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一种采用氩 氧炉冶炼低 碳TWIP 钢的生产方法

阅读：432发布：2020-05-21

专利汇可以提供一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP 钢的生产方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳 TWIP 钢氩氧炉（AOD）冶炼生产技术。冶炼的 TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。本发明生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜。有利于实现大规模工业化生产。，下面是一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP 钢的生产方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP 钢的生产方法，其特征在于：采用氩氧炉冶炼 TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：
1）通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；
2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。
2.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：在铝合金化前，全部扒掉还原渣，防止钢液增硅，确保钢液成分的稳定控制。
3.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：在TWIP钢冶炼后期造还原渣，对钢液进行脱硫。
4.根据权利要求1所述一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢的生产方法，其特征在于：详细技术方案
1）原料
TWIP冶炼的原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液；铁水为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，或采用感应炉或电弧炉熔化的钢液；
采用的合金为金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金；采用的造渣原料主要为石灰、白云石；
2）吹氧脱碳
本发明采用氩氧炉冶炼TWIP钢，在氩氧炉中吹氧脱碳，在向氩氧炉中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰；
在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高，加入一定比例的废钢，废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定，加入量为铁水质量的0～
20%；如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720℃，需在兑钢水前后、或氩氧炉脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600℃，需在炉内添加增碳剂或硅铁；
在脱碳过程中，当钢中碳含量≥0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量<0.10%时，适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到
0.01～0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化；
在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分；
如果钢水温度低于1600℃，需添加硅铁或金属铝提温；
3）硅、锰合金化
碳含量小于0.03%时向炉内加入金属锰或电解锰、硅铁进行硅、锰合金化，硅的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%，合金化后测温；
4）温度调整
硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温，将钢水温度控制在1550℃～1700℃；
5）还原回收渣中锰
在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，采用金属铝还原回收锰，提高锰的收得率；
2[Al]+3(MnO)=3[Mn]+(Al2O3)
根据上面的反应计算，1公斤的铝与渣中氧化锰反应，能还原得3.1公斤锰进入钢液；
6）铝合金化
硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标；
向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑铝的收得率为55-90%；
7）还原脱硫
加入石灰，重新造渣，进行脱硫；
8）成分和温度微调
铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温；根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到
1580～1720℃；钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。

说明书全文

一种采用氩氧炉冶炼低 碳TWIP 钢的生产方法

技术领域：

[0001] 本发明属于金属冶炼领域，主要涉及低碳 TWIP钢氩氧炉（AOD）冶炼生产技术。背景技术：

[0002] 1997年，Grassel等在试验研究Fe—Mn—Si—Al系TRIP钢时发现，当锰含量达到25wt%，铝含量超过3wt%，硅含量在2～3wt%之间，碳含量较低时，具有中等的抗拉强度（约600Mpa）和极高的延伸率（80%），其抗拉强度和延伸率的乘积在50000MPa％以上，是高强韧性TRIP钢的两倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中形变孪晶的形成，故命名为孪生诱发塑性钢，即TWIP钢（Twinning Induced Plasticity）。由于TWIP钢具有诸多优异性能，在机车、汽车、高架建筑、抗冲击钢板、低温容器等领域展示出广阔的应用潜力。

[0003] 目前国内外对TWIP钢的研究主要集中在Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-Al-C系及Fe-Mn-C系。其中Fe-Mn-Al-Si系的碳含量较低，冶炼难度较大或成本较高。

[0004] 专利文献CN102690938A公开了一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢的中试生产方法，采用纯铁在0.5吨非真空感应炉进行冶炼，试制成功了碳含量为0.052wt%的低碳TWIP钢；专利文献CN102312158A公开了一种Nb、Ti合金化低碳TWIP制备方法，采用真空感应炉熔炼了碳含量为0.05～0.08wt%的TWIP钢，具体原料没有说明。感应炉和真空感应炉一般容量较小，生产时间较长，能耗较高，生产效率低。迄今，低碳TWIP高效低成本大规模冶炼生产还存在许多难题。

