316LN超低碳控氮不銹鋼冶煉技術

祁一星  薛良良  張艷召  吳前鋒

（中信重工機械股份有限公司）

摘  要：本文對VOD過程的重要參數和氮合金化過程控制要點等問題進行了討論，采用30tEBT+40tLF+VOD+底吹氮氣＆氮化鉻調氮+Ar氣保護澆注的工藝生產316LN超低碳控氮不銹鋼，取得良好效果，成分達到標準，并且產品的各項性能均滿足技術要求。

關鍵詞：超低碳；VOD精煉；參數控制；氮含量

316LN ultra-low carbon nitrogen control

stainless steel smelting technology

Qi Yixing，Xue Liangliang，Zhang Yanzhao，Wu Qianfeng

（CITIC Heavy Industries CO.,LTD，Luoyang  471003）

Abstract:The important parameters of the VOD process and the control points of the nitrogen alloying process are discussed in this paper.The 316LN ultra-low carbon oxygen-containing stainless steel was produced using the 30t EBT+40t LF+bottom-blown nitrogen and chromium nitride nitrogen-adjusted+Ar gas protection casting process.Good results were achieved,the composition reached the standard. And the performance indicators all meet the technological requirements.

Key words:Ultra-low carbon; VOD refining; Parameter control;Nitrogen Alloying

1 前言

   316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼中含有大量的Ni和Cr，使鋼在室溫下呈奧氏體狀態，具有優異的力學性能和良好的耐蝕性，在氧化性和還原性介質中耐蝕性均較好，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（AP1000）的主管道用鋼。

316LN的化學成分和機械性能要求分別見表1和表2。

表1 316LN鋼的化學成分（%）

Table 1 Chemical composition of 316LN steel  

表2 316LN鋼的機械性能

Table 2 Mechanical properties of 316LN steel

2  316LN不銹鋼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≤0.03%，氮含量0.10-0.16%，采用常規EBT初煉+LF精煉的工藝無法進行生產，需要采用VOD工藝，在真空狀態下利用超音速拉瓦爾氧槍向鋼水中吹入氧氣，發生C-O反應，降低鋼中碳含量。

2.1 超低碳控制技術

（1）脫碳反應熱力學

   VOD吹氧脫碳過程中碳氧反應冶金的熱力學規律^[1]，[C]+[O]=CO↑。上式的平衡常數為：

式中K——鋼液碳氧反應的平衡常數；a_[C]、a_[O]——鋼液中C、O的活度/%；P_CO——真空中CO的分壓/%；T——鋼液絕對溫度/K。

由上式可知，為提高反應平衡常數，可采取以下措施：

①提高鋼水溫度。隨著吹煉前鋼水溫度的升高，鋼中的碳含量降低。但開吹前鋼水的溫度也不宜過高，溫度過高會造成耐火材料熔損。

②降低CO分壓。在溫度一定的條件下，對高鉻鋼水進行脫碳，CO分壓P_CO越低，鋼水中碳含量也越低。為了降低CO分壓，必須保證鋼水表面盡可能無渣或者少渣。

（2）脫碳反應動力學

當鋼中碳含量低于臨界量時，繼續高強度吹氧，脫碳速度降低，同時鉻的氧化加劇。因此，吹氧終點碳的控制是整個VOD精煉過程的關鍵。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，應當采取以下措施：

①加強對鋼水的攪拌，以增大反應界面積和擴散速度。

②提高真空度，降低臨界含碳量。從鋼包底部吹入氬氣強烈攪拌可以促使碳優先去除。同時，停氧后進一步提高真空度（≤67Pa），C-O反應靠吹入高強度的氬氣驅動，可進一步降低鋼水終點碳含量。

2.2 控氮技術

316LN不銹鋼中的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，主要采用兩種途徑：①通過氣體-熔體界面反應，將氮氣分子分解成熔體可以吸收的原子形態的氮；②通過向熔體中加入含氮合金進行成分調整。由于氮化合金價格昂貴，利用資源豐富且廉價的氮氣作原料，通過前期向鋼液吹氮，后期補加氮化合金的方法進行氮的合金化，可大幅度降低含氮鋼生產成本。

溫度、氮分壓、鋼液的化學成分均影響氮在不銹鋼液中溶解度。在大氣中冶煉氮分壓是恒定不變的，因此氮在不銹鋼液中的溶解度除與鋼液溫度有關外，還與鋼液的化學成分有很大的關系。氮與大部分合金元素都可形成氮化物，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；在高鉻鋼中，氮在鋼液中的溶解度隨溫度升高而降低^[2]。因此避免鋼液溫度過高，有利于穩定和提高氮的溶解度。

