专利名称：：钢包炉用氮气进行氮合金化工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及不锈钢的冶炼技术，特别涉及钢包炉(LF)冶炼含氮不锈钢生产的钢包炉用氮气进行氮合金化工艺。
背景技术：
：不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱和盐等腐蚀作用的合金钢的总称。通常所说的"不锈钢"是指其抗腐蚀性能，可归因于在氧化的环境中，形成一层氧化铬表面膜，这层薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点。氩氧脱碳炉(AOD)是生产不锈钢的主要精炼手段之一。目前世界上88%不锈钢采用二步法生产，其中76。/。是通过AOD炉生产。钢包炉(LF炉)是设置在AOD炉与连铸之间的精炼设备之一，它顺畅地连接这两个生产过程，提高两个过程的生产率，在提高钢质量、扩大品种、优化工艺、降低消耗等方面发挥着巨大作用，是现代不锈钢炼钢不可缺少的重要工序。不锈钢的分类通常以金相组织进行分类铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢；马氏体不锈钢；奥氏体-铁素体双相不锈钢，奥氏体-马氏体双相不锈钢；沉淀硬化不锈钢。而奥氏体不锈钢又根据氮含量不同，可分为控氮型、中氮型、高氮型三种含氮奥氏体不锈钢。氮在含氮奥氏体不锈钢中的有益作用(1)氮是最有效的固溶强化元素。氮在奥氏体不锈钢中的有利作用主要是由固溶在钢中的氮元素产生。(2)氮在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当Ni的25倍左右。目前有些钢种开始采用廉价的氮，锰来代替贵重的镍来生产奥氏体不锈钢。(3)氮可以细化晶粒。在热处理过程中氮化物粒子可以阻止了奥氏体的长大，还有利于钢的表面渗碳、碳氮共渗，可以改善钢的表面性能。(4)氮可以明显提高不锈钢耐一般腐蚀、点蚀、应力腐蚀和晶间腐3蚀性能。(5)氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用。AOD炉冶炼含氮不锈钢的氮合金化工艺主要有两种1)吹氮气进行合金化；2)加入氮化合金进行合金化。后一种工艺在AOD的应用有成本高、氮含量不易控制的缺点。而完全氮气合金化工艺的开发与应用，同AOD可以灵活用气的冶金特性相一致，具有生产成本低、可生产高氮含量产品的显著优点，但其难点是在AOD炉中精确控制氮含量。目前，国内外用氮气进行氮合金化工艺都只是在AOD炉里，在冶炼过程中氮气/氧气混吹的气相合金化。中国专利CN02135251.8公开的"AOD炉用氮气进行氮合金化工艺"，其包括下列两个步骤(l)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，使氮在不锈钢中达到饱和；(2)—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所要求的范围之内，也就是根据钢种不同，在出钢前往AOD炉中吹入不同时间(或吹入量)的氩气。应用氮气在AOD炉中溶解与脱除理论，调节氮、氩气吹入量，生产含氮不锈钢和双相钢，代替原氮化合金增氮的工艺，降低了含氮不锈钢的生产成本。但是AOD炉内反应动力学条件非常好，很短的时间内吹一定量的氩气或氮气，就会导致钢水中的氮急剧变化，要想精确控制氮含量在士50ppm还是比较困难。LF炉(炉外精炼设备)具有如下功能(1)搅拌功能，均匀钢水成分和温度，促进夹杂物上浮和钢渣反应；(2)钢水升温和控温功能，精确控制钢水温度；(3)精炼功能，包括渣洗、脱氧、脱气、脱硫，去除夹杂物和夹杂物变性处理等；(4)合金化功能(包括喂线)，对钢水进行窄成分控制；(5)生产调节功能，均衡炼钢一连铸生产。LF炉都是用各种相应的合金来进行合金化，有如下弊端(1)氮化合金不是纯金属，含有杂质，添加较多的氮化合金会污染不锈钢钢水，影响钢水纯净度，因而会影响钢水质量。(2)如果冶炼初始，离氮含量目标值较大，需添加较多的氮化合金，这会造成其他合金成分的波动而超标，导致不锈钢成分不合格。(3)氮化合金价格比较贵，添加较多的氮化合金，成本明显增加。(4)由于不锈钢渣壳很硬，添加氮化合金时，部分氮化合金常常加在渣壳上，不能熔入钢水，导致氮的收得率不稳定，而且氮成分不均匀。
发明内容本发明的目的在于开发一种钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。本发明是在钢包炉(LF炉)工位，增设一路氮气管，平行于原有钢包炉底吹氩气管，增加相应的氮气管控制系统，可以切换氮气、氩气，利用钢包炉原有的透气塞，在冶炼含氮不锈钢时底吹氮气，使LF炉能持续稳定地进行氮的合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。具体地，本发明的技术方案是钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分，钢包炉钢水处理量110t130t;吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30°C50°C;b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮120ppm;其中，不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在3001000ppm时，氮气增氮系数为100800ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在1001~2000ppm时，氮气增氮系数为200900ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在20015000ppm时，氮气增氮系数为3001200ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在50018000ppm时，氮气增氮系数为4002000ppm/m3t;c)底吹氮气进行微合金化处理，处理气压为大气状态，氮气流量在6120m3/h，吹氮压力0.60Mpa0.80Mpa;d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌46分钟，氩气流量在2~20m3/h，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。