316LN不銹鋼采用VOD工藝冶煉的控制重點,冶金工程論文摘要：對VOD經過的重要參數和氮合金化經過控制重點等問題進行了討論,采用30tEBT+40tLF+VOD+底吹氮氣和氮化鉻調氮+Ar氣保衛澆注的工藝生產316LN超低碳控氮不銹鋼,獲得良好效果,成分到達標準,并且產品的各項性能均知足技術要求。

本文關鍵詞語：316LN;超低碳;VOD精煉;控氮;

Abstract：TheimportantparametersoftheVODprocessandthecontrolpointsofthenitrogenalloyingprocesshavebeendiscussed.The316LNultra-lowcarbonnitrogencontrolstainlesssteelhasbeenproducedbytheprocessof30tEBT+40tLF+bottom-blownnitrogenandnitrogenadjustmentbychromiumnitride+pouringbyArgasprotection.Goodresultshavebeenachieved,andthecompositionhasreachedthestandard.Variousperformanceindicatoroftheproductmeetsthetechnologicalrequirements.

Keyword：316LN;ultra-lowcarbon;VODrefining;nitrogencontrol;

316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼在室溫下呈奧氏體狀態,當鋼中的氮含量到達一定量后,在力學和耐腐蝕等方面具有優越的性能,被廣泛應用于石油化工、航海等領域,同時也作為第三代核電站主管道用鋼。

316LN鋼的化學成分和力學性能要求分別見表1和表2。

表1316LN鋼的化學成分要求(質量分數,%)

表2316LN鋼的力學性能要求

1、超低碳控制技術和控氮技術

316LN屬于超低碳控氮奧氏體不銹鋼,鋼中碳含量0.030%,氮含量0.10%～0.16%,采用常規電爐冶煉+LF精煉的工藝無法進行生產,可采用VOD工藝冶煉,在真空狀態下利用超音速拉瓦爾氧槍向鋼液中吹入氧氣,發生C-O反響,能夠在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳。

1.1、超低碳控制技術

(1)脫碳反響熱力學

VOD吹氧脫碳經過中碳氧反響冶金的熱力學規律[1],[C]+[O]=CO。上式的平衡常數為:

式中,K是鋼液碳氧反響的平衡常數;a[C]、a[O]是鋼液中C、O的活度(%);PCO是真空中CO的分壓(Pa);T是鋼液絕對溫度(K)。

由上式可知,為提高反響平衡常數,加速脫碳反響可采取下面措施:

1)提高鋼水進站溫度。隨著鋼水溫度的升高,鋼中的碳含量降低。但開吹前鋼水的溫度也不宜過高,溫度過高容易造成耐火材料侵蝕嚴重。

2)降低CO分壓。在鋼水溫度一定的前提下,高鉻鋼水進行脫碳反響,降低CO分壓PCO,鋼水中碳含量也越低,通過提高真空度降低CO分壓。考慮到真空吹氧經過中的噴濺問題,吹氧經過真空度需要控制在合理的范圍之內,同時必須保證鋼水外表盡可能無渣或者少渣,進站前需進行避渣操作。

(2)脫碳反響動力學

當鋼中碳含量接近碳氧平衡臨界值時,繼續高強度吹氧,脫碳速度降低,同時鉻的氧化加劇。因而,吹氧終點碳的控制是整個VOD精煉經過的關鍵。在低碳區脫碳的限制環節為碳在鋼水中的傳質,不取決于供氧強度。為了加速低碳區脫碳,應當采取下面措施:

1)提高氬氣流量,增加鋼水的攪拌強度,以增大反響界面積和碳的擴散速度。從鋼包底部吹入氬氣強烈攪拌能夠促使碳優先去除。

2)提高真空度,降低臨界含碳量。停氧后進一步提高真空度(67Pa),降低CO分壓,加速C-O反響,進一步降低鋼水終點碳含量。

1.2、控氮技術

316LN不銹鋼N含量在0.10%～0.16%,而通常冶煉澆注的鋼錠中N含量在0.010%左右,要增加鋼中氮含量,主要采用下面兩種途徑:(1)向鋼液吹入氮氣,通過氣體-熔體界面反響,將氮氣分子分解成熔體能夠吸收的氮原子;(2)通過向鋼液中參加氮化合金進行成分調整。由于氮化合金價格昂貴,利用資源豐富且便宜的氮氣作原料,通過前期向鋼液吹氮,后期補加氮化合金的方式方法進行氮的合金化,可大幅度降低含氮鋼生產成本。

氮在不銹鋼液中溶解度的影響因素有:鋼液溫度、氮分壓、鋼液的化學成分。在大氣中冶煉時,氮分壓是恒定不變的,因而氮在鋼液中的溶解度與鋼液溫度和鋼液的化學成分密切相關。氮與大部分合金元素都可構成氮化物,鋼液中的Cr、Mn等合金元素可提高氮的溶解度,所以隨著Cr、Mn等元素含量的增加,氮的溶解度也增加。

生產試驗150482F爐在鋼液1640℃時分兩批參加800kg氮化鉻,氮的收得率為51.7%,150483F爐在鋼液1600℃下面分三批參加700kg氮化鉻,取樣氮的收得率為66.2%。實踐證明:在高鉻鋼中,氮在鋼液中的溶解度隨溫度升高而降低[2]。因而避免鋼液溫度過高,有利于穩定和提高氮的溶解度。

