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超低碳不銹鋼冶煉技術(shù)研究

文檔作者：馬騰霄金楊文檔來(lái)源：二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月27日
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No．5
September 2015
Ck型鑄鍛件》
HEAVY CAS nNG AND F0RGING
超低碳不銹鋼冶煉技術(shù)研究
馬騰霄金楊
(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四J JI 618013)
摘要：從熱力學(xué)方面介紹了超低碳鋼VOD冶煉吹氧時(shí)去碳保鉻的影響因素，對(duì)ASTM A473鋼的成品碳超
標(biāo)問題進(jìn)行了原因分析，在操作上采取了改進(jìn)措施。
關(guān)鍵詞：VOD；去碳保鉻；改進(jìn)措施
中圖分類號(hào)：TF764 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Research on Smelting Process of Extra—low Carbon Stainless Steel
Ma Tengxiao，Jin Yang
Abstract：The influence factor of decarburizing and keeping chromium for extra-low carbon stainless steel during
VOD smelting and oxygen blowing has been introduced in the aspect of thermodynamics．The reason of overproof carbon
content of finished product of ASTM A473 steel has been analyzed．Meanwhile，the improvement measures have been
adopted during the operation process．
Key words：VOD；decarburizing and keeping chromium；improvement measui~B
對(duì)于一些超低碳不銹鋼，例如安德里茨
ASTM A473，標(biāo)準(zhǔn)要求熔煉成分C≤0．035％ ，為
了防止由于VOD吹煉后補(bǔ)加渣料、鉻合金及再次
送電時(shí)增碳而引起成品碳的超標(biāo)，操作上要求
VOD吹氧結(jié)束后碳能夠達(dá)到0．01％。但是在
150t鋼包爐上對(duì)ASTM A473生產(chǎn)時(shí)，VOD吹氧
后碳大都為0．02％ 一0．03％ ，且鉻元素氧化量
大，引起最后補(bǔ)加渣料、鉻合金時(shí)成品碳超標(biāo)，因
此有必要對(duì)其原因進(jìn)行分析，并在VOD操作上采
取必要的改進(jìn)措施。
1 去碳保鉻的熱力學(xué)基礎(chǔ)
去碳保鉻的熱力學(xué)反應(yīng)式 為：
4[c]+(Cr30 )=3[cr]+4C0 (1)
該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能變化值
為：
AG。=934 706—617．22T(J·mol )
該反應(yīng)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能變化值
為：
AG=AG +RTln[a3c (Pc0／P 4]／ 口c ]
= 934 706—617．22T+19．147Tlg[A [Cr]
(P 。／P 4]／[ [c] (J-mol ) (2)
式中，a 、a 分別是去碳保鉻反應(yīng)中鉻和碳在鋼
水中的活度；Pc0為CO的分壓；T是溫度；P 是標(biāo)
準(zhǔn)大氣壓；0Cr304是渣中(Cr 0 )的活度，因?yàn)樵?
的(Cr，O )處于飽和狀態(tài)，所以活度為a od=1。
收稿日期：20l4—1O—31
28
分別是碳、鉻的活度系數(shù)。 的計(jì)算：
l =eC [C]+e拿[cr]+e [Ni] (3)
ldc =ecC [C]+e罷[cr]+e Ni] (4)
各元素的相互作用系數(shù)值為：e：=0．14，eC =
一0．024， cN = 0． 012，ecr C = 一 0． 000 3， cC =
一0．12，。cT Ni=0． 000 2。
將各元素的相互作用系數(shù)值代入公式(3)、
公式(4)求出l 和l ，代人公式(2)得出AG
的表達(dá)式：
AG=934 706-617．22T+19．147T{31g[Cr]+
41g(Pco／P )-41g[C]+0．095 1[Cr]一
0．92[C1—0．047 4『Ni]} (5)