为实现精确控制冶炼过程的氮含量，利用氮含量计算软件计算底吹氮气量。实际操作中采用设定吹氮量，时间与吹氮量、氮气流量有关。吹氮量和气-钢液界面积、钢的质量、钢液密度、表观正反应速率常数、时刻钢液内部氮浓度、时刻钢液内部氮浓度、氮的溶解度、氮在钢液中的传质系数、氮的活度系数、吹氮流量、初始氮含量及与目标氮含量的差值有关系。渗氮百分量随吹气量增大而增大，同时Cr对其影响较大，渗氮素率随Cr含量的增大而增大。温度对不锈钢的溶解度影响较大，随温度的升高，溶解度变小。冶炼含氮不锈钢，在LF炉用氮气进行合金化前，把除氮以外的成分控制到目标成分，钢水处理量110t130t。由于LF炉底吹氮气时钢水有温降，温降有两部分组成，一部分是钢包吸热，每分钟降0.30.6。C;氮气熔入钢水是吸热过程，底吹氮气每分钟降0.61.TC;所以吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30~50°C。由于渗氮百分量随吹氮量增大而增大，同时铬对其影响较大，渗氮速率随铬含量的增大而增大。温度对不锈钢的溶解度影响较大，随温度的升高，溶解度变小。LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮lppm20ppm，其中不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在3001000ppm时，氮气增氮系数为100800ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在10012000ppm时，氮气增氮系数为200~900ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在2001~5000ppm时，氮气增氮系数为3001200ppm/m3t;不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在50018000ppm时，氮气增氮系数为楊2000ppm/m3t。因此根据吹氮处理前的不锈钢钢水的成分、温度、处理后不锈钢目标氮含量，计算出氮气喷吹量。底吹氮气进行微合金化处理。底吹氮气流量控制在钢水不严重裸露为宜；处理气压为大气状态，氮气流量在6120m3/h，吹氮压力0.60Mpa0.80Mpa。底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌46分钟，氩气流量在220mVh，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。氮气在AOD的主要作用是降低CO分压从而脱碳保铬，搅拌钢水，改善冶金动力学条件，AOD冶炼后期用氮气进行吹炼，在技术上不能满足含氮不锈钢在冶炼过程中氮的精确控制。而LF炉在底部通过透气塞吹入氮气，进行氮合金化，可以弥补AOD氮含量控制精度不高，可以替代和降低氮化合金(用于调整氮含量)的消耗，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低成本。国外含氮不锈钢冶炼基本采用AOD氮含量炉内控制，精炼工位(LF、VOD)用氮化合金微调氮含量操作。本发明的有益效果与现有技术相比，本发明具有如下优点(1)在LF炉，采用底吹氮气进行合金化，根据处理前的奥氏体不锈钢的氮成分和目标成分，由控氮软件计算出喷吹流量和时间，计算机控制喷吹流量和时间。操作简单、方便，从而使含氮不锈钢在LF能持续稳定地进行氮的合金化。(2)LF炉用氮气进行氮合金化工艺可以使氮含量控制精度比原来LF用氮化合金控制精度提高2030ppm，精确控制氮含量在目标值士50ppm。(3)氮气增氮与氮化合金增氮相比，每增氮200ppm可降低成本100150元/吨，经济效益显著。(4)采用底吹氮气进行合金化与添加氮化合金相比，底吹氮气的重量可以忽略不计，不会造成其他钢水成分的波动而超标，含氮不锈钢炼成率可以得到保证。(5)采用底吹氮气进行合金化与添加氮化合金相比，由于氮气纯度99.9%，不含有杂质，不会污染不锈钢钢水，不影响钢水纯净度，钢水质量明显改善。(6)底吹氮气，氮能完全熔入钢水，氮收得率稳定。(7)由于底吹氮气，可以搅拌钢水，氮成分比较均匀。(8)氮气价格低廉，成本可以忽略不计。具体实施方式下面结合实施例对本发明做进一步说明实施例11、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.036%0.040%(2)起始处理温度1575。C1585。