316LN超低碳控氮不锈钢冶炼技术

316LN超低碳控氮不锈钢冶炼技术

祁一星  薛良良  张艳召  吴前锋

（中信重工机械股份有限公司）

摘  要：本文对VOD过程的重要参数和氮合金化过程控制要点等问题进行了讨论，采用30tEBT+40tLF+VOD+底吹氮气＆氮化铬调氮+Ar气保护浇注的工艺生产316LN超低碳控氮不锈钢，取得良好效果，成分达到标准，并且产品的各项性能均满足技术要求。

关键词：超低碳；VOD精炼；参数控制；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超低碳控氮奥氏体不锈钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态，具有优异的力学性能和良好的耐蚀性，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，被广泛应用于石油化工、航海等领域，同时也作为第三代核电站（AP1000）的主管道用钢。

316LN的化学成分和机械性能要求分别见表1和表2。

表1 316LN钢的化学成分（%）

Table 1 Chemical composition of 316LN steel  

表2 316LN钢的机械性能

Table 2 Mechanical properties of 316LN steel

2  316LN不锈钢超低碳控制技术和控氮技术

316LN属于超低碳控氮奥氏体不锈钢，钢中碳含量≤0.03%，氮含量0.10-0.16%，采用常规EBT初炼+LF精炼的工艺无法进行生产，需要采用VOD工艺，在真空状态下利用超音速拉瓦尔氧枪向钢水中吹入氧气，发生C-O反应，降低钢中碳含量。

2.1 超低碳控制技术

（1）脱碳反应热力学

   VOD吹氧脱碳过程中碳氧反应冶金的热力学规律^[1]，[C]+[O]=CO↑。上式的平衡常数为：

式中K——钢液碳氧反应的平衡常数；a_[C]、a_[O]——钢液中C、O的活度/%；P_CO——真空中CO的分压/%；T——钢液绝对温度/K。

由上式可知，为提高反应平衡常数，可采取以下措施：

①提高钢水温度。随着吹炼前钢水温度的升高，钢中的碳含量降低。但开吹前钢水的温度也不宜过高，温度过高会造成耐火材料熔损。

②降低CO分压。在温度一定的条件下，对高铬钢水进行脱碳，CO分压P_CO越低，钢水中碳含量也越低。为了降低CO分压，必须保证钢水表面尽可能无渣或者少渣。

（2）脱碳反应动力学

当钢中碳含量低于临界量时，继续高强度吹氧，脱碳速度降低，同时铬的氧化加剧。因此，吹氧终点碳的控制是整个VOD精炼过程的关键。在低碳区脱碳的限制环节为碳在钢水中的传质，不取决于供氧强度。为了加速低碳区脱碳，应当采取以下措施：

①加强对钢水的搅拌，以增大反应界面积和扩散速度。

②提高真空度，降低临界含碳量。从钢包底部吹入氩气强烈搅拌可以促使碳优先去除。同时，停氧后进一步提高真空度（≤67Pa），C-O反应靠吹入高强度的氩气驱动，可进一步降低钢水终点碳含量。

2.2 控氮技术

316LN不锈钢中的N含量在0.10-0.16%，而通常冶炼浇注的钢锭中N含量在0.010%左右，要增加钢中氮含量，主要采用两种途径：①通过气体-熔体界面反应，将氮气分子分解成熔体可以吸收的原子形态的氮；②通过向熔体中加入含氮合金进行成分调整。由于氮化合金价格昂贵，利用资源丰富且廉价的氮气作原料，通过前期向钢液吹氮，后期补加氮化合金的方法进行氮的合金化，可大幅度降低含氮钢生产成本。

温度、氮分压、钢液的化学成分均影响氮在不锈钢液中溶解度。在大气中冶炼氮分压是恒定不变的，因此氮在不锈钢液中的溶解度除与钢液温度有关外，还与钢液的化学成分有很大的关系。氮与大部分合金元素都可形成氮化物，钢液中的Cr、Mn等合金元素可提高氮的溶解度，所以随着Cr、Mn等元素含量的增加，氮的溶解度也增加；在高铬钢中，氮在钢液中的溶解度随温度升高而降低^[2]。因此避免钢液温度过高，有利于稳定和提高氮的溶解度。

3 冶炼过程

3.1 冶炼工艺流程

电炉冶炼LF精炼倒包除渣VOD+VCD微调成分保护浇注

冶炼过程的关键环节为：真空吹氧脱碳、精炼还原以及钢液的氮合金化。

3.2 真空吹氧脱碳和真空碳脱氧

除渣后的钢包放入VOD真空罐内，开动真空泵抽真空，同时包底吹氩气搅拌。当真空度达到（10-15kPa）时开始吹氧脱碳，根据氧浓差电势、CO浓度和废气分析结果控制精炼过程如图1所示。真空吹氧脱碳工艺按现有不锈钢冶炼设备确定开吹温度、真空度、氧枪高度、供氧强度、吹氩搅拌强度和真空碳脱氧制度等，具体工艺参数见表3、4。