由反應(yīng)式(1)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能變化
值可以看出，溫度越高，反應(yīng)的吉布斯自由能越
低，反應(yīng)越向右進(jìn)行。當(dāng)AG=0時(shí)的反應(yīng)溫度稱
為碳、鉻的臨界轉(zhuǎn)變溫度，只有VOD吹氧過程中
溫度始終高于臨界氧化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，才能達(dá)到降
碳保鉻的目的。
由公式(5)可知，臨界轉(zhuǎn)換溫度跟鋼水中平
衡的[c]、[cr]、[Ni]以及P 。／P 存在一定的定
量關(guān)系。
2 原因分析
利用公式(3)、公式(4)計(jì)算，將以往的主管
道SA37679316LN冶煉與2014年ASTM A473葉
片冶煉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表1，可以看出，經(jīng)過熱
力學(xué)計(jì)算后，在其他條件基本相同的情況下，隨著
《大型鑄鍛件》
HEAVY CASTING AND FORGING
No．5
September 2015
表1 VOD冶煉數(shù)據(jù)對(duì)比
Table 1 Data comparison of VOD smelting
[cr] [c] [Ni] cr氧化量 VOD后碳含量
鋼種 lg lgrc
(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)
SA37679316LN 15．00 O．27 13．3O 1．8 0．O1 ～0．163 —0．034
SA37679316LN 13．99 0．26 13．01 1．2 0．O1 —0．143 —0．033
SA37679316LN 14．90 O．22 13．11 1．5 O．O1 一O．169 —0．028
SA37679316LN 14．73 0．23 13．21 1．4 0．o0 ～0．163 —0．029
SA37679316LN 14．97 O．23 13．55 1．4 0．01 ～0．164 —0．029
SA37679316LN 15．27 0．26 l3．62 1．5 O．O1 —0．167 —0．033
SA37679316LN 15．06 O．2O 13．40 1．1 0．01 —0．173 —0．026
SA376793 16I 15．O1 O．30 13．60 1．2 0．01 ～0．155 —0．038
SA37679316LN 14．93 O．27 13．39 1．O 0．01 —0．160 —0．034
SA37679316LN 14．97 O．23 13．55 1．5 0．Ol 一O．164 —0．029
SA37679316LN 14．85 0．26 13．25 1．4 0．01 —0．161 —0．033
SA37679316LN 14．97 O．21 13．39 1．O O．O1 —0．169 —0．027
AS1rM A473 12．5O 0．22 4．10 1．6 0．03 —0．220 —0．029
ASTM A473 12．24 O．22 4．13 1．4 0．02 —0．213 —0．029
ASTM A473 12．27 O．29 4．04 1．6 0．02 —0．205 —0．038
ASTM A473 12．O8 0．31 4．O8 1．8 0．03 —0．198 —0．04 0
鋼水中Ni含量的降低，鋼水中[c]的活度系數(shù)
依次降低，主管道SA37679316LN中[Ni]含量約
13．0％ ，l 大約在一0．165附近，葉片ASTM
A473中[Ni]含量約3．5％ ，l 大約在一0．210
附近?；疃认禂?shù) 的降低，使得鋼水脫碳變的困
難。因此VOD吹煉后主管道SA37679316LN碳
大都在0．01％，而葉片ASTM A473在VOD后碳
大都為0．02％ ～0．03％ 。
3 VOD操作改進(jìn)
要使葉片ASTM A473吹煉后C達(dá)到0．01％
需改進(jìn)VOD操作。
3．1 降低吹氧時(shí)的[Cr]／[c]值
3．1．1 [Cr]／[C]對(duì)臨界轉(zhuǎn)換溫度的影響
在VOD吹氧降碳時(shí)，鋼液中碳、鉻的氧化與
臨界轉(zhuǎn)換溫度有明顯的關(guān)系，以安德里茨不銹鋼
葉片ASTM A473為例，當(dāng)CO分壓在7 000 Pa時(shí)
進(jìn)行吹氧降碳操作時(shí)，如果終點(diǎn)碳要達(dá)到0．01％
時(shí)，應(yīng)用公式(5)對(duì)不同[Cr]／[C]條件下臨界溫
度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2、圖1所示，可以看出
[Cr]／[C]與臨界反應(yīng)溫度近似呈直線關(guān)系。即
鋼液中平衡的[cr]／[C]隨著溫度的增加而提高。
就是說在鋼中含鉻量一定的條件下，吹氧脫
碳要求的終點(diǎn)碳含量越低，則需要的的臨界反應(yīng)
溫度就越高；而且在脫碳過程中，隨著鋼水中碳含
