閆建新， 譚建興， 武 鵬

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

AOD-LF冶煉高氮高錳不銹鋼的工藝實(shí)踐

閆建新， 譚建興， 武 鵬

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

45 tAOD使用含w（C）為2.0%，w（Cr）為21.5%，w（Si）為0.2%的電爐粗煉鋼水進(jìn)行冶煉，AOD精煉采用頂?shù)讖?fù)吹進(jìn)行脫碳，在AOD爐使用電解錳進(jìn)行錳合金化后鋼中w（Mn）為16%，出鋼時(shí)w（N）可達(dá)0.35%～0.38%，再通過氮化錳在LF爐進(jìn)行調(diào)整，可生產(chǎn)w（N）大于0.60%，w（Mn）達(dá)20%的高氮高錳奧氏體不銹鋼。

AOD LF 精煉 高氮高錳不銹鋼 氮化錳 合金化

高氮不銹鋼是指鐵素體基體中w（N）大于0.08%或奧氏體基體中w（N）大于0.4%的鋼[1]。高氮不銹鋼具有很多優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度與高韌性、延展性好、低磁導(dǎo)率、良好的耐腐蝕性能等。這些特質(zhì)主要得益于氮元素的添加。早期，如果鋼中出現(xiàn)氮?dú)堄啵瑫?huì)導(dǎo)致時(shí)效硬化、氣孔以及偏析，造成鋼鑄件缺陷甚至報(bào)廢。后來，研究人員發(fā)現(xiàn)氮可以顯著提高鋼的強(qiáng)度、增加鋼中奧氏體組織的穩(wěn)定性、提高鋼的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕性能。除此之外，氮能夠代替鎳，且在不銹鋼中不會(huì)對(duì)人體帶來危害。因此，國內(nèi)外對(duì)高氮不銹鋼的研究越來越多。目前冶煉高氮不銹鋼的方法主要有德國的加壓電渣重熔工藝、保加利亞的反壓鑄造工藝、日本的VOD底吹氮?dú)夤に囈约胺勰┮苯鸸に嚒５捎诩訅涸O(shè)備裝置昂貴，生產(chǎn)成本較高，工業(yè)化生產(chǎn)受到一定的制約[2]。

1 化學(xué)成分與生產(chǎn)工藝流程

常壓下冶煉高氮不銹鋼的增氮工藝基本可以分為兩類[3]：用富氮合金進(jìn)行合金化；用氮?dú)庠龅?。太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）采用45 t AOD爐精煉吹氮?dú)饧癓F加氮化錳的工藝，成功生產(chǎn)出了鋼中w（N）超過0.6%的高氮高錳不銹鋼（見表 1）。

表1 高氮高錳不銹鋼的化學(xué)成分 %

生產(chǎn)工藝流程為：90 tEAF→45 tAOD→45 tLF→模鑄。

通過上述工藝流程，生產(chǎn)出Φ550 mm或者Φ400mm的模鑄電渣錠。

2 AOD脫碳

該高氮高錳不銹鋼在太鋼45 t AOD爐冶煉生產(chǎn)，電爐粗鋼水溫度為1 470～1 530℃，主要成分w（C）為 2.0%，w（Cr）為 21.5%，w（Si）為 0.2%，主要冶煉過程如下：

1）在高碳區(qū)（w（C）＞0.25%）進(jìn)行頂?shù)讖?fù)吹脫碳，頂槍氧氮流量（m3/h）比例依次為 5.5∶1（3 300∶600），6∶1（2 400∶400），4.5∶1（1 800∶400），底槍氧氮流量（m3/h）比例依次為2.5∶ 1（1 500∶600），15∶8（1 500∶800），15∶ 8（1 500∶800）。吹煉過程加入2 100 kg石灰造渣脫硫。

2）w（C）從 0.25%吹煉至 0.02%過程，停止頂槍吹煉，只進(jìn)行底吹氧氮進(jìn)行脫碳精煉，氧氮流量（m3/h）比例依次為2∶1（2 040∶1 020），108∶39（2 160∶780），4∶1（2 160∶540），5∶1（2 100∶420），吹煉過程分批加入2 000 kg石灰進(jìn)行造渣。

3）w（C）小于0.02%時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行還原，還原前將電解錳加入。

3 AOD還原

對(duì)于該不銹鋼，還原采用硅鐵，還原溫度控制在1 680～1 700 ℃，硅鐵加入量控制為 40～45 kg/t。還原扒渣后，加入500 kg石灰，300 kg螢石調(diào)渣，再向鋼水中加入鋁粉0.5 kg/t和硅鈣粉0.5 kg/t進(jìn)行深脫氧，鋼中 w[O]可降低到（15～20）×10-6。

4 錳合金化和氮合金化

由于鋼中含有16%的錳，AOD冶煉過程需加入電解錳。LF增氮時(shí)采用氮化錳進(jìn)行氮的合金化。AOD電解錳的加入時(shí)機(jī)很重要，加入過早影響脫碳速度及效率，加入太晚影響鋼水氮合金化效果以及鋼水溫度控制。實(shí)踐證明：AOD氧化末期控制鋼中w（Mn）為1%～3%，還原后控制鋼中 w（Mn）為 15%～17%較合適，其余的錳在LF加氮化錳時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。