表3 VOD精炼主要参数

Table 3  Main parameters of VOD refining

表4 VCD精炼主要参数

Table 4  Main parameters of VCD refining

从图1可以看出吹炼5分钟后氧浓差电势陡然上升至峰值，CO也急剧增加至峰值。当碳含量接近临界值时，C-O反应趋慢，氧浓差电势值陡降趋于零位、CO也趋于初始值，标志着在此真空状态下碳氧反应达到平衡，这时迅速提高真空度，缓吹3-5分钟后停氧，缓吹过程要适当减少氧气流量，以免造成大量的铬烧损。停氧后将真空度提升到67Pa以下，加大氩气搅拌强度，在高真空的作用下，钢水中富余氧与碳继续反应，进行真空碳脱氧。氧电势值和CO再次迅速升高，当氧电势值和CO从高峰快速下跌时，说明钢水中的C-O反应渐渐趋于平衡，表明钢水中的碳已经降到很低，达到吹炼终点。

图1 电势、尾气温度、真空度的变化

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

3.3 精炼还原

脱碳结束后要向钢水中加入CaO、预熔渣等造渣材料和硅铁、铝等还原剂，要保证熔渣的碱度和流动性，使富铬渣充分还原，进行脱氧和脱硫操作，出钢前向钢液中喂入一定量的Si-Ca线，可以使高熔点的Al₂O₃夹杂转变为低熔点低密度的钙铝酸盐夹杂，使钢液脱氧完全且脱氧产物上浮，脱氧剂加入量及脱氧效果如表5所示。

表5 钢水的脱氧效果

Fig.5 Deoxidation effect of molten steel

3.4 氮合金化控制

VOD处理过程中，由于真空下，强烈的C-O反应生成CO气泡，降低了钢中N的分压，钢中的氮含量会明显降低，VOD终点时N含量为0.0186%。包底吹氩置换为氮气，钢液中氮溶解度随吹氮时间的变化如图2所示。

从图2中可以看出：钢液中氮溶解度随着吹氮时间的增加而增大，且吹氮约25分钟时钢液中的氮溶解度基本达到平衡。吹氮30分钟，取样分析钢中氮含量为0.0483%。钢水温度控制在1600℃以下分批加入氮化铬580kg（氮含量为9.4%），包底转接氩气软吹10 min，取样分析钢中氮含量为0.155% , 氮的收得率为71.3%。吹氩气搅拌一方面为了均匀钢液的成分，另一方面清除钢液中游离氮，避免浇注时在钢锭中形成气泡。

图2 钢液中氮溶解度随吹氮时间的变化

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

4 冶金效果

4.1 化学成分

   超低碳奥氏体不锈钢316LN锻件化学成分见表6。

表6 锻件化学成分（%）

Table 6 The chemical composition of forging ( % )

4.2 力学性能

超低碳控氮奥氏体不锈钢封头锻件如图3所示，锻件经超声波和液体渗透检测均满足技术要求。

固溶热处理后进行了拉伸试验，其结果均满足技术要求，如下表7。

图3 超低碳不锈钢锻件

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

表7锻件力学性能

Table 7 Mechanical properties of forging

4.3 高倍检验

   非金属夹杂物的评级检验结果及晶粒度见表8。

表8 非金属夹杂物评级及晶粒度

Table 8 Non-metallic inclusion and grain size

   固溶热处理后锻件试样的金相组织见图4所示，全为奥氏体组织，晶粒度达到4-5级。

图4 316LN钢的显微组织

Fig.4 The microstructure of 316LN steel

5 结论

通过对316LN冶炼工艺技术问题的大量研究，得出结论如下：

  （ 1）通过合理控制冶炼参数，VOD工艺生产316LN超低碳控氮型不锈钢取得成功，产品的化学成分及各项性能指标均满足技术要求。

（2）生产控氮型不锈钢采用底吹氮气和氮化铬调氮的方法，氮的收得率较高且钢中氮含量稳定。

（3）采用硅铁、Al以及Si-Ca复合脱氧剂脱氧，造较高碱度的还原渣、气体保护浇注等措施，钢的夹杂物能满足技术要求。

参考文献

[1] 徐匡迪. 不锈钢精炼[Ｍ]. 上海：上海科学技术出版社. 1985: 41-43

[2] 向大林,王克武,朱孝清,等. Cr18Mn18N护环用钢电渣重熔技术的开发研究[J]. 上海金属, 1996, 18 (4)