量的降低，[Cr]／[C]值會(huì)不斷升高，其變化速率
必須和熔池升溫速率相適應(yīng)；否則若升溫速率低
于脫碳速率，則熔池中必然產(chǎn)生鉻的燒損，這部分
表2 ASTM A473鋼臨界轉(zhuǎn)換溫度和碳活度系數(shù)計(jì)算
Table 2 Calculation of critical transition
temperature of ASTM A473 steel
[Cr] [C] [Ni] [Cr] PcO
l l 7y℃
(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％) ／[C] ／Pa
12．49 O．O1 4．26 1 249 7 oo0 一0．247 —0．O04 1 71O
11．49 0．O1 4．26 1 149 7 ooO —0．223 —0．OO4 1 694
10．49 0．01 4．26 1 04 9 7 Ooo —0．199 —0．0o3 1 677
9．49 O．O1 4．26 949 7 ooO —0．175 —0．o03 1 660
8．49 0．O1 4．26 849 7 00o —0．151 一O．o03 1 642
L臼J／LC]
圖1 [Cr]／[C]對(duì)臨界溫度的影響
Figure 1 Influence of Cr／ C content On
critical temperature
鉻的燒損放出的熱量用于彌補(bǔ)溫度需要。
3．1．2 [Cr]／[C]對(duì)碳活度系數(shù)的影響
根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算公式，對(duì)ASTM A473鋼，不
同的[Cr]／[C]在7 000 Pa吹氧時(shí)對(duì)應(yīng)的碳活度
系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。
由表2可以看出，對(duì)ASTM A473鋼而言，
[Cr]／[c]的增大，使得l 減小，而碳的活度系
數(shù)減小，鋼水脫碳變的困難。
在VOD吹氧過程中，[Cr]／[C]越低，要求的
臨界轉(zhuǎn)換溫度也越低，同時(shí)，低的[cr]／[C]使得
碳的活度系數(shù)增大，有利于降低VOD鋼水中碳元
素含量。
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《大型鑄鍛件》
HEAVY CASTING AND F0RGING
3．2 提高吹氧時(shí)的真空度
在VOD吹氧降碳時(shí)，隨著真空度的提高或增
大氬氣攪拌，鋼水中P 。分壓就會(huì)不斷降低，AG
變小，促使反應(yīng)式(1)向右進(jìn)行，可以達(dá)到去碳保
鉻的目的，可見真空度能夠影響去碳保鉻的臨界
轉(zhuǎn)換溫度。
根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)不銹鋼葉片ASTM A473
鋼，如果要將[C]降到0．01％ ，將不同的
[Cr]／[C]在7 000 Pa及4 000 Pa真空度下進(jìn)行
計(jì)算，得出的結(jié)果如圖2所示。
從圖2知，同樣的[cr]／[c]，真空度越高所
需要的的臨界轉(zhuǎn)變溫度就越低，越有利于去碳保
鉻；同理，真空度越高，在臨界轉(zhuǎn)變溫度相同的情
況下，[Cd／[C]就越大，有利于保鉻。因此，提高
吹氧時(shí)的真空度有利于VOD去碳保鉻。
不難看出，根據(jù)工藝要求，吹氧后的溫度如果
要達(dá)到約1 680℃ ，且要將碳降到0．01％ ，則吹氧
前[cr]含量控制在10．5％ ～11．5％左右比較合
適，否則多余的鉻會(huì)發(fā)生氧化，導(dǎo)致鉻氧化量增加
或鋼包過熱，甚至發(fā)生漏鋼事故。
考慮到噴濺等對(duì)設(shè)備造成的安全事故，真空
度可以為：4 000 Pa一7 000 Pa，特別在吹碳末期，
要保證在高真空度有一定的吹氧時(shí)間。
3．3 提高VOD開吹溫度
VOD吹氧環(huán)境下，要達(dá)到去碳保鉻，初始溫
度要求并不高，但初始溫度必須兼顧到終點(diǎn)碳含
量達(dá)到0．01％ 時(shí)的溫度需要。在VOD過程中隨
著吹氧的進(jìn)行，鋼水中碳含量不斷降低，此時(shí)
[Cr]／[C]不斷增大，因此所需要的吹碳溫度會(huì)不
斷提高，這部分溫度補(bǔ)償主要依靠c、Si、Mn的氧
化放熱來(lái)提供，若放出的熱量使鋼水升溫低于此
動(dòng)態(tài)過程中脫碳保鉻的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，則體系
將發(fā)生鉻的燒損，用這部分鉻的燒損放出的熱量
彌補(bǔ)鋼水脫碳臨界溫度的需要，以再次來(lái)達(dá)到脫
碳保鉻的平衡狀態(tài)。因此，適當(dāng)提高開吹溫度有
利于VOD去碳保鉻的控制。圖3是ASTM A473
鋼在7 000 Pa吹氧時(shí)脫碳的臨界轉(zhuǎn)變溫度趨勢(shì)
圖。碳含量要求越低，脫碳溫度要求越高。
