316LN不锈钢采用VOD工艺冶炼的控制要点.docx

316LN不锈钢采用VOD工艺冶炼的控制要点 　　 　　关键词：　316LN; 超低碳; VOD精炼; 控氮; 　　Abstract：　The important parameters of the VOD process and the control points of the nitrogen alloying process have been discussed. The 316 LN ultra-low carbon nitrogen control stainless steel has been produced by the process of30 t EBT + 40 t LF + bottom-blown nitrogen and nitrogen adjustment by chromium nitride + pouring by Ar gas protection. Good results have been achieved, and the composition has reached the standard. Various performance indicator of the product meets the technological requirements. 　　Keyword：　316LN; ultra-low carbon; VOD refining; nitrogen control; 　　316LN超低碳控氮奥氏体不锈钢在室温下呈奥氏体状态, 当钢中的氮含量达到一定量后, 在力学和耐腐蚀等方面具有优越的性能, 被广泛应用于石油化工、航海等领域, 同时也作为第三代核电站主管道用钢。

　　316LN钢的化学成分和力学性能要求分别见表1和表2 　　表1 316LN钢的化学成分要求 (质量分数, %) 　　表2 316LN钢的力学性能要求 　　1、 超低碳控制技术和控氮技术 　　316LN属于超低碳控氮奥氏体不锈钢, 钢中碳含量≤0.030%, 氮含量0.10%～0.16%, 采用常规电炉冶炼+LF精炼的工艺无法进行生产, 可采用VOD工艺冶炼, 在真空状态下利用超音速拉瓦尔氧枪向钢液中吹入氧气, 发生C-O反应, 可以在铬几乎不被氧化的情况下脱碳 　　1.1、 超低碳控制技术 　　(1) 脱碳反应热力学 　　VOD吹氧脱碳过程中碳氧反应冶金的热力学规律[1], [C]+[O]=CO↑上式的平衡常数为: 　　式中, K是钢液碳氧反应的平衡常数;a[C]、a[O]是钢液中C、O的活度 (%) ;PCO是真空中CO的分压 (Pa) ;T是钢液绝对温度 (K) 　　由上式可知, 为提高反应平衡常数, 加速脱碳反应可采取以下措施: 　　1) 提高钢水进站温度随着钢水温度的升高, 钢中的碳含量降低但开吹前钢水的温度也不宜过高, 温度过高容易造成耐火材料侵蚀严重。

　　2) 降低CO分压在钢水温度一定的前提下, 高铬钢水进行脱碳反应, 降低CO分压PCO, 钢水中碳含量也越低, 通过提高真空度降低CO分压考虑到真空吹氧过程中的喷溅问题, 吹氧过程真空度需要控制在合理的范围之内, 同时必须保证钢水表面尽可能无渣或者少渣, 进站前需进行避渣操作 　　(2) 脱碳反应动力学 　　当钢中碳含量接近碳氧平衡临界值时, 继续高强度吹氧, 脱碳速度降低, 同时铬的氧化加剧因此, 吹氧终点碳的控制是整个VOD精炼过程的关键在低碳区脱碳的限制环节为碳在钢水中的传质, 不取决于供氧强度为了加速低碳区脱碳, 应当采取以下措施: 　　1) 提高氩气流量, 增加钢水的搅拌强度, 以增大反应界面积和碳的扩散速度从钢包底部吹入氩气强烈搅拌可以促使碳优先去除 　　2) 提高真空度, 降低临界含碳量停氧后进一步提高真空度 (≤67Pa) , 降低CO分压, 加速C-O反应, 进一步降低钢水终点碳含量 　　1.2、 控氮技术 　　316LN不锈钢N含量在0.10%～0.16%, 而通常冶炼浇注的钢锭中N含量在0.010%左右, 要增加钢中氮含量, 主要采用以下两种途径: (1) 向钢液吹入氮气, 通过气体-熔体界面反应, 将氮气分子分解成熔体可以吸收的氮原子; (2) 通过向钢液中加入氮化合金进行成分调整。

由于氮化合金价格昂贵, 利用资源丰富且廉价的氮气作原料, 通过前期向钢液吹氮, 后期补加氮化合金的方法进行氮的合金化, 可大幅度降低含氮钢生产成本 　　氮在不锈钢液中溶解度的影响因素有:钢液温度、氮分压、钢液的化学成分在大气中冶炼时, 氮分压是恒定不变的, 因此氮在钢液中的溶解度与钢液温度和钢液的化学成分密切相关氮与大部分合金元素都可形成氮化物, 钢液中的Cr、Mn等合金元素可提高氮的溶解度, 所以随着Cr、Mn等元素含量的增加, 氮的溶解度也增加 　　生产试验150482F炉在钢液1640℃时分两批加入800 kg氮化铬, 氮的收得率为51.7%, 150483F炉在钢液1600℃以下分三批加入700 kg氮化铬, 取样氮的收得率为66.2%实践证明:在高铬钢中, 氮在钢液中的溶解度随温度升高而降低[2]因此避免钢液温度过高, 有利于稳定和提高氮的溶解度 　　2、 冶炼过程 　　2.1、 冶炼工艺流程 　　电炉冶炼→LF精炼→倒包除渣→VOD+VCD→微调成分→保护浇注 　　冶炼过程的关键环节为:真空吹氧脱碳、精炼还原以及钢液的氮合金化。