3 冶煉過程

3.1 冶煉工藝流程

電爐冶煉LF精煉倒包除渣VOD+VCD微調成分保護澆注

冶煉過程的關鍵環節為：真空吹氧脫碳、精煉還原以及鋼液的氮合金化。

3.2 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，開動真空泵抽真空，同時包底吹氬氣攪拌。當真空度達到（10-15kPa）時開始吹氧脫碳，根據氧濃差電勢、CO濃度和廢氣分析結果控制精煉過程如圖1所示。真空吹氧脫碳工藝按現有不銹鋼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，具體工藝參數見表3、4。

表3 VOD精煉主要參數

Table 3  Main parameters of VOD refining

表4 VCD精煉主要參數

Table 4  Main parameters of VCD refining

從圖1可以看出吹煉5分鐘后氧濃差電勢陡然上升至峰值，CO也急劇增加至峰值。當碳含量接近臨界值時，C-O反應趨慢，氧濃差電勢值陡降趨于零位、CO也趨于初始值，標志著在此真空狀態下碳氧反應達到平衡，這時迅速提高真空度，緩吹3-5分鐘后停氧，緩吹過程要適當減少氧氣流量，以免造成大量的鉻燒損。停氧后將真空度提升到67Pa以下，加大氬氣攪拌強度，在高真空的作用下，鋼水中富余氧與碳繼續反應，進行真空碳脫氧。氧電勢值和CO再次迅速升高，當氧電勢值和CO從高峰快速下跌時，說明鋼水中的C-O反應漸漸趨于平衡，表明鋼水中的碳已經降到很低，達到吹煉終點。

圖1 電勢、尾氣溫度、真空度的變化

Fig1 Variation of oxygen potential, off gas temperature and vacuum degree

3.3 精煉還原

脫碳結束后要向鋼水中加入CaO、預熔渣等造渣材料和硅鐵、鋁等還原劑，要保證熔渣的堿度和流動性，使富鉻渣充分還原，進行脫氧和脫硫操作，出鋼前向鋼液中喂入一定量的Si-Ca線，可以使高熔點的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上浮，脫氧劑加入量及脫氧效果如表5所示。

表5 鋼水的脫氧效果

Fig.5 Deoxidation effect of molten steel

3.4 氮合金化控制

VOD處理過程中，由于真空下，強烈的C-O反應生成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圖2所示。

從圖2中可以看出：鋼液中氮溶解度隨著吹氮時間的增加而增大，且吹氮約25分鐘時鋼液中的氮溶解度基本達到平衡。吹氮30分鐘，取樣分析鋼中氮含量為0.0483%。鋼水溫度控制在1600℃以下分批加入氮化鉻580kg（氮含量為9.4%），包底轉接氬氣軟吹10 min，取樣分析鋼中氮含量為0.155% , 氮的收得率為71.3%。吹氬氣攪拌一方面為了均勻鋼液的成分，另一方面清除鋼液中游離氮，避免澆注時在鋼錠中形成氣泡。

圖2 鋼液中氮溶解度隨吹氮時間的變化

Fig.2 Changes of nitrogen solubility with the nitrogen blowing time

4 冶金效果

4.1 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（%）

Table 6 The chemical composition of forging ( % )

4.2 力學性能

超低碳控氮奧氏體不銹鋼封頭鍛件如圖3所示，鍛件經超聲波和液體滲透檢測均滿足技術要求。

固溶熱處理后進行了拉伸試驗，其結果均滿足技術要求，如下表7。

圖3 超低碳不銹鋼鍛件

Fig.3 The forging of ultra-low carbon stainless steel

表7鍛件力學性能

Table 7 Mechanical properties of forging

4.3 高倍檢驗

   非金屬夾雜物的評級檢驗結果及晶粒度見表8。

表8 非金屬夾雜物評級及晶粒度

Table 8 Non-metallic inclusion and grain size

   固溶熱處理后鍛件試樣的金相組織見圖4所示，全為奧氏體組織，晶粒度達到4-5級。

圖4 316LN鋼的顯微組織

Fig.4 The microstructure of 316LN steel

5 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取得成功，產品的化學成分及各項性能指標均滿足技術要求。

（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復合脫氧劑脫氧，造較高堿度的還原渣、氣體保護澆注等措施，鋼的夾雜物能滿足技術要求。

參考文獻

[1] 徐匡迪. 不銹鋼精煉[Ｍ]. 上海：上海科學技術出版社. 1985: 41-43

[2] 向大林,王克武,朱孝清,等. Cr18Mn18N護環用鋼電渣重熔技術的開發研究[J]. 上海金屬, 1996, 18 (4)