AOD-LF冶炼高氮高锰不锈钢的工艺实践

闫建新， 谭建兴， 武 鹏

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

生产实践·应用技术

AOD-LF冶炼高氮高锰不锈钢的工艺实践

闫建新， 谭建兴， 武 鹏

（山西太钢不锈钢股份有限公司， 山西 太原 030003）

45 tAOD使用含w（C）为2.0%，w（Cr）为21.5%，w（Si）为0.2%的电炉粗炼钢水进行冶炼，AOD精炼采用顶底复吹进行脱碳，在AOD炉使用电解锰进行锰合金化后钢中w（Mn）为16%，出钢时w（N）可达0.35%～0.38%，再通过氮化锰在LF炉进行调整，可生产w（N）大于0.60%，w（Mn）达20%的高氮高锰奥氏体不锈钢。

AOD LF 精炼 高氮高锰不锈钢 氮化锰 合金化

高氮不锈钢是指铁素体基体中w（N）大于0.08%或奥氏体基体中w（N）大于0.4%的钢[1]。高氮不锈钢具有很多优点，如高强度与高韧性、延展性好、低磁导率、良好的耐腐蚀性能等。这些特质主要得益于氮元素的添加。早期，如果钢中出现氮残余，会导致时效硬化、气孔以及偏析，造成钢铸件缺陷甚至报废。后来，研究人员发现氮可以显著提高钢的强度、增加钢中奥氏体组织的稳定性、提高钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能。除此之外，氮能够代替镍，且在不锈钢中不会对人体带来危害。因此，国内外对高氮不锈钢的研究越来越多。目前冶炼高氮不锈钢的方法主要有德国的加压电渣重熔工艺、保加利亚的反压铸造工艺、日本的VOD底吹氮气工艺以及粉末冶金工艺。但由于加压设备装置昂贵，生产成本较高，工业化生产受到一定的制约[2]。

1 化学成分与生产工艺流程

常压下冶炼高氮不锈钢的增氮工艺基本可以分为两类[3]：用富氮合金进行合金化；用氮气增氮。太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢）采用45 t AOD炉精炼吹氮气及LF加氮化锰的工艺，成功生产出了钢中w（N）超过0.6%的高氮高锰不锈钢（见表 1）。

表1 高氮高锰不锈钢的化学成分 %

生产工艺流程为：90 tEAF→45 tAOD→45 tLF→模铸。

通过上述工艺流程，生产出Φ550 mm或者Φ400mm的模铸电渣锭。

2 AOD脱碳

该高氮高锰不锈钢在太钢45 t AOD炉冶炼生产，电炉粗钢水温度为1 470～1 530℃，主要成分w（C）为 2.0%，w（Cr）为 21.5%，w（Si）为 0.2%，主要冶炼过程如下：

1）在高碳区（w（C）＞0.25%）进行顶底复吹脱碳，顶枪氧氮流量（m3/h）比例依次为 5.5∶1（3 300∶600），6∶1（2 400∶400），4.5∶1（1 800∶400），底枪氧氮流量（m3/h）比例依次为2.5∶ 1（1 500∶600），15∶8（1 500∶800），15∶ 8（1 500∶800）。吹炼过程加入2 100 kg石灰造渣脱硫。

2）w（C）从 0.25%吹炼至 0.02%过程，停止顶枪吹炼，只进行底吹氧氮进行脱碳精炼，氧氮流量（m3/h）比例依次为2∶1（2 040∶1 020），108∶39（2 160∶780），4∶1（2 160∶540），5∶1（2 100∶420），吹炼过程分批加入2 000 kg石灰进行造渣。

3）w（C）小于0.02%时准备进行还原，还原前将电解锰加入。

3 AOD还原

对于该不锈钢，还原采用硅铁，还原温度控制在1 680～1 700 ℃，硅铁加入量控制为 40～45 kg/t。还原扒渣后，加入500 kg石灰，300 kg萤石调渣，再向钢水中加入铝粉0.5 kg/t和硅钙粉0.5 kg/t进行深脱氧，钢中 w[O]可降低到（15～20）×10-6。

4 锰合金化和氮合金化

由于钢中含有16%的锰，AOD冶炼过程需加入电解锰。LF增氮时采用氮化锰进行氮的合金化。AOD电解锰的加入时机很重要，加入过早影响脱碳速度及效率，加入太晚影响钢水氮合金化效果以及钢水温度控制。实践证明：AOD氧化末期控制钢中w（Mn）为1%～3%，还原后控制钢中 w（Mn）为 15%～17%较合适，其余的锰在LF加氮化锰时进行补充。

