專利名稱：：鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及不銹鋼的冶煉技術，特別涉及鋼包爐(LF)冶煉含氮不銹鋼生產的鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝。
背景技術：
：不銹鋼是指具有抵抗大氣、酸、堿和鹽等腐蝕作用的合金鋼的總稱。通常所說的"不銹鋼"是指其抗腐蝕性能，可歸因于在氧化的環境中，形成一層氧化鉻表面膜，這層薄膜具有不溶解、能自行恢復和無氣孔的特點。氬氧脫碳爐(AOD)是生產不銹鋼的主要精煉手段之一。目前世界上88%不銹鋼采用二步法生產，其中76。/。是通過AOD爐生產。鋼包爐(LF爐)是設置在AOD爐與連鑄之間的精煉設備之一，它順暢地連接這兩個生產過程，提高兩個過程的生產率，在提高鋼質量、擴大品種、優化工藝、降低消耗等方面發揮著巨大作用，是現代不銹鋼煉鋼不可缺少的重要工序。不銹鋼的分類通常以金相組織進行分類鐵素體不銹鋼；奧氏體不銹鋼；馬氏體不銹鋼；奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，奧氏體-馬氏體雙相不銹鋼；沉淀硬化不銹鋼。而奧氏體不銹鋼又根據氮含量不同，可分為控氮型、中氮型、高氮型三種含氮奧氏體不銹鋼。氮在含氮奧氏體不銹鋼中的有益作用(1)氮是最有效的固溶強化元素。氮在奧氏體不銹鋼中的有利作用主要是由固溶在鋼中的氮元素產生。(2)氮在擴大奧氏體區和穩定奧氏體的作用相當Ni的25倍左右。目前有些鋼種開始采用廉價的氮，錳來代替貴重的鎳來生產奧氏體不銹鋼。(3)氮可以細化晶粒。在熱處理過程中氮化物粒子可以阻止了奧氏體的長大，還有利于鋼的表面滲碳、碳氮共滲，可以改善鋼的表面性能。(4)氮可以明顯提高不銹鋼耐一般腐蝕、點蝕、應力腐蝕和晶間腐3蝕性能。(5)氮作為奧氏體形成元素對雙相不銹鋼有重要作用。AOD爐冶煉含氮不銹鋼的氮合金化工藝主要有兩種1)吹氮氣進行合金化；2)加入氮化合金進行合金化。后一種工藝在AOD的應用有成本高、氮含量不易控制的缺點。而完全氮氣合金化工藝的開發與應用，同AOD可以靈活用氣的冶金特性相一致，具有生產成本低、可生產高氮含量產品的顯著優點，但其難點是在AOD爐中精確控制氮含量。目前，國內外用氮氣進行氮合金化工藝都只是在AOD爐里，在冶煉過程中氮氣/氧氣混吹的氣相合金化。中國專利CN02135251.8公開的"AOD爐用氮氣進行氮合金化工藝"，其包括下列兩個步驟(l)氮氣在不銹鋼中的溶解過程，即在整個冶煉過程吹氬氣前一直往AOD爐中吹入氮氣進行冶煉，使氮在不銹鋼中達到飽和；(2)—部分氮原子的脫除過程，即應用氬氣氣泡精煉理論，脫除一部分氮含量，使鋼中溶解的氮含量達到鋼種所要求的范圍之內，也就是根據鋼種不同，在出鋼前往AOD爐中吹入不同時間(或吹入量)的氬氣。應用氮氣在AOD爐中溶解與脫除理論，調節氮、氬氣吹入量，生產含氮不銹鋼和雙相鋼，代替原氮化合金增氮的工藝，降低了含氮不銹鋼的生產成本。但是AOD爐內反應動力學條件非常好，很短的時間內吹一定量的氬氣或氮氣，就會導致鋼水中的氮急劇變化，要想精確控制氮含量在士50ppm還是比較困難。LF爐(爐外精煉設備)具有如下功能(1)攪拌功能，均勻鋼水成分和溫度，促進夾雜物上浮和鋼渣反應；(2)鋼水升溫和控溫功能，精確控制鋼水溫度；(3)精煉功能，包括渣洗、脫氧、脫氣、脫硫，去除夾雜物和夾雜物變性處理等；(4)合金化功能(包括喂線)，對鋼水進行窄成分控制；(5)生產調節功能，均衡煉鋼一連鑄生產。LF爐都是用各種相應的合金來進行合金化，有如下弊端(1)氮化合金不是純金屬，含有雜質，添加較多的氮化合金會污染不銹鋼鋼水，影響鋼水純凈度，因而會影響鋼水質量。(2)如果冶煉初始，離氮含量目標值較大，需添加較多的氮化合金，這會造成其他合金成分的波動而超標，導致不銹鋼成分不合格。(3)氮化合金價格比較貴，添加較多的氮化合金，成本明顯增加。(4)由于不銹鋼渣殼很硬，添加氮化合金時，部分氮化合金常常加在渣殼上，不能熔入鋼水，導致氮的收得率不穩定，而且氮成分不均勻。
