AOD炉用氮气进行氮合金化工艺 【技术领域】
本发明涉及AOD炉冶炼含氮不锈钢过程中的氮合金化工艺。背景技术
氮在奥氏体、奥氏体-铁素体等不锈钢钢种中可以作为有益元素加入，可以改善钢的耐蚀性能、机械性能。国内外的标准中含氮不锈钢有1Cr17Mn6Ni5N、1Cr18Mn8Ni5N、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、0Cr19Ni9N、00Cr18Ni10N、0Cr19Ni10NbN、0Cr17Ni12Mo2N、00Cr17Ni13Mo2N、00Cr22Ni5Mo3N等钢种，具有广阔的使用市场。AOD炉是主要的不锈钢冶炼设备，世界上大约70％的不锈钢是通过AOD炉冶炼的，而在AOD炉中冶炼含氮不锈钢时，目前是使用氮化合金如Fe-Mn-N、Fe-Cr-N进行氮元素合金化的，这些合金价格较贵，如Fe-Cr-N4价格约在24500元/吨，同时，使用这些合金，对冶炼的要求较高，如冶炼中必须有较高的温度等，给冶炼操作带来困难。发明内容
本发明的目的旨在克服上述缺点，提供一种AOD炉用氮气进行氮合金化工艺。此工艺是在AOD炉冶炼含氮不锈钢时，应用N2在不锈钢中溶解、脱除的理论，调节N2、Ar气吹入量，生产含氮不锈钢，代替原氮化合金增氮的工艺，从而实现AOD炉简便、灵活的控制氮含量工艺，降低含氮不锈钢的生产成本。
本发明采用的解决方案是：一种AOD炉用氮气进行氮合金化工艺，其特征在于：该工艺包括下列两个步骤：(1)氮气在不锈钢中的溶解过程，即在整个冶炼过程吹Ar气前一直往AOD炉中吹入N2气进行冶炼，使N2气在不锈钢中达到饱和；(2)一部分氮原子的脱除过程，即应用氩气气泡精炼理论，脱除一部分氮含量，使钢中溶解的氮含量达到钢种要求的范围之内，也就是根据钢种不同在出钢前往AOD炉中吹入不同时间的Ar气，吹Ar气地时间由下述方法确定：根据不锈钢中氮溶解度公式log[％N]B＝-188/T-1.25-∑ejN[％j]+1/2logPN2和不锈钢吹氩脱除氮含量公式VAr＝8×f×kN2×PN2×(1/[％N]-1/[％N]B)
式中T----K氏温度；
ejN----溶解在不锈钢中的j元素对氮活度的作用系数；
[％j]----溶解在不锈钢中的j元素百分含量，单位％
f----修正系数，实际取1.1～1.3；
VAr---吨钢消耗氩气量，单位m3/t；
kN----氮的脱除反应平衡常数；
PN2---氮在大气中的分压；
[％N]----最终产品的氮含量；
[％N]B----氮在该钢种中一定温度下的溶解度值；计算出一定含氮量的含氮不锈钢冶炼中需吹入的Ar气量，再根据AOD炉实际精炼Ar气流量，算出吹Ar时间。
AOD炉冶炼含氮不锈钢总的冶炼工艺如下：
(1)氧化期用N2、O2气吹炼。氧化期调整钢中Cr、Mn、Ni成分，成分达到控制值范围。
(2)氧化期后纯吹气搅拌按≥5分钟控制。
(3)予还原时间≥6分钟。
(4)予还原后冶炼1～3分钟后出钢。
控制钢中氮含量实际上是要控制冶炼过程中N2、Ar气吹入量。氧化期后根据计算的吹Ar时间，使实际冶炼中出钢前的吹Ar时间(实际吹Ar量与计算吹Ar量一至)与其相同，在预计的时间把N2切换Ar进行冶炼，如40吨AOD冶炼0Cr19Ni9N时，计算吹Ar流量1000m3/h，吹Ar时间3～5分钟，可以控制钢中氮含量为1000～1300pmm，那么实际冶炼中由上面总的冶炼过程描述推得，N2、Ar气切换时间在予还原进行5分钟后(实际予还原时间按6分钟控制的情况下)，实际冶炼中吹Ar流量是1000m3/h，时间是3～4分钟(予还原期吹1分钟，出钢前吹3分钟)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、由于本发明是根据N2在不锈钢中溶解、脱除的原理，用N2气代替氮化合金进行含氮不锈钢冶炼过程中的氮合金化，而N2气的价格与这些氮化合金的价格相比低很多，所以本发明可以显著地降低含氮不锈钢的生产成本。
2、用N2气进行氮合金化工艺要求简单且容易控制钢中氮含量。具体实施方式