C(3)钢水量110t130t2、LF处理实绩大气状态0.69Mpa0.71Mpa59.5min6Q.7min39m3/h41m3/hh39.8Nm340.2Nm33、钢种一在LF的氮气微合金化成分刀、(1)处理气压<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例21、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.143%~0.144%(2)起始处理温度1535°C1545°C(3)钢水量110t130t2、LF处理实绩大气状态0.68Mpa0.70Mpa5.7min6.4min119m3/h121m3/hh9.8Nm310.2Nm3的氮气微合金化实绩(1)处理气压(2)吹氮压力(3)吹氮时间(4)吹氮流量(5)底吹氮气』3、钢种二在LF成分分析元素cSiMnSpCrNiMoCuN处理起始0.01700.5101.340.0010.02717.406.600.150.140.1435处理终点0.01680.5081.350.0010.02717.426.610.150.140.1450实施例31、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.118%0.122%(2)起始处理温度1585°C1595°C(3)钢水量110t130t2、LF处理实绩(1)处理气压大气状态(2)吹氮压力0.69Mpa0.71Mpa(3)吹氮时间49.8min50.2min(4)吹氮流量35m3/h38m3/h(5)底吹氮气量29.8Nm3~30.2Nm33、钢种三在LF的氮气微合金化实绩成分分析元素cSiMnSPCrNiMoN处理起始0.0220.571.40.0050.02021.525.072.860.120处理终点0.0210.581.40.0040.02121.535.072.860.150实施例41、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.236%~0.240%(2)起始处理温度1535°C1545°C(3)钢水量110t130t92、LF处理实绩(1)处理气压大气状态(2)吹氮压力0.70Mpa0.71Mpa(3)吹氮时间19.8min~20.2min(4)吹氮流量28m3/h31m3/h(5)底吹氮气量9.8Nm310.2Nm33、钢种四在LF的氮气微合金化实绩<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例51、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.430%0.440%(2)起始处理温度1545°C1555°C(3)钢水量110t130t2、LF处理实绩(1)处理气压大气状态(2)吹氮压力0.72Mpa0.74Mpa(3)吹氮时间21.4min21.8min(4)吹氮流量27m3/h29m3/h(5)底吹氮气量9.8Nm310.2Nm:3、钢种五在LF的氮气微合金化实绩<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例61、LF钢水起始条件(1)起始氮含量0.6卯％0.700%(2)起始处理温度1625。C1635。C(3)钢水量110t130t2、LF处理实绩(1)处理气压大气状态(2)吹氮压力0.79Mpa0.81Mpa(3)吹氮时间89.6min~90.3min(4)吹氮流量19.8m3/h20.3m3/h(5)底吹氮气量29.8Nm3~30.2Nm33、钢种六在LF的氮气微合金化实绩成分分析元素cSiMnSPCrNiN处理起始0.1250.4314.960.0030.02722.560.30.696处理纟冬点、0.1250.4214.960.0030馬22.570.30.750从上述实施例可以看出，不同含量的奥氏体不锈钢冶炼采用本发明的方法可以达到增氮效果。综上所述，本发明对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，提高含氮不锈钢炼成率，降低生产成本。ii权利要求1.钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分，钢包炉钢水处理量110t～130t；吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30℃～50℃；b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1～20ppm；其中，不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在300～1000ppm时，氮气增氮系数为100～800ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在1001～2000ppm时，氮气增氮系数为200～900ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在2001～5000ppm时，氮气增氮系数为300～1200ppm/m3·t；不锈钢钢水吹氮处理前氮含量在5001～8000ppm时，氮气增氮系数为400～2000ppm/m3·t；c)底吹氮气进行微合金化处理，处理气压为大气状态，氮气流量在6～120m3/h，吹氮压力0.60Mpa～0.80Mpa；d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m3/h，充分搅拌，均匀不锈钢成分和温度。全文摘要钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，其包括如下步骤a)冶炼含氮不锈钢，在钢包炉中控制除氮以外的钢水成分到目标成分；吹氮起始温度控制在精炼处理出站温度以上30℃～50℃；b)LF炉冶炼含氮不锈钢底吹氮气时，每标准立方氮气可增氮1～20ppm；c)底吹氮气进行微合金化处理，氮气流量在6～120m<sup>3</sup>/h，吹氮压力0.60～0.80MPa；d)底吹氮气结束后，底吹氩气软搅拌4～6分钟，氩气流量在2～20m<sup>3</sup>/h，均匀不锈钢成分和温度。本发明对现有不锈钢生产工艺中钢包炉(LF)增加底吹氮气进行氮合金化功能，替代氮化合金，使含氮不锈钢在LF炉能持续稳定地进行氮合金化，提高钢水纯净度，从而提高钢水质量，降低生产成本。文档编号C21C7/00GK101538636SQ20081003482公开日2009年9月23日申请日期2008年3月19日优先权日2008年3月19日发明者竑刘,姜周华,锷常,阳李,沈春飞,蒋兴元,黄俊霞申请人:宝山钢铁股份有限公司;东北大学