在炼钢过程中，氮在钢中的溶解度取决于温度、氮气压力和钢液合金成分。高氮高锰钢并非只能在高压的氮气气氛中进行冶炼，含铬、锰成分高的钢种可以在1个标准大气压或稍低的氮气压力下在AOD中进行生产。钢水温度和各元素成分会影响氮的溶解度，根据热力学数据和实验数据导出了钢液中氮溶解度的新计算式[4]。

式中，PN2为氮压力；P0为标准大气压；为压力对氮活度的作用系数。当PN2/P0＞1.0时=0.06；当 PN2/P0＜1.0 时，=0。

从公式（1）中可以看出，随着钢液温度的上升，钢中氮的溶解度是下降的。在AOD生产过程中全程吹氮，氮气吹入量为4500～5000m3，出钢温度为1600～1630℃的条件下，钢中的氮含量远比理论值低，仅为0.35%～0.38%，这是因为溶解在钢液中的氮随着吹入的氮气泡又逸出钢水的缘故[5]。

为使钢中氮含量达到0.60%～0.65%，AOD出钢后，根据钢中的氮含量，在LF炉向钢包补加一定量的氮化锰，可以使钢中的氮含量达到0.62%，氮化锰合金中氮的收得率为70%～80%（见表2），同时由于氮化锰与钢渣反应较为剧烈，为保证氮收得率以及防止钢渣溢出钢包，需要控制钢水包的渣层厚度在100～150mm范围内，同时在加入氮化锰的过程中需要关闭LF炉底吹气体。

表2 氮化锰的加入量与钢中氮含量的关系

从图1可以看出，从兑钢开始，随着AOD吹入氮气，钢中氮含量一直升高，但冶炼后期氮含量增加缓慢，通过AOD出钢后在LF加入氮化锰，钢中氮含量可达0.62%。

图1 高氮高锰不锈钢冶炼过程氮含量变化

5 结论

1）AOD还原后，再向钢水中加入0.5kg/t的铝粉和0.5kg/t硅钙粉进行深脱氧，则钢中[O]可降低到（15～20）×10-6。

2）AOD氧化末期控制钢中锰在1%～3%范围内，还原后控制钢中锰在15%～17%范围内，对AOD冶炼高氮高锰不锈钢锰的合金化控制较合适。

3）仅靠AOD冶炼过程全部吹氮操作，高氮高锰不锈钢的钢中氮含量仅能达到0.35%～0.38%。

4）AOD出钢时需要控制钢水包的渣层厚度在100～150mm，出钢后通过在LF炉加入氮化锰能使w（N）达到0.62%，氮的收得率可达70%～80%。

5）该工艺目前已处于大生产阶段，过程控制、产品质量稳定，值得同行业在生产高氮高锰不锈钢上推广和借鉴。

[1] SpeidelM.O.高氮钢的性能和应用[G].高氮钢译文集.上海：上海钢铁研究所，1990：65.

[2] 曹春磊.新型高氮无镍不锈钢熔炼增氮效果分析[J].钢铁研究学报，2013，25（8）：16-17.

[3] 冯珊，张树格.高氮钢[J].机械工程材料，1993，17（6）：1-3.

[4] JiangZH，LiHB，ChenzP，eta1．TheNitrogenSolubilityin MoltenStainlessSteel[J].SteelResearchInternational，2005，76（10）：730-735．

[5] 范新智.45tAOD精炼高氮奥氏体不锈钢10Cr21Mn16NiN的工艺实践[J].特殊钢，2014，35（3）：28.

Technology Practice of High Nitrogen and High M anganese Stainless Steel Smelting w ith AOD and LF

Yan Jianxin,Tan Jianxing,W u Peng

（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003）

The main chemical composition of EAF primary liquid metal for steelmaking high nitrogen and high manganese stainless steel is 2.0%C,21.5%Cr,0.2%Si.The decarburizing of liquid is carried out by top-blowing and bottom side blowing oxygen-nitrogen,after manganese alloying by using electrolytic manganese in AOD,the Mn content in steel is up to 16%,and the nitrogen content in steel is 0.35%～0.38%.During LF treatment process,using manganese nitride formanganese and nitrogen alloying,the Mn content in steel is up to 20%,and the nitrogen content in steel ismore than 0.60%.

AOD;LF;refining;high nitrogen and highmanganese stainless steel;manganese nitride;alloying

TF704.5；TF769.2

A

1672-1152（2017）05-0060-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.23

2017-09-12

闫建新（1984—），男，2009年毕业于东北大学冶金工程专业，从事不锈钢精炼技术管理及产品开发，助理工程师。

（编辑：苗运平）