　　2.2、 真空吹氧脱碳和真空碳脱氧 　　除渣后的钢包放入VOD真空罐内, 启动真空泵抽真空, 同时包底吹氩气搅拌当真空度达到 (10 kPa～15 k Pa) 时开始吹氧脱碳, 根据氧浓差电势、CO浓度和废气分析结果控制VOD吹炼过程, 如图1所示按现有VOD冶炼设备确定开吹温度、真空度、氧枪高度、供氧强度、吹氩搅拌强度和真空碳脱氧制度等真空吹氧脱碳参数[3], VOD精炼过程参数见表3、4 　　表3 VOD精炼过程主要参数 　　表4 VCD精炼主要参数 　　从图1可以看出吹氧5 min后氧势迅速上升至峰值, CO浓度也快速增加, 表明碳氧激烈反应, 此时提高氧气流量至工艺最大值, 加大供氧强度, 提高脱碳速度;当碳含量接近临界值时, C-O反应趋缓, 氧势出现陡降、CO浓度也趋于初始值, 标志着在此真空状态下碳氧反应达到平衡, 这时迅速提高真空度, 缓吹3 min后停氧, 缓吹过程要降低氧气流量至工艺最小值, 以免造成大量的铬烧损;停氧后将进一步提高真空度 (≤67 Pa) , 加大氩气搅拌强度, 在高真空的作用下, 钢水中富余氧与碳继续反应, 进行真空碳脱氧, 此时氧势和CO浓度再次迅速升高, 当氧势和CO浓度从峰值快速下跌时, 说明钢水中的C-O反应渐渐趋于平衡, 表明钢水中的碳已经降到很低, 达到冶炼终点。

　　2.3、 精炼还原 　　脱碳结束后要向钢水中加入石灰、萤石等造渣材料和硅铁、铝和硅钙粉等还原剂, 进行脱氧和脱硫操作, 精炼过程要保证熔渣的碱度和流动性, 促使富铬渣充分还原, 精炼出钢前向钢液中喂入一定量的Si-Ca线, 可以使高熔点的Al2O3夹杂转变为低熔点低密度的钙铝酸盐夹杂, 使钢液脱氧完全且脱氧产物充分上浮, 脱氧剂加入量及脱氧效果如表5所示 　　图1 氧势、废气温度、真空度的变化 　　Figure 1 Variation of oxygen potential, exhaust gas temperature and vacuum degree 　　表5 钢水的脱氧效果 　　2.4、 氮合金化控制 　　VOD处理过程中, 由于真空下, 强烈的C-O反应生成CO气泡, 降低了钢中N的分压, 钢中的氮含量会明显降低, VOD终点时N含量为0.0186%包底吹氩置换为氮气, 钢液中氮溶解度随吹氮时间的变化如图2所示 　　图2 钢液中氮溶解度随吹氮时间的变化 　　Figure 2 Changes of nitrogen solubility with the nitrogen blowing time in molten steel 　　从图2可以看出, 钢液中氮溶解度随着吹氮时间的增加而增大, 且吹氮约25 min时钢液中的氮溶解度基本达到平衡。

吹氮30 min, 取样分析钢中氮含量为0.0483%钢水温度控制在1600℃以下分批加入氮化铬480 kg (氮含量为9.4%) , 包底转接氩气软吹10 min, 取样分析[N]为0.155%, 氮的收得率为81.3%吹氩气搅拌一方面为了均匀钢液的成分, 另一方面清除钢液中游离氮, 避免浇注时在钢锭中形成气泡 　　3、 冶金效果 　　3.1、 化学成分 　　超低碳奥氏体不锈钢316LN锻件化学成分见表6 　　表6 锻件化学成分 (质量分数, %) 　　3.2、 力学性能 　　超低碳控氮奥氏体不锈钢封头锻件如图3所示, 锻件经超声检测和液体渗透检测均满足技术要求 　　固溶热处理后进行了拉伸试验, 其结果均满足技术要求, 如表7所示 　　图3 超低碳不锈钢锻件 　　Figure 3 The forging of ultra-low carbon stainless steel 　　表7 锻件力学性能 　　表8 非金属夹杂物评级及晶粒度 　　图4 316LN钢的显微组织 　　Figure 4 The microstructure of 316LN steel 　　3.3、 高倍检验 　　非金属夹杂物的评级检验结果及晶粒度见表8。

　　固溶热处理后锻件试样的金相组织如图4所示, 全为奥氏体组织, 晶粒度达到4～5级 　　4、 结论 　　通过对316LN冶炼工艺技术问题的大量研究, 得出结论如下: 　　(1) 通过合理控制冶炼参数, VOD工艺生产316LN超低碳控氮型不锈钢取得了成功, 产品的化学成分及各项性能指标均满足技术要求 　　(2) 生产控氮型不锈钢采用底吹氮气和氮化铬调氮的方法, 氮的收得率较高且钢中氮含量稳定 　　(3) 采用硅铁、Al以及Si-Ca复合脱氧剂脱氧, 造较高碱度的还原渣、气体保护浇注等措施, 钢的夹杂物能满足技术要求 　　参考文献 　　[1]徐匡迪.不锈钢精炼[M].上海:上海科学技术出版社, 1985:41-43. 　　[2]向大林, 王克武, 朱孝清, 等. Cr18Mn18N护环用钢电渣重熔技术的开发研究[J].上海金属, 1996 (04) :7-11. 　　[3]祁一星, 张艳召, 薛良良, 等.影响VOD精炼的工艺因素[J].大型铸锻件, 2017 (5) :32-34.。