als都在20ppm以上，Alt与Als差值为10ppm，成品钢液氧含量在30ppm左右，可以反映钢水纯净度控制较好；天成使用两卷，压延厚度分布为0.42mm、0.35mm，表面检查脱皮很少，质量合格。
GOR终点碳控制检测结果如表21：
表21
试验钢坯在本厂热轧酸洗后质量无异常。发广汉天成试验卷冷轧压延后，表面检查脱皮很少，质量合格。
试验五
GOR超低氮冶炼工艺工业实验
研究期间在GOR六个班组每班进行了一炉高温脱氮试验，要求一倒温度达到1720℃以上，且是一次性达到，一次性吹氩量达到1000 以上。具体试验过程数据如下表22所示：
表22
GOR超低氮冶炼测试结果
GOR提温脱氮试验结果检测使用分析精度更高的氮氧仪进行精确分析，检测结果如下表23所示：
表23
（注：光谱精度：0.050%；N/O仪精度：0.0497%。）
试验结果显示GOR提温控氮效果明显，通过严格控制还原吹氩制度，总用Ar量控制在1500 左右，成品N在0.025%以下。总用Ar量控制在1000 左右，成品N在0.030%以下。且GOR出钢前加合金对N无影响，GOR出钢过程和LF精炼过程无增氮现象。

Claims (10)

1.一种超低碳氮钢，其特征在于：以超低碳氮钢总量计，所述C≤0.030，Si≤0.75，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr 18.00-20.00，Ni 8.00-12.00，N≤0.10，其余为Fe，计量单位为重量%。
2. 根据权利要求1中所述的一种超低碳氮钢，其特征在于：所述C：0.015-028，Si 0.4-0.75，Mn 1-1.3，P≤0.045，S≤0.005，Cr 18.00-18.40，Ni 8.00-8.1，N 0-0.05，其余为Fe，计量单位为重量%。
3.根据权利要求2中所述的一种超低碳氮钢，其特征在于：所述C：0.015，N：0，计量单位为重量%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）配料准备：准备冶炼中所需原料；Si≤0.180，碱度1.45±0.3，转炉冷料比为10±3%；
（2）中频炉或/和电炉冶炼：扒渣后温度≥1520℃；
（3）GOR精炼炉：高炉铁水经过脱硫、脱硅、脱磷处理后，兑入到GOR转炉中，GOR钢水进炉温度＞1450℃，渣层厚度控制230-300mm；
（4）LF炉精炼：LF入工位温度＞1550℃， C≤0.020%、Si≥0.45%，渣厚250mm，
萤石块加入量＜200Kg/炉；
（5）连铸：将精炼后的钢水连续铸造成所需钢坯；中包浇注温度1490~1505℃，目标拉速1.00m/min；
（6）精整修磨后进行轧制。
5. 根据权利要求4中所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中C：3.5～4.0%；Cr：范围按配料要求±0.8% ；Ni：范围按配料要求±0.3%；Si：炉GOR吹300氧气后取样0.20～0.50%，GOR不吹氧取样0.50～0.70%；炉0.30～0.60%；S≤0.100%。
6.根据权利要求4中所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中使用活性石灰，石灰总加入量按终渣碱度1.68~1.80控制；对化学成分的要求是：P＜0．03％；S＜0．045％；C不限制；Si＜0．2％；Mn＜1．0％。
7.根据权利要求4中所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中GOR精炼炉的冶炼，分为三个阶段，氧化一期、氧化二期和一个还原期：
氧化一期配气制度为氧气主管15-80 /min,氮气主管0-60 /min，氮气环缝10-20 /min，温度控制要求：≥1680℃，碳含量：＜0.10%；
氧化二期配气制度为氧气主管10-20 /min,氮气主管40-60 /min，氮气环缝10-20/min；
还原期配气制度为氩气40-50 /min，环缝10-20 /min。
8.根据权利要求7所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述还原期加入萤石块，采用低碳硅铁、低碳硅锰进行还原，低碳硅铁或低碳硅锰中碳含量≤0.10%，石灰在氧化一期分批全部加入；萤石块加入量＜200Kg/炉，为渣量的6～10%，加入时间为加放还原剂后2min内。
9. 根据权利要求4或5中所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中GOR精炼炉的冶炼，分为四个阶段，氧化一期、氧化二期氧化三期和一个还原期，当C＜0.04%时进入氧化三期，还原前2min关闭氧气余氧脱碳，出钢前补加合金搅拌时间＞4min方可出钢；其中，配气模型：氧气总用量为100 ，具体吹氧控制分三次，第一次流量10 /min，时间2min；第二次流量8 /min，时间5min；第三次流量5 /min，时间8min。
10.根据权利要求4所述的一种超低碳氮钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）GOR精炼炉中的氧化一期温度≥1720℃，吹氩量≥1000 。
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