發明內容本發明的目的在于開發一種鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝，對現有不銹鋼生產工藝中鋼包爐(LF)增加底吹氮氣進行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不銹鋼在LF爐能持續穩定地進行氮合金化，提高鋼水純凈度，從而提高鋼水質量，提高含氮不銹鋼煉成率，降低生產成本。本發明是在鋼包爐(LF爐)工位，增設一路氮氣管，平行于原有鋼包爐底吹氬氣管，增加相應的氮氣管控制系統，可以切換氮氣、氬氣，利用鋼包爐原有的透氣塞，在冶煉含氮不銹鋼時底吹氮氣，使LF爐能持續穩定地進行氮的合金化，提高鋼水純凈度，從而提高鋼水質量，提高含氮不銹鋼煉成率，降低生產成本。具體地，本發明的技術方案是鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝，其包括如下步驟a)冶煉含氮不銹鋼，在鋼包爐中控制除氮以外的鋼水成分到目標成分，鋼包爐鋼水處理量110t130t;吹氮起始溫度控制在精煉處理出站溫度以上30°C50°C;b)LF爐冶煉含氮不銹鋼底吹氮氣時，每標準立方氮氣可增氮120ppm;其中，不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在3001000ppm時，氮氣增氮系數為100800ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在1001~2000ppm時，氮氣增氮系數為200900ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在20015000ppm時，氮氣增氮系數為3001200ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在50018000ppm時，氮氣增氮系數為4002000ppm/m3t;c)底吹氮氣進行微合金化處理，處理氣壓為大氣狀態，氮氣流量在6120m3/h，吹氮壓力0.60Mpa0.80Mpa;d)底吹氮氣結束后，底吹氬氣軟攪拌46分鐘，氬氣流量在2~20m3/h，充分攪拌，均勻不銹鋼成分和溫度。為實現精確控制冶煉過程的氮含量，利用氮含量計算軟件計算底吹氮氣量。實際操作中采用設定吹氮量，時間與吹氮量、氮氣流量有關。吹氮量和氣-鋼液界面積、鋼的質量、鋼液密度、表觀正反應速率常數、時刻鋼液內部氮濃度、時刻鋼液內部氮濃度、氮的溶解度、氮在鋼液中的傳質系數、氮的活度系數、吹氮流量、初始氮含量及與目標氮含量的差值有關系。滲氮百分量隨吹氣量增大而增大，同時Cr對其影響較大，滲氮素率隨Cr含量的增大而增大。溫度對不銹鋼的溶解度影響較大，隨溫度的升高，溶解度變小。冶煉含氮不銹鋼，在LF爐用氮氣進行合金化前，把除氮以外的成分控制到目標成分，鋼水處理量110t130t。由于LF爐底吹氮氣時鋼水有溫降，溫降有兩部分組成，一部分是鋼包吸熱，每分鐘降0.30.6。C;氮氣熔入鋼水是吸熱過程，底吹氮氣每分鐘降0.61.TC;所以吹氮起始溫度控制在精煉處理出站溫度以上30~50°C。由于滲氮百分量隨吹氮量增大而增大，同時鉻對其影響較大，滲氮速率隨鉻含量的增大而增大。溫度對不銹鋼的溶解度影響較大，隨溫度的升高，溶解度變小。LF爐冶煉含氮不銹鋼底吹氮氣時，每標準立方氮氣可增氮lppm20ppm，其中不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在3001000ppm時，氮氣增氮系數為100800ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在10012000ppm時，氮氣增氮系數為200~900ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在2001~5000ppm時，氮氣增氮系數為3001200ppm/m3t;不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在50018000ppm時，氮氣增氮系數為楊2000ppm/m3t。因此根據吹氮處理前的不銹鋼鋼水的成分、溫度、處理后不銹鋼目標氮含量，計算出氮氣噴吹量。底吹氮氣進行微合金化處理。底吹氮氣流量控制在鋼水不嚴重裸露為宜；處理氣壓為大氣狀態，氮氣流量在6120m3/h，吹氮壓力0.60Mpa0.80Mpa。底吹氮氣結束后，底吹氬氣軟攪拌46分鐘，氬氣流量在220mVh，充分攪拌，均勻不銹鋼成分和溫度。氮氣在AOD的主要作用是降低CO分壓從而脫碳保鉻，攪拌鋼水，改善冶金動力學條件，AOD冶煉后期用氮氣進行吹煉，在技術上不能滿足含氮不銹鋼在冶煉過程中氮的精確控制。