[0005] 难题之一，低碳TWIP钢碳含量较低，产品碳含量小于等于0.06%，而Mn、Si和Al含量较高，考虑到冶炼后期添加Mn、Si等合金增碳及耐材增碳等问题，需在合金化前将钢中碳降至0.03%以下；难题之二，该TWIP钢合金含量较高，冶炼后期需大量添加Mn、Si、Al等合金，温降较为严重，冶炼过程中只靠碳的氧化能量不够；难题之三，该TWIP钢合金含量较高，尤其是金属铝含量较高，钢液铝合金化时容易引起钢液增硅，成分控制较为困难。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供了一种采用氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢生产方法和工艺。该方法采用高炉铁水或感应炉、电弧炉提供的粗钢液；通过氩氧炉（AOD）吹氧脱碳，前期将碳脱至0.03%以下；采用金属锰或电解锰进行合金化；采用硅铁和金属铝调整温度和合金化；同时，还原炉渣中锰的氧化物，提高锰的收得率；通过彻底扒渣，防止铝合金化过程中钢液增硅，保证成分的稳定控制；并造还原渣进行脱硫，生产低碳TWIP钢。

[0007] 一种采用氩氧炉冶炼低碳TWIP钢生产方法，其特征在于：采用氩氧炉冶炼TWIP钢，冶炼的TWIP钢成分按质量百分比为：C≤0.06%，Mn=20%～30%，Si=2.0～3.0%，Al=2.5～3.5%，余量为Fe；具体工艺步骤为：

[0008] 1）通过氩氧炉吹氧脱碳，将钢液中碳降低到0.03%以下后进行合金化；

[0009] 2）TWIP钢锰合金化后，采用硅铁或/和金属铝，还原炉渣中锰的氧化物，提高金属锰的收得率；依靠硅或/和铝的氧化发热调整钢液温度，补偿TWIP钢锰合金化造成的钢液温度下降。

[0010] 做为更详细的技术方案为：

[0011] 1）原料

[0012] TWIP冶炼的最主要原料为铁水或废钢熔化而成的粗钢液。铁水可为直接来自高炉的铁水，或经过铁水预处理后的铁水，采用铁水预处理后的铁水，由于硫和磷的含量较低，对冶炼TWIP钢更为有益。也可采用感应炉或电弧炉熔化的钢液。

[0013] 采用的重要合金主要有三种：金属锰或电解锰、硅铁、金属铝或高硅硅锰合金。不采用锰铁，因为它们含有部分碳，容易引起TWIP钢碳含量超标。

[0014] 采用的造渣原料主要为石灰、白云石。

[0015] 2）吹氧脱碳

[0016] 本发明采用氩氧炉（AOD）冶炼TWIP钢，在氩氧炉（AOD）中吹氧脱碳。

[0017] 在向氩氧炉（AOD）中兑入钢水和铁水前，预先在炉中加入部分石灰。

[0018] 在采用铁水冶炼TWIP钢时，由于铁水中碳含量较高，为了防止脱碳终点温度太高，可加入一定比例的废钢，废钢加入量根据铁水温度和含碳量而定，加入量为铁水质量的0～20%。但如果来料为废钢熔炼成的钢水，也须检测来料钢水的成分和温度，根据成分和温度计算脱碳终点温度，如终点温度大于1720℃，需在兑钢水前后、或氩氧炉（AOD）脱碳过程中向炉内加入废钢；如计算的脱碳终点温度低于1600℃，需在炉内添加增碳剂或硅铁。

[0019] 在脱碳过程中，当钢中碳含量≥0.10%时，采用最高氧/氩比进行吹氧脱碳；当钢中碳含量<0.10%时，可适当提高供氩量，促进脱碳反应，防止钢水过氧化；但钢中碳含量达到0.01～0.03%时，停止吹氧脱碳，防止钢水过氧化。