2、冶煉經過

2.1、冶煉工藝流程

電爐冶煉LF精煉倒包除渣VOD+VCD微調成分保衛澆注

冶煉經過的關鍵環節為:真空吹氧脫碳、精煉復原以及鋼液的氮合金化。

2.2、真空吹氧脫碳和真空碳脫氧

除渣后的鋼包放入VOD真空罐內,啟動真空泵抽真空,同時包底吹氬氣攪拌。當真空度到達(10kPa～15kPa)時開場吹氧脫碳,根據氧濃差電勢、CO濃度和廢氣分析結果控制VOD吹煉經過,如此圖1所示。按現有VOD冶煉設備確定開吹溫度、真空度、氧槍高度、供氧強度、吹氬攪拌強度和真空碳脫氧制度等真空吹氧脫碳參數[3],VOD精煉經過參數見表3、4。

表3VOD精煉經過主要參數

表4VCD精煉主要參數

從圖1能夠看出吹氧5min后氧勢迅速上升至峰值,CO濃度也快速增加,表示清楚碳氧劇烈反響,此時提高氧氣流量至工藝最大值,加大供氧強度,提高脫碳速度;當碳含量接近臨界值時,C-O反響趨緩,氧勢出現陡降、CO濃度也趨于初始值,標志著在這里真空狀態下碳氧反響到達平衡,這時迅速提高真空度,緩吹3min后停氧,緩吹經過要降低氧氣流量至工藝最小值,以免造成大量的鉻燒損;停氧后將進一步提高真空度(67Pa),加大氬氣攪拌強度,在高真空的作用下,鋼水中充裕氧與碳繼續反響,進行真空碳脫氧,此時氧勢和CO濃度再次迅速升高,當氧勢和CO濃度從峰值快速下跌時,講明鋼水中的C-O反響漸漸趨于平衡,表示清楚鋼水中的碳已經降到很低,到達冶煉終點。

2.3、精煉復原

脫碳結束后要向鋼水中參加石灰、螢石等造渣材料和硅鐵、鋁和硅鈣粉等復原劑,進行脫氧和脫硫操作,精煉經過要保證熔渣的堿度和流動性,促使富鉻渣充分復原,精煉出鋼前向鋼液中喂入一定量的Si-Ca線,能夠使高熔點的Al2O3夾雜轉變為低熔點低密度的鈣鋁酸鹽夾雜,使鋼液脫氧完全且脫氧產物充分上浮,脫氧劑參加量及脫氧效果如表5所示。

圖1氧勢、廢氣溫度、真空度的變化

Figure1Variationofoxygenpotential,exhaustgastemperatureandvacuumdegree

表5鋼水的脫氧效果

2.4、氮合金化控制

VOD處理經過中,由于真空下,強烈的C-O反響生成CO氣泡,降低了鋼中N的分壓,鋼中的氮含量會明顯降低,VOD終點時N含量為0.0186%。包底吹氬置換為氮氣,鋼液中氮溶解度隨吹氮時間的變化如此圖2所示。

圖2鋼液中氮溶解度隨吹氮時間的變化

Figure2Changesofnitrogensolubilitywiththenitrogenblowingtimeinmoltensteel

從圖2能夠看出,鋼液中氮溶解度隨著吹氮時間的增加而增大,且吹氮約25min時鋼液中的氮溶解度基本到達平衡。吹氮30min,取樣分析鋼中氮含量為0.0483%。鋼水溫度控制在1600℃下面分批參加氮化鉻480kg(氮含量為9.4%),包底轉接氬氣軟吹10min,取樣分析[N]為0.155%,氮的收得率為81.3%。吹氬氣攪拌一方面為了均勻鋼液的成分,另一方面去除鋼液中游離氮,避免澆注時在鋼錠中構成氣泡。

3、冶金效果

3.1、化學成分

超低碳奧氏體不銹鋼316LN鍛件化學成分見表6。

表6鍛件化學成分(質量分數,%)

3.2、力學性能

超低碳控氮奧氏體不銹鋼封頭鍛件如此圖3所示,鍛件經超聲檢測和液體浸透檢測均知足技術要求。

固溶熱處理后進行了拉伸試驗,其結果均知足技術要求,如表7所示。

圖3超低碳不銹鋼鍛件

Figure3Theforgingofultra-lowcarbonstainlesssteel

表7鍛件力學性能

表8非金屬夾雜物評級及晶粒度

圖4316LN鋼的顯微組織

Figure4Themicrostructureof316LNsteel

3.3、高倍檢驗

非金屬夾雜物的評級檢驗結果及晶粒度見表8。

固溶熱處理后鍛件試樣的金相組織如此圖4所示,全為奧氏體組織,晶粒度到達4～5級。

4、結論

通過對316LN冶煉工藝技術問題的大量研究,得出結論如下:

(1)通過合理控制冶煉參數,VOD工藝生產316LN超低碳控氮型不銹鋼獲得了成功,產品的化學成分及各項性能指標均知足技術要求。

(2)生產控氮型不銹鋼采用底吹氮氣和氮化鉻調氮的方式方法,氮的收得率較高且鋼中氮含量穩定。

(3)采用硅鐵、Al以及Si-Ca復合脫氧劑