实施例一：用40吨AOD炉冶炼钢种为1Cr17Mn6Ni5N的含氮不锈钢，其成分要求如下： 成分 C Si Mn P S Cr Ni N 成品 0.075 0.38 6.5 0.029 0.006 17.28 4.80 0.122
冶炼温度预计在1610℃(即1923K)，那么应用模型先计算出：
(1)氮在钢中的饱和度值：
即：log[％N]B＝-188/T-1.25-∑ejN[％j]+1/2logPN2
＝-188/1883-1.25-(3280/1883-0.75)×(0.13
×0.075+0.047×0.38+0.01×4.8-0.01×0.025
-0.025×6.5-0.045×17.28)+1/2lg0.78
＝-0.5461
即1610℃时钢中氮含量饱和度为0.2844％。
(2)计算吹Ar时间
控制钢中氮含量为0.12％，吹Ar流量为1000m3/h时的吹Ar时间计算如下：
VAr＝8×f×kN2×PN2×(1/[％N]-1/[％N]B) (logkN＝-634/T-1.06)
＝8×1.1×0.04×(1/0.12-1/0.2844)
＝1.70m3/t
40吨AOD炉出钢量是39吨，出钢前吹Ar流量是1000m3/h，所以出钢前吹Ar时间计算如下：
所以出钢前吹Ar时间＝1.70×39÷(1000÷60)
＝3.98分钟
即要达到钢中氮含量为0.12％，出钢前吹Ar流量是1000m3/h时的吹Ar时间为3.98分钟。
用40吨AOD炉冶炼钢种为1Cr17Mn6Ni5N的含氮不锈钢的氮合金化工艺是：(1)氮气在不锈钢中的溶解过程，即吹Ar气前一直往AOD炉中吹入N2气进行冶炼，使N2气在不锈钢中达到饱和；(2)一部分氮原子的脱除过程，使钢中的氮含量为0.12％，即在出钢前往AOD炉中吹4分钟Ar气。
用40吨AOD炉冶炼钢种为1Cr17Mn6Ni5N的含氮不锈钢的总的冶炼过程如下：
炉号YCD05321；钢种：1Cr17Mn6Ni5N；40吨AOD；C#30次。
时间 操作内容
17：31 兑钢，测温1473℃。
17：35 O2∶N2＝0∶800m3/h，
17：42 O2∶N2＝1500∶500m3/h，加HFeCr800公斤，JFeMn200
公斤。
18：19 MgO粉200公斤，CaO600公斤，Ni250公斤。
测温1683℃。
18：20 O2∶N2＝800∶1200m3/h。
18：31 加Fe-Mn1200公斤。
O2∶N2＝600∶1200m3/h。
18：41 测温1660℃
18：42 加J-Mn1000公斤，中-Mn500公斤，加FeSi(75％)
400公斤，CaO350公斤，Al一条。纯吹N21500m3/h，
测温1666℃。
O2∶N2＝1010∶1000m3/h，测温1690℃。
18：49 纯吹N2970m3/h
18：52 扒渣95％。加CaO650公斤。
19：00 纯吹N21024m3/h。
19：01 测温1655℃
19：02 纯吹Ar894m3/h(吹4)。
19：06 出钢，包中温度1618℃。
YCD05321冶炼过程成分％ 成分 C Si Mn P S Cr Ni N 电炉 2.10 0.26 2.84 0.029 0.014 17.68 4.18 兑钢 1.97 0.19 2.42 0.029 0.013 17.34 4.07 予还原 0.07 0.45 6.35 0.028 0.013 17.21 4.70 成品 0.075 0.38 6.5 0.029 0.006 17.28 4.80 0.122
实施例二：用18吨AOD炉冶炼钢种为00Cr22Ni5Mo3N的含氮不锈钢。首先根据不锈钢中氮溶解度公式log[％N]B＝-188/T-1.25-∑ejN[％j]+1/2logPN2和不锈钢吹氩脱除氮含量公式VAr＝8×f×kN2×PN2×(1/[％N]-1/[％N]B)计算出冶炼中需吹入的Ar气量，再根据18吨AOD炉实际冶炼中吹Ar气的流量，得出吹Ar时间，计算方法同实施例一。本实施例在出钢前的吹Ar时间为5分钟。
用18吨AOD炉冶炼钢种为00Cr22Ni5Mo3N的含氮不锈钢的氮合金化工艺是：(1)氮气在不锈钢中的溶解过程，即吹Ar气前一直往AOD炉中吹入N2气进行冶炼，使N2气在不锈钢中达到饱和；(2)一部分氮原子的脱除过程，使钢中的氮含量为0.158％，即在出钢前往AOD炉中吹5分钟Ar气。