通過對(duì)2013年150 t VOD爐在吹氧過程中
整個(gè)體系的溫降統(tǒng)計(jì)，平均溫降為75~C，如圖4
所示。因此根據(jù)C、Cr氧化放熱的熱力學(xué)計(jì)算，
每氧化l％ 的鉻可使鋼液升溫1l3℃ ，每氧化1％
的碳可使鋼液升溫1 18℃ 。當(dāng)工藝要求終點(diǎn)溫度
為1 680~C、吹氧過程中Cr氧化量為1％ 、C氧化
量為0．20％ ，則初始吹氧溫度應(yīng)該為1 618cc。
4 ASTM A473冶煉實(shí)踐
從以上分析，制定ASTM A473鋼的VOD冶
煉參數(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)，結(jié)果如表3。
{
贈(zèng)
咪
罌l
＼
贈(zèng)
辯
昧
獸
p
＼
贈(zèng)
世
蛙
[cr]／[c]
圖2 不同[Cr]／[C]與臨界溫度的關(guān)系
Figure 2 Relation between different Cr／C
contents and critical temperature
舍碳量(％)
圖3 含碳量與臨界轉(zhuǎn)換溫度關(guān)系
Figure 3 Relation between C content and
critical transition temperature
爐次
圖4 150 t VOD降溫
Figure 4 Temperature drop of 150 t VOD
表3 ASTM A473鋼VOD控制參數(shù)
Table 3 VOD controlling parameters of ASTM A473 steel
VOD前 VOD前 VOD前 VOD后 [CI]預(yù)計(jì) VOD后
制定 [cr]含量 [C]含量 [Ni]含量 預(yù)計(jì)[cr] 氧化量 預(yù)計(jì)[C] 吹氧真空度 吹氧前溫度 VOD后預(yù)
／Pa ／℃ 計(jì)溫度／℃
參數(shù) (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)
～ 11．5 一O．22 ～4．2 10．5 1．0 0．O1 ≤7 000 —1 610 ～1 680
VOD前 VOD前 VOD前 VOD后 [cr]實(shí)際 VOD后 VOD后
實(shí)際 [cr]含量 [C]含量 【Ni]含量 實(shí)際[CT] 氧化量 實(shí)際[C] 吹氧真空度 吹氧前溫度
／Pa ／℃
實(shí)際溫度
參數(shù) (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％) ／℃
1O．8 O．2O 4．2 9．5 1．3 O．O1 ≤7 0o0 1 620 1 685
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《大型鑄鍛件》
HEAVY CA nNG AND FORGING
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5 結(jié)論
(1)要達(dá)到去碳保鉻的目的，VOD吹氧過程
中溫度必須始終高于臨界氧化轉(zhuǎn)變溫度。
(2)去碳保鉻的臨界轉(zhuǎn)換溫度跟鋼水中平衡
的[c]、[cr]、[Ni]以及P 。／P 存在定量關(guān)系。
(3)葉片ASTM A473采用VOD脫碳困難的
原因是鋼中低的Ni含量降低了鋼水中c的活度。
(4)從熱力學(xué)角度對(duì)ASTM A473鋼進(jìn)行分
析，進(jìn)行VOD操作改進(jìn)，使VOD吹煉后C達(dá)到
0．01％ ，Cr氧化量控制小于1．5左右。
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編輯傅冬梅
(上接第15頁(yè))
接溫度和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究，針對(duì)大型焊接裝
配件提出了“殼-固”耦合單元技術(shù)方法。
(2)借助SYSWELD軟件實(shí)現(xiàn)了“殼一固”耦合
單元技術(shù)的分析研究。對(duì)不同焊接順序下的變形
與應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在該技術(shù)下的計(jì)
算效率得到很大提升，同時(shí)針對(duì)焊接順序A進(jìn)行
了實(shí)際變形結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果比較
理想，從而證實(shí)了此方法的可行性與科學(xué)性，可以
進(jìn)行大型焊接裝配件焊接仿真的工程應(yīng)用與推
廣。
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編輯杜青泉
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