在煉鋼過程中，氮在鋼中的溶解度取決于溫度、氮?dú)鈮毫弯撘汉辖鸪煞?。高氮高錳鋼并非只能在高壓的氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行冶煉，含鉻、錳成分高的鋼種可以在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓或稍低的氮?dú)鈮毫ο略贏OD中進(jìn)行生產(chǎn)。鋼水溫度和各元素成分會(huì)影響氮的溶解度，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出了鋼液中氮溶解度的新計(jì)算式[4]。

式中，PN2為氮壓力；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；為壓力對(duì)氮活度的作用系數(shù)。當(dāng)PN2/P0＞1.0時(shí)=0.06；當(dāng) PN2/P0＜1.0 時(shí)，=0。

從公式（1）中可以看出，隨著鋼液溫度的上升，鋼中氮的溶解度是下降的。在AOD生產(chǎn)過程中全程吹氮，氮?dú)獯等肓繛?500～5000m3，出鋼溫度為1600～1630℃的條件下，鋼中的氮含量遠(yuǎn)比理論值低，僅為0.35%～0.38%，這是因?yàn)槿芙庠阡撘褐械牡S著吹入的氮?dú)馀萦忠莩鲣撍木壒蔥5]。

為使鋼中氮含量達(dá)到0.60%～0.65%，AOD出鋼后，根據(jù)鋼中的氮含量，在LF爐向鋼包補(bǔ)加一定量的氮化錳，可以使鋼中的氮含量達(dá)到0.62%，氮化錳合金中氮的收得率為70%～80%（見表2），同時(shí)由于氮化錳與鋼渣反應(yīng)較為劇烈，為保證氮收得率以及防止鋼渣溢出鋼包，需要控制鋼水包的渣層厚度在100～150mm范圍內(nèi)，同時(shí)在加入氮化錳的過程中需要關(guān)閉LF爐底吹氣體。

表2 氮化錳的加入量與鋼中氮含量的關(guān)系

從圖1可以看出，從兌鋼開始，隨著AOD吹入氮?dú)?，鋼中氮含量一直升高，但冶煉后期氮含量增加緩慢，通過AOD出鋼后在LF加入氮化錳，鋼中氮含量可達(dá)0.62%。

圖1 高氮高錳不銹鋼冶煉過程氮含量變化

5 結(jié)論

1）AOD還原后，再向鋼水中加入0.5kg/t的鋁粉和0.5kg/t硅鈣粉進(jìn)行深脫氧，則鋼中[O]可降低到（15～20）×10-6。

2）AOD氧化末期控制鋼中錳在1%～3%范圍內(nèi)，還原后控制鋼中錳在15%～17%范圍內(nèi)，對(duì)AOD冶煉高氮高錳不銹鋼錳的合金化控制較合適。

3）僅靠AOD冶煉過程全部吹氮操作，高氮高錳不銹鋼的鋼中氮含量僅能達(dá)到0.35%～0.38%。

4）AOD出鋼時(shí)需要控制鋼水包的渣層厚度在100～150mm，出鋼后通過在LF爐加入氮化錳能使w（N）達(dá)到0.62%，氮的收得率可達(dá)70%～80%。

5）該工藝目前已處于大生產(chǎn)階段，過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，值得同行業(yè)在生產(chǎn)高氮高錳不銹鋼上推廣和借鑒。

[1] SpeidelM.O.高氮鋼的性能和應(yīng)用[G].高氮鋼譯文集.上海：上海鋼鐵研究所，1990：65.

[2] 曹春磊.新型高氮無鎳不銹鋼熔煉增氮效果分析[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2013，25（8）：16-17.

[3] 馮珊，張樹格.高氮鋼[J].機(jī)械工程材料，1993，17（6）：1-3.

[4] JiangZH，LiHB，ChenzP，eta1．TheNitrogenSolubilityin MoltenStainlessSteel[J].SteelResearchInternational，2005，76（10）：730-735．

[5] 范新智.45tAOD精煉高氮奧氏體不銹鋼10Cr21Mn16NiN的工藝實(shí)踐[J].特殊鋼，2014，35（3）：28.

Technology Practice of High Nitrogen and High M anganese Stainless Steel Smelting w ith AOD and LF

Yan Jianxin,Tan Jianxing,W u Peng

（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The main chemical composition of EAF primary liquid metal for steelmaking high nitrogen and high manganese stainless steel is 2.0%C,21.5%Cr,0.2%Si.The decarburizing of liquid is carried out by top-blowing and bottom side blowing oxygen-nitrogen,after manganese alloying by using electrolytic manganese in AOD,the Mn content in steel is up to 16%,and the nitrogen content in steel is 0.35%～0.38%.During LF treatment process,using manganese nitride formanganese and nitrogen alloying,the Mn content in steel is up to 20%,and the nitrogen content in steel ismore than 0.60%.

AOD;LF;refining;high nitrogen and highmanganese stainless steel;manganese nitride;alloying

TF704.5；TF769.2

A

1672-1152（2017）05-0060-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.23

2017-09-12

閆建新（1984—），男，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)，從事不銹鋼精煉技術(shù)管理及產(chǎn)品開發(fā)，助理工程師。

（編輯：苗運(yùn)平）