用18吨AOD炉冶炼钢种为00Cr22Ni5Mo3N的含氮不锈钢的总的冶炼过程如下：
炉号YD93002；钢种：00Cr22Ni5Mo3N；18吨AOD；B#15次。
时间 操作内容
12：01 兑钢，O2∶N2＝0∶400，测温1548℃，未扒渣。
12：06 O2∶N2＝725∶244，加HFeCr300公斤，Fe-Mo50
公斤，HFeMn260公斤。
12：48 测温1698℃。
12：50 O2∶N2＝401∶598。
13：15 测温1742℃。
13：17 O2∶N2＝219∶601。13：32 纯吹N2601m3/h。13：35 测温1740℃，纯吹N2601m3/h 6分钟，测温1704℃
还原，加FeSi(75％)320公斤，CaO300公斤、
AL25公斤。13：47 回炉，纯吹N2485m3/h。13：51 停吹，测温1660℃，扒渣90％，加CaO300公斤、
CaF230公斤，分析试样。13：58 纯吹Ar490m3/h(吹2‘30“)。14：01 测温1609℃，加微碳Fe-Cr100公斤。14：11 纯吹Ar476m3/h(吹2‘30“)。出钢，包中温度1586℃。
(总吹Ar5)
YD93002冶炼过程成分％ 成分 C Si Mn P S Cr Ni Mo N 电炉 1.60 0.29 0.51 0.026 0.025 21.27 4.78 2.10 兑钢 1.61 0.25 0.57 0.025 0.023 21.43 4.71 2.73 予还原 0.023 0.56 1.20 0.036 0.020 21.73 4.79 2.88 成品 0.025 0.49 1.32 0.035 0.014 21.99 4.79 2.88 0.1580
实施例三：用18吨AOD炉冶炼钢种为0Cr19Ni9N的含氮不锈钢。首先根据不锈钢中氮溶解度公式log[％N]B＝-188/T-1.25-∑ejN[％j]+1/2logPN2和不锈钢吹氩脱除氮含量公式VAr＝8×f×kN2×PN2×(1/[％N]-1/[％N]B)计算出冶炼中需吹入的Ar气量，再根据18吨AOD炉实际冶炼中吹Ar气的流量，得出吹Ar时间，计算方法同实施例一。本实施例在出钢前的吹Ar时间为3分钟。
用18吨AOD炉冶炼钢种为0Cr19Ni9N的含氮不锈钢的氮合金化工艺是：(1)氮气在不锈钢中的溶解过程，即吹Ar气前一直往AOD炉中吹入N2气进行冶炼，使N2气在不锈钢中达到饱和；(2)一部分氮原子的脱除过程，使钢中的氮含量为0.12％，即在出钢前往AOD炉中吹3分钟Ar气。
用18吨AOD炉冶炼钢种为0Cr19Ni9N的含氮不锈钢的总的冶炼过程如下：
炉号YD92227；钢种：0Cr19Ni9N；18吨AOD；B#11次。
时间 操作内容
17：45 兑钢，O2∶N2＝/∶400，测温1561℃。
17：47 未扒渣，O2∶N2＝769∶192。
18：09 加HFeCr357公斤，Ni板100公斤，HFeMn260公
斤。
18：17 测温1627℃。
18：18 O2∶N2＝760∶190。
18：24 O2∶N2＝480∶482。
18：42 测温1726℃。
18：43 加FeSi(75％)370公斤，CaO350公斤、CaF230
公斤。
18：44 回炉，纯吹N2480m3/h。
18：47 停吹，测温1668℃，扒渣90％，加CaO350公斤、
CaF230公斤，分析试样。
18：55 测温1629℃。
19：01 纯吹Ar480m3/h(吹3’)。
19：04 补Ni板60公斤。出钢，包中温度1574℃。
YD92217冶炼过程成分％ 成分 C Si Mn P S Cr Ni N 电炉 1.49 0.30 0.42 0.021 0.025 17.29 8.40 兑钢 1.57 0.21 0.50 0.021 0.022 17.72 8.20 成品 0.048 0.78 1.35 0.023 0.008 18.48 8.94 0.1237