含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法.pdf

含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法，属于不锈钢AOD炉冶炼领域。针对现在AOD炉冶炼不锈钢存在氮含量精确控制困难及时间长的问题，本发明提供一种含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法，该方法依次包括氧化期和脱碳前期采用吹氮气、脱碳后期和还原期吹氩气、然后依次吹氮气和氩气来调整氮含量的方法，它可以达到在不使用昂贵氮化合金的前提下精确控制不锈钢中氮含量的目的，缩短了冶炼时间、提高了冶炼效率，降低含氮超低碳不锈钢冶炼成本的效果，利于推广应用。

1.  一种精确控制含氮不锈钢中氮含量的方法，其特征在于它依次包括以下步骤：
a.在钢水进入AOD炉后，同时采用氮气和氧气进行吹炼，氧气比例大于氮气；吹炼过程中氧气比例逐渐减少氮气比例逐渐增加，直至钢水含碳量到0.03％；
b.然后改用纯氩气吹炼至脱碳到0.02％以下；
c.采用吹氩气或先吹氮气、后吹氩气至还原充分；
d.停止吹氩气，采用氮气吹炼，直至钢水中氮含量超过要求含量；再改用氩气吹炼，直至钢水中氮含量达到要求含量；
e.钢水出炉浇涛即可。

2.  根据权利要求1所述的含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法，其特征在于当在b步骤与c步骤之间进行合金微调时，为达到加入合金前与合金熔化后，钢中温度、钢中氮含量均保持不变，升温时惰性气体与氧气的体积比为1∶4，惰性气体先用氮气后用氩气。

3.  根据权利要求1或2所述的一种含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法，其特征在于当在d步骤与e步骤之间出现温度控制不当、需进行温度调节时，可采用如下操作：惰性气体选用时，升温前期用氮气，升温后期到还原过程使用氩气，使用氮气与使用氩气的时间比控制到接近1∶2～4，则可达到升温前后钢中氮含量保持不变。