而LF爐在底部通過透氣塞吹入氮氣，進行氮合金化，可以彌補AOD氮含量控制精度不高，可以替代和降低氮化合金(用于調整氮含量)的消耗，提高鋼水純凈度，從而提高鋼水質量，提高含氮不銹鋼煉成率，降低成本。國外含氮不銹鋼冶煉基本采用AOD氮含量爐內控制，精煉工位(LF、VOD)用氮化合金微調氮含量操作。本發明的有益效果與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)在LF爐，采用底吹氮氣進行合金化，根據處理前的奧氏體不銹鋼的氮成分和目標成分，由控氮軟件計算出噴吹流量和時間，計算機控制噴吹流量和時間。操作簡單、方便，從而使含氮不銹鋼在LF能持續穩定地進行氮的合金化。(2)LF爐用氮氣進行氮合金化工藝可以使氮含量控制精度比原來LF用氮化合金控制精度提高2030ppm，精確控制氮含量在目標值士50ppm。(3)氮氣增氮與氮化合金增氮相比，每增氮200ppm可降低成本100150元/噸，經濟效益顯著。(4)采用底吹氮氣進行合金化與添加氮化合金相比，底吹氮氣的重量可以忽略不計，不會造成其他鋼水成分的波動而超標，含氮不銹鋼煉成率可以得到保證。(5)采用底吹氮氣進行合金化與添加氮化合金相比，由于氮氣純度99.9%，不含有雜質，不會污染不銹鋼鋼水，不影響鋼水純凈度，鋼水質量明顯改善。(6)底吹氮氣，氮能完全熔入鋼水，氮收得率穩定。(7)由于底吹氮氣，可以攪拌鋼水，氮成分比較均勻。(8)氮氣價格低廉，成本可以忽略不計。具體實施方式下面結合實施例對本發明做進一步說明實施例11、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.036%0.040%(2)起始處理溫度1575。C1585。C(3)鋼水量110t130t2、LF處理實績大氣狀態0.69Mpa0.71Mpa59.5min6Q.7min39m3/h41m3/hh39.8Nm340.2Nm33、鋼種一在LF的氮氣微合金化成分刀、(1)處理氣壓<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例21、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.143%~0.144%(2)起始處理溫度1535°C1545°C(3)鋼水量110t130t2、LF處理實績大氣狀態0.68Mpa0.70Mpa5.7min6.4min119m3/h121m3/hh9.8Nm310.2Nm3的氮氣微合金化實績(1)處理氣壓(2)吹氮壓力(3)吹氮時間(4)吹氮流量(5)底吹氮氣』3、鋼種二在LF成分分析元素cSiMnSpCrNiMoCuN處理起始0.01700.5101.340.0010.02717.406.600.150.140.1435處理終點0.01680.5081.350.0010.02717.426.610.150.140.1450實施例31、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.118%0.122%(2)起始處理溫度1585°C1595°C(3)鋼水量110t130t2、LF處理實績(1)處理氣壓大氣狀態(2)吹氮壓力0.69Mpa0.71Mpa(3)吹氮時間49.8min50.2min(4)吹氮流量35m3/h38m3/h(5)底吹氮氣量29.8Nm3~30.2Nm33、鋼種三在LF的氮氣微合金化實績成分分析元素cSiMnSPCrNiMoN處理起始0.0220.571.40.0050.02021.525.072.860.120處理終點0.0210.581.40.0040.02121.535.072.860.150實施例41、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.236%~0.240%(2)起始處理溫度1535°C1545°C(3)鋼水量110t130t92、LF處理實績(1)處理氣壓大氣狀態(2)吹氮壓力0.70Mpa0.71Mpa(3)吹氮時間19.8min~20.2min(4)吹氮流量28m3/h31m3/h(5)底吹氮氣量9.8Nm310.2Nm33、鋼種四在LF的氮氣微合金化實績<