一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及不锈钢冶炼领域，特别涉及利用真空吹氧脱碳炉(V0D炉)真空精炼超低碳铁素体不锈钢的方法。
【背景技术】
[0002]研究表明，铁素体不锈钢铬含量一般为10?25%，其间隙元素C、N含量的降低有助于提高铁素体不锈钢性能，这些性能包括:室温脆性、耐蚀性和焊接点的延展性，通常将C+N总含量小于150ppm的铁素体不锈钢称为超纯铁素体不锈钢。工业生产中，通常走三步法生产这样的钢种,三步法为:EAF (电弧炉)+AOD (氩氧复吹炉)+VOD (真空吹氧脱碳炉)，VOD炉精炼是控制终点碳、氮含量最为关键的工序。
[0003]VOD常规操作如下:一、经AOD处理完的钢水用钢包运输进入VOD处理工位，初始碳含量一般控制在0.25?0.6%，合格后进入真空处理室，先预抽真空并底搅拌；二、真空条件下开始吹氧脱碳处理，底搅拌条件下顶吹氧脱碳，根据炉气成分来判断是否终止吹氧，当炉气中C0+C02含量低于一定值时，停止吹氧；三、超真空条件下自由脱碳处理，采用大搅拌；四、还原过程，加入硅铁、铝、石灰和萤石进行脱氧和硅的合金化；五、破真空；六、大气条件下喂丝并软搅拌，最后送浇铸。
[0004]常规方法由于在控制碳含量上能力有限，所以指望控制氮含量在极其低的范围来满足最后的碳加氮总含量符合超纯铁素体不锈钢要求，所以经常设定高的初始碳含量来满足脱氮需求。
[0005]随着超纯铁素体不锈钢产品技术的进步，希望氮含量并非越低越好，因为超纯铁素体不锈钢通常要钛合金化，并希望凝固过程预先析出TiN作为异相形核核心促进铁素体形核以提高铸坯等轴晶率以及细化凝固组织，含钛铁素体不锈钢希望产品氮含量在80?120ppm之间较为合适，这样对脱氮的要求有所降低，而对控制碳含量的要求有所提高，基本要求碳含量控制在60ppm以下。常规操作中，由于初始碳设定过高，导致了吹氧量大，IlOtVOD炉吹氧量在800-1400Nm3之间，带来的负面作用有:1)脱碳生成了大量的Cr2O3, —般会超过2t，高纯的Cr2O3渣导致自由脱碳过程钢液的流动，影响了高真空自由脱碳的效率，且在还原阶段需要加更多的还原剂去还原它，石灰和萤石等造渣剂加入量也很大，导致成本大大提升；2)渣量巨大，经常会超过5吨渣，显然化渣更困难，且炉渣覆盖在钢液上方，不易于继续脱碳和脱氮；3) VOD真空处理时间长，经常为90min以上；4)吹氧结束温度高，经常1730°C?1780%，导致耐材损耗严重，并导致耐材向钢中增碳严重；五)大量的石灰加入导致石灰增碳严重，直接导致成品碳控制不稳定，碳含量经常大于120ppm ；5)渣量大导致钢液脱氮能力降低，终点氮含量控制也未达到预期目标。
[0006]针对这些问题，如下专利提出了相应的新方法。
[0007]日本专利公开号JP8209226(A)提出了一种在真空精炼过程中用喷枪向钢液表面喷吹铁矿石、锰矿石等氧化剂，可在高碳区促进脱氮反应，在低碳区强化脱碳反应的方法，此方法也称为VOD-PB法，此方法优点是脱氮效率非常高，然而此方法要求的设备复杂，同时喷吹矿粉可能会导致钢液增磷和增硫。
[0008]日本专利公开号JP11106823通过增大底吹气体流量从而对钢液大搅拌的方法来提高VOD处理过程的脱碳和脱氮效率，本发明方法在全球得到了广泛的应用，然而，过大的底搅拌强度会引发大喷溅，所谓的强搅拌法其实是受到很大制约的。
[0009]韩国专利公开号KR20030003846提出了在停氧后的高真空自由脱碳过程中喷吹石灰来提高脱碳速率并防止石灰向钢液增碳，然而预喷进的石灰很难熔化，会形成坚硬的固体渣，反而影响熔池的流动。
[0010]中国专利公开号CN101058837A提出了 VOD冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，实际上为常规VOD操作步骤，此专利在钢液深脱氧后处理时间太短，这对钢液脱硫是不利的。
[0011]中国专利公开号CN101768656A提出VOD冶炼超低碳铁素体不锈钢的方法，主要要求动态脱碳来提高脱碳效率，并采取两次还原法了防止石灰增碳，然而初始碳含量要求过大，碳含量质量百分比在0.25%?0.60%之间，直接会导致前面所表述的负面影响。
[0012]中国专利公开号CN102199688A提出一种高效精炼超纯铁素体不锈钢的方法，要求前期加铝升温、自由脱碳过程顶吹氩提高自由脱碳效率，并强调少吹氧冶炼，然而，由于碳含量还设定在0.25%?0.60%之间，则少吹氧冶炼的能力有限，则还会导致前面所表述的负面影响，同时，自由脱碳过程顶吹氩要求设备改动过大，可实施性难度加大。
[0013]通过对VOD冶炼超纯铁素体不锈钢的深入研究发现，控制冶炼过程的增碳和增氮对控制最终的碳、氮含量极其重要，不能仅仅依赖增加初始碳含量来提升脱氮水平，如果降低渣量，则整个VOD冶炼阶段均能保持高效率的脱氮，终点氮含量控制在合理范围不成问题，则可将初始碳含量降低，降低吹氧量，并降低渣量，实现少渣冶炼，少渣冶炼可大大降低石灰和耐材增碳的风险，基于这样的考虑，确保终点碳在极低范围。我们还发现，采取少渣冶炼只要方法合适，可以保证最终的钢水温度以及保证VOD处理结束后钢液-渣间去除夹杂的能力。由此提出了本方法。
【发明内容】
[0014]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，该方法可大大降低冶炼成本和缩短冶炼周期，并可稳定控制碳含量在小于60ppm的范围。