含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法
技术领域
本发明属于不锈钢AOD炉冶炼领域，特别是一种使用AOD炉精确控制含氮不锈钢中含氮量的方法。
背景技术
在AOD炉冶炼含氮不锈钢时，经常采用向钢水中加入氮合金的方法进行氮元素合金化，它存在的问题是，氮合金价格都较昂贵，因此不锈钢成本大幅增加；另外，加入氮合金时对冶炼工艺要求较高，因此增加了不锈钢的冶炼难度，降低了冶炼成功率。
中国专利申请号02135251.8公开了一种AOD炉用氮气进行氮合金化工艺，该工艺包括两个步骤，一是氮气在不锈钢中的溶解过程，即在整个冶炼过程吹氩气前一直往AOD炉中吹入氮气进行冶炼，使氮气在不锈钢中达到饱和；二是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氩气。但实践证明，因未脱氧钢液中氮的溶解度受钢液成分、熔渣、温度等多种因素影响，钢液对氮的吸收和脱除效率很不稳定，按所述方法在冶炼时存在氮含量波动较大的问题；特别是当要求的氮含量接近钢种固态下的饱和溶解度时，难以保证氮含量合格，这一问题在冶炼超低碳含氮不锈钢时尤为突出。因此，为了精确控制不锈钢中氮的含量，各企业于是使用部分昂贵的氮化合金进行微调，因而使成本大大增加。
发明人曾试验了先氩后氮法，就是在钢水进入AOD炉后，氧化及脱碳期使用纯氧和纯氩气混合吹炼将碳含量脱到0.01％以下，然后在还原期先吹纯氮气再吹纯氩气冶炼。试验证明，该方法工艺程序简单，解决了AOD冶炼的惰性气体脱碳阶段采用氮气冶炼脱碳困难的毛病，氮含量控制在0.05～0.10％之间比较容易，但它同时存在的问题是，若要将氮含量控制到0.10％以上时就会出现吹氮气时间长、后期温度控制困难、氮含量的波动大(一般在±0.03％)的问题。
发明内容
针对现在AOD炉吹氮气氮合金化工艺冶炼含氮不锈钢过程中存在氮含量精确控制困难、冶炼时间长、成本高的问题，本发明提供一种精确控制含氮不锈钢中氮含量的方法，该方法在冶炼含氮不锈钢、特别是超低碳含氮不锈钢时可以精确控制不锈钢中的氮含量，缩短冶炼时间、避免加入昂贵的氮化合金，节约成本。
所述目的是通过以下方案实现的：
一种含氮超低碳不锈钢中氮含量的精确控制方法，该方法依次包括以下步骤：
a.在钢水进入AOD炉后，同时采用氮气和氧气进行吹炼，吹炼过程中氧气比例逐渐减少氮气比例逐渐增加，直至钢水含碳量到0.03％；
b.用氩气吹炼脱碳到0.02％以下；
c.吹氩气或先吹氮气、后吹氩气至还原充分，此处所说的还原是指对钢中的富铬渣进行还原；
d.停止吹氩气，采用氮气吹炼，直至钢水中氮含量超过要求含量；再改用氩气吹炼，直至钢水中氮含量达到要求含量；
e.钢水出炉浇涛即可。
对于a步骤中氧气与氮气的具体比例，优选为，最初以氧气、氮气按体积比4∶1进行吹炼，逐渐过渡到氧、氮比例1∶4。
优选的，当需要在b步骤与c步骤之间加入合金对成分进行微调时，为达到合金熔化后与加入合金前，钢中温度及钢中氮含量保持不变；升温采用惰性气体与氧气的体积比为1∶4，惰性气体先用氮气后用氩气，吹氮气与吹氩气的时间比按1∶2～4进行控制。
优选的，当在d步骤与e步骤之间，成分合适后，因温度控制不当、需进行升温调节时：升温前期惰性气体用氮气，升温后期及还原过程使用氩气，当使用氮气与使用氩气的时间比控制到接近1∶2～4，即可达到升温前后钢液中氮含量保持不变。
本发明所述方法可以达到在不使用昂贵氮化合金的前提下精确控制不锈钢中的氮含量，缩短了冶炼时间、提高了冶炼效率，降低含氮超低碳不锈钢冶炼成本的效果。实验中采用本发明所述方法冶炼了德国双相不锈钢1.4517(相当于国内牌号00Cr25Ni6Mo2Cu3N)和1.4460(相当于国内牌号0Cr27Ni5Mo2N)生产油泵，成功在70分钟之内将钢中碳含量控制在0.03％以下，氮含量精确控制在0.05～0.20％范围内的任意值上下偏差0.005％，由于无需加入氮化铬、氮化锰等氮化合金，因此极大地降低了冶炼成本，利于推广应用。
具体实施方式
下面就本发明所述方法做进一步说明。
在炉体的容量为5吨和AOD炉吹入的气体流量为5m³/min情况下；当需升温60℃达到加合金前温度时，升温过程用氮气与用氩气的时间比接近1∶3可不造成钢中氮含量的波动。
下面是就本发明所述技术方案所做的对比实验：
目的：冶炼牌号为00Cr25Ni6Mo2Cu3N的含氮不锈钢，标准要求氮的含量控制在0.10％～0.20％，碳的含量控制到0.03％以下，内控优选成分氮控制在0.19％，碳的含量控制到0.025％以下。
采用5吨的AOD炉、吹入的气体总流量为5m³/min，冶炼5吨钢水，在没有明确说明的情况下，两种方法的初始条件完全相同。
实施例1、2按中国专利申请号02135251.8公开的方法进行冶炼，如下所述：
实施例1
13:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
13:30氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
13:35控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
13:42控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，
13:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝，采用氧气与氮气的吹入比例4∶1升温6分钟；
13:55吹氮气5分钟，取样；
14:00继续按氧气和氮气的比例为4∶1吹炼2分钟，然后再吹氮气4分钟到脱碳期结束；
14:06加硅铁、铝、并加少量石灰，吹氩气还原4分钟；
14:10取样、钢水测温1674℃；
14:16钢水测温1662℃，此时钢水中氮含量为0.152；加入氮化铬铁80公斤，此时氮含量3.8％，铬含量63％；
14:18吹氩气2分钟；
14:20钢水出炉，测温1583℃浇涛。
结果：用时70分钟，成品不锈钢中氮含量是0.158％，与目标含量相差0.032％，碳含量0.029％，与目标含量相差0.004％。
实施例2
13:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
13:30氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
13:35控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
13:42控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，
13:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝，采用氧气与氮气的吹入比例4∶1升温6分钟；
13:55吹氮气5分钟，取样；
14:00继续按氧气和氮气的比例为4∶1吹炼2分钟，然后再吹氮气4分钟到脱碳期结束；
14:06加硅铁、铝、并加少量石灰，吹氩气还原4分钟；
14:10取样、钢水测温1604℃，14:16分析结果氮含量为0.162；
14:11加铝，吹入氮气，升温5分钟，然后吹氩气搅拌2分钟；
14:18钢水出炉，测温1595℃浇涛。
结果：用时68分钟，成品不锈钢中氮含量是0.218％，与目标含量相差0.028％，碳含量0.029％，与目标含量相差0.004％。
该方法特点是：碳含量控制在0.03％以下，氮含量能有保证的控制在0.05～0.20％范围内，但想精确控制到规格范围的任一点比较困难，特别是难以保证控制到规格上限的某一定值。
实施例3、4、5、6按本专利方法进行冶炼，如下所述：
实施例3
13:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
13:30氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
13:35控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
13:42控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，直至钢水含碳量到0.03％；
13:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝升温6分钟，氧气与惰性气体比例4∶1，用氮气作惰性气体吹入1.5分钟，再用氩气吹4.5分钟；
13:55纯吹氩气5分钟，至脱碳结束，取样；
14:00加硅铁、铝并加少量石灰，吹纯氩气4分钟充分还原；
14:05测温1670℃、取样；此时，钢水中氮含量为0.112％；
14:07先吹纯氮气1.5分钟，直至钢水中氮含量超过要求含量；再吹纯氩气2分钟，直至钢水中氮含量达到要求含量；
14:12测温1608℃出炉浇涛。
结果：用时62分钟，成品不锈钢中氮含量是0.186％，与目标含量相差0.004％，碳含量是0.023％，符合目标含量。
实施例4
13:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
13:30氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
13:35控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
13:42控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，直至钢水含碳量到0.03％；
13:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝升温6分钟，氧气与惰性气体比例4∶1，惰性气体先用氮气吹入1.5分钟，再用氩气吹4.5分钟；
13:55纯吹氩气5分钟至脱碳结束，取样，
14:00加硅铁、铝并加少量石灰吹纯氩气4分钟充分还原；
14:05测温1610℃、取样，钢水中氮含量为0.112％；
14:06加铝升温5分钟，升温时惰性气体先用氮气75秒，后用氩气225秒；
14:11测温1668℃，取样，钢水中氮含量为0.115％；
14:12先吹纯氮气1.5分钟，直至钢水中氮含量超过要求含量，再吹纯氩气2分钟，直至钢水中氮含量达到要求含量；
14:16测温1608℃出炉浇涛。
结果：用时66分钟，成品不锈钢中氮含量是0.191％，与目标含量相差0.001％，碳含量是0.024％，符合目标含量。
实施例5
0:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
0:28氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
0:33控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
0:40控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，直至钢水含碳量到0.03％；
0:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝升温6分钟，惰性气体与氧气比例4∶1，先用氮气作惰性气体吹入1.5分钟，再用氩气吹4.5分钟；
0:55纯吹氩气5分钟至脱碳结束，取样，
1:00加硅铁、铝并加少量石灰先吹氮气1分钟，后吹氩气3分钟至还原充分；
1:05测温1670℃、取样，钢水中氮含量为0.148；
1:07先吹纯氮气1分钟，直至钢水中氮含量超过要求含量，再吹纯氩气2分钟，直至钢水中氮含量达到要求含量；
1:10测温1608℃出炉浇涛。
结果：用时60分钟，成品不锈钢中氮含量是0.192％，与目标含量相差0.002％，碳含量是0.021％，符合目标含量。
实施例6
0:10将铬含量控制在规格含量下限的初炼钢水入炉，向AOD炉内吹氧气和氮气，氧气和氮气的比例为4∶1；
0:28氧气与氮气的吹入比例调整为1∶1；
0:33控制氧气与氮气的吹入比例为1∶3；
0:40控制氧气与氮气的吹入比例为1∶4，直至钢水含碳量到0.03％；
0:49补加铬铁150公斤，石灰70公斤，加铝升温6分钟，惰性气体与氧气比例4∶1，惰性气体先用氮气吹入1.5分钟，再用氩气吹4.5分钟；
0:55纯吹氩气5分钟至脱碳结束，取样，
1:00加硅铁、铝并加少量石灰先吹氮气1分钟，后吹氩气3分钟充分还原；
1:05测温1612℃、取样，钢水中氮含量为0.148；
1:06加铝升温5分钟，升温时惰性气体先用氮气75秒，后用氩气225秒；
1:11测温1671℃，取样，钢水中氮含量为0.151％；
1:12先吹纯氮气1分钟，直至钢水中氮含量超过要求含量；再吹纯氩气2分钟，直至钢水中氮含量达到要求含量；
1:15测温1608℃出炉浇涛。
结果：用时65分钟，成品不锈钢中氮含量是0.193％，与目标含量相差0.003％，碳含量是0.023％，符合目标含量。
综上可以看出，用本发明所述方法可以实现缩短冶炼时间、能将不锈钢中碳含量精确控制在0.03％以下，氮含量精确控制在目标值上下偏差0.005％之内。
需要说明的是，本实施方式所述过程只是对本发明所做的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域技术人员完全可以根据本发明所述方法对其进行改变，在不需要付出创造性劳动的前提下对本发明所做的修改，都应视为对本发明的等同替换，因此都应在本发明的保护范围之内。