[0020] 在脱碳结束后测温，并取样分析钢水成分。

[0021] 如果钢水温度低于1600℃，需添加硅铁或金属铝提温。

[0022] 3）硅、锰合金化

[0023] 碳含量小于0.03%时向炉内加入金属锰或电解锰、硅铁进行硅、锰合金化，硅的加入量按TWIP钢产品目标成分下限进行计算，锰的加入量按TWIP钢产品目标成分进行计算，计算时考虑硅的收得率为40-80%、锰的收得率为80-95%。

[0024] 合金化后测温。

[0025] 4）温度调整

[0026] 硅、锰合金化时，钢水温度下降很大，需加入硅铁或铝，同时吹氧，利用硅或铝与氧反应放出的热进行提温。将钢水温度控制在1550℃～1700℃。

[0027] 5）还原回收渣中锰

[0028] 在硅锰合金化过程及补充提温过程中，钢中锰氧化较为严重，可采用金属铝还原回收锰，提高锰的收得率。

[0029] 2[Al]+3(MnO)=3[Mn]+(Al2O3)

[0030] 根据上面的反应计算，1公斤的铝与渣中氧化锰反应，可以还原得3.1公斤锰进入钢液。金属铝价格较金属锰低，采用硅铁和铝还原渣中锰氧化物，提高锰的收得率有明显的经济价值。

[0031] 6）铝合金化

[0032] 硅、锰合金化后，渣中二氧化硅含量较高，碱度较低，应扒掉炉渣，防止铝合金化过程中渣中二氧化硅被铝还原，引起硅含量超标。

[0033] 向炉内加入金属铝进行铝合金化，金属铝的加入量按TWIP钢产品目标成分上限进行计算，计算时考虑铝的收得率为55-90%。

[0034] 7）还原脱硫

[0035] 加入石灰，重新造渣，进行脱硫。

[0036] 8）成分和温度微调

[0037] 铝合金化后，应取样检测钢水成分，同时测温。根据钢水成分和温度，添加金属锰、硅铁和金属铝，使钢水符合TWIP钢目标成分要求，并通过向钢液吹氧，保证钢水温度达到1580～1720℃。

[0038] 钢水成分和温度均合格后，出钢，进行浇注。

[0039] 本发明方法和技术具有如下优势：

[0040] 1）有利于TWIP钢大规模生产

[0041] 氩氧炉（AOD）生产效率高、成本低、操作稳定、工艺容易掌握。采用氩氧炉（AOD）冶炼生产TWIP钢比感应炉和真空感应炉更有利于实现大规模工业化生产。

[0042] 2）生产主要原料易得，无特殊要求，价格便宜

[0043] 采用感应炉和真空感应炉冶炼TWIP钢，因无法吹氧脱碳，需要采用碳含量较低的纯铁，价格较高，生产成本较高。而采用氩氧炉（AOD）冶炼，可吹氧脱碳；且由于采用氧气和氩气冶炼，脱碳结束时可将钢中碳降至0.01～0.03%，这对于冶炼低碳TWIP钢非常有利。

[0044] 3）生产工艺简单，易于操作

[0045] 冶炼低碳TWIP钢时，采用前期脱碳，采用氩氧混合脱碳，较易将碳脱到0.01～0.03%；脱碳后采用金属锰、硅铁合金化，然后再进行铝合金化，钢液的化学成分可以多次微调，较易命中。

[0046] 生产中可采用硅铁和金属铝多次调温，温度也容易控制。

具体实施方式

[0047] 实例1：

[0048] 采用8吨氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水5.9吨，钢水成分见表1.

[0049] 表1氩氧炉（AOD）兑入钢水成分（质量百分数，%）

[0050]C Mn P S Si Ni Cr Mo Cu
0.75 0.54 0.013 0.005 0.20 0.06 0.27 0.03 0.09

[0051] 测温，钢水温度为1471℃。根据钢水成分和温度，补加增碳剂25公斤，加入硅铁3
75公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和170m/hr。

[0052] 吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。

[0053] 脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.01%；测量钢液温度，温度为1720℃。

[0054] 加入金属锰2.1吨，进行锰合金化；同时加入硅铁450公斤。加料过程中，停止吹3
氧，将氩气流量提高到480m/hr。

[0055] 采用大氧/氩比