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實施例51、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.430%0.440%(2)起始處理溫度1545°C1555°C(3)鋼水量110t130t2、LF處理實績(1)處理氣壓大氣狀態(2)吹氮壓力0.72Mpa0.74Mpa(3)吹氮時間21.4min21.8min(4)吹氮流量27m3/h29m3/h(5)底吹氮氣量9.8Nm310.2Nm:3、鋼種五在LF的氮氣微合金化實績<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實施例61、LF鋼水起始條件(1)起始氮含量0.6卯％0.700%(2)起始處理溫度1625。C1635。C(3)鋼水量110t130t2、LF處理實績(1)處理氣壓大氣狀態(2)吹氮壓力0.79Mpa0.81Mpa(3)吹氮時間89.6min~90.3min(4)吹氮流量19.8m3/h20.3m3/h(5)底吹氮氣量29.8Nm3~30.2Nm33、鋼種六在LF的氮氣微合金化實績成分分析元素cSiMnSPCrNiN處理起始0.1250.4314.960.0030.02722.560.30.696處理纟冬點、0.1250.4214.960.0030馬22.570.30.750從上述實施例可以看出，不同含量的奧氏體不銹鋼冶煉采用本發明的方法可以達到增氮效果。綜上所述，本發明對現有不銹鋼生產工藝中鋼包爐(LF)增加底吹氮氣進行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不銹鋼在LF爐能持續穩定地進行氮合金化，提高鋼水純凈度，從而提高鋼水質量，提高含氮不銹鋼煉成率，降低生產成本。ii權利要求1.鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝，其包括如下步驟a)冶煉含氮不銹鋼，在鋼包爐中控制除氮以外的鋼水成分到目標成分，鋼包爐鋼水處理量110t～130t；吹氮起始溫度控制在精煉處理出站溫度以上30℃～50℃；b)LF爐冶煉含氮不銹鋼底吹氮氣時，每標準立方氮氣可增氮1～20ppm；其中，不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在300～1000ppm時，氮氣增氮系數為100～800ppm/m3·t；不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在1001～2000ppm時，氮氣增氮系數為200～900ppm/m3·t；不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在2001～5000ppm時，氮氣增氮系數為300～1200ppm/m3·t；不銹鋼鋼水吹氮處理前氮含量在5001～8000ppm時，氮氣增氮系數為400～2000ppm/m3·t；c)底吹氮氣進行微合金化處理，處理氣壓為大氣狀態，氮氣流量在6～120m3/h，吹氮壓力0.60Mpa～0.80Mpa；d)底吹氮氣結束后，底吹氬氣軟攪拌4～6分鐘，氬氣流量在2～20m3/h，充分攪拌，均勻不銹鋼成分和溫度。全文摘要鋼包爐用氮氣進行氮合金化工藝，其包括如下步驟a)冶煉含氮不銹鋼，在鋼包爐中控制除氮以外的鋼水成分到目標成分；吹氮起始溫度控制在精煉處理出站溫度以上30℃～50℃；b)LF爐冶煉含氮不銹鋼底吹氮氣時，每標準立方氮氣可增氮1～20ppm；c)底吹氮氣進行微合金化處理，氮氣流量在6～120m³/h，吹氮壓力0.60～0.80MPa；d)底吹氮氣結束后，底吹氬氣軟攪拌4～6分鐘，氬氣流量在2～20m³/h，均勻不銹鋼成分和溫度。本發明對現有不銹鋼生產工藝中鋼包爐(LF)增加底吹氮氣進行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不銹鋼在LF爐能持續穩定地進行氮合金化，提高鋼水純凈度，從而提高鋼水質量，降低生產成本。文檔編號C21C7/00GK101538636SQ20081003482公開日2009年9月23日申請日期2008年3月19日優先權日2008年3月19日發明者竑劉,姜周華,鍔常,陽李,沈春飛,蔣興元,黃俊霞申請人:寶山鋼鐵股份有限公司;東北大學