[0015]本发明的技术解决方案如下:一种少渣冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，依次包括如下步骤:
[0016](I)钢包进入真空吹氧脱碳炉V0D，真空罐内压力小于lOOPa，钢液初始铬含量质量百分比10%?22%，优选11.7%?17.6% ;碳含量质量百分比0.08%?0.15%,优选0.1%?0.13% ;氮含量质量百分比彡0.015%，优选彡0.012%，钢液初始温度高于1650°C ；
[0017](2)抽真空，并顶吹氧脱碳，同时底部吹入氩气对钢液进行搅拌，顶吹氧流量260L/(min.(t钢))?310L/(min.(t钢))，真空压力控制在12kPa?2kPa,并随着脱碳的进行，真空压力逐步降低，不允许真空压力回升；
[0018]本发明优选用氧枪向钢液熔池顶部吹氧脱碳，同时通过钢包底部透气砖向钢液熔池内吹入氩气对钢液进行搅拌。
[0019](3)停止吹氧:当钢液温度达到1680?1720°C时，优选1700?1710°C时，停止吹氧，保持当前的真空压力，随后加入铝块、硅铁进行预脱氧和造渣；
[0020](4)超真空自由脱碳处理，真空压力小于lOOOPa，优选400_200Pa ;底吹氩总流量2L/ (min.(t 钢))?6L/ (min.(t 钢))，处理时间 15 ?25min ；
[0021](5)加入硅铁和铝脱氧，并实现钢中硅的合金化，铝加入量满足当前渣内的剩余Cr2O3中的70%?90%被还原，优选76%?82%被还原，硅铁加入量满足硅含量满足产品要求的0.2%?0.5%之间，并加入碳酸钙质量含量小于1.5%的石灰造渣；本阶段真空压力小于100Pa,底吹気总流量2L/ (min.(t钢))?61/ (min.(t钢)),处理时间5?1min,优选处理时间6?8min ；
[0022](6)还原并终脱氧，加入铝块和石灰进行终脱氧，铝块加入量要求全部还原炉渣内Cr2O3，并降低钢中氧含量到50ppm以下，石灰加入量为铝块量的1.0?1.5倍；本阶段真空压力小于lOOOPa，底吹氩总流量2L/(min.(t钢))?6L/(min.(t钢))，处理时间10?15min ；
[0023](7)停止搅拌，提升真空压力并破真空，软搅拌，喂丝，再软搅拌，钢包进入连铸工位进行浇铸。
[0024]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(3)中加入铝块和硅铁加入量要求满足吹氧生成的Cr2O3中的76?86%被还原成铬，优选80?83%，铝块和娃铁内的纯娃之间的质量比为1.2?1.6,优选1.35?1.5 ;
[0025]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(3)中还可加入石灰，所述石灰的加入量为确保处理后炉洛成分满足如下质量含量比为Ca0/Al203=l.0?2.5，优选 Ca0/Al203=l.9 ?2.1 ；Ca0/Si02=0.8-1.5，优选 Ca0/Si02=l.17-1.38 ； Cr2O3=1 ?20%。
[0026]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(3)中加入硅铁和铝脱氧时，物料加入速度4kg/s?10kg/S，底吹氩总流量在2L/(min.(t钢))?4L/(min.(t 钢))。
[0027]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(5)中石灰加入量满足最终炉渣成分中Cr2O3含量2?5% ；Ca0/Al203=2.0?3，优选Ca0/Al203=2.5?2.9 ;Ca0/Si02=2.0-4.5，优选 Ca0/Si02=2.8-3.5。
[0028]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(5)中还可以加入萤石，所述萤石加入量为石灰加入量的0.05?0.1倍。
[0029]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，经所述步骤(6)后的炉渣成分为 Cr2O3 含量 <1%, Ca0/Al203=l.8 ?3，优选的是 Ca0/Al203=2.5 ?2.8 ；Ca0/Si02=2.2-5，优选的是Ca0/Si02=3.0-3.3 ；.最终渣量控制在20?32kg/吨钢。
[0030]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，经所述真空吹氧脱碳炉VOD处理后，钢液中碳加氣总质量含量要求稳定控制在180ppm以下，其中碳含量稳定控制在60ppm以下，钢液温度1590?1620°C。
[0031]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，所述钢包的内衬耐材选自镁钙砖或者镁碳砖。当冶炼终点碳含量要求小于50ppm或铬含量大于18%的超纯铁素体不锈钢，选用镁I丐砖为钢包内衬耐材，冶炼其他超纯铁素体不锈钢选用镁碳砖为钢包内衬耐材，可在冶炼前就选择好用何种耐材钢包装钢水。
[0032]根据本发明所述的冶炼超纯铁素体不锈钢的方法，在所述步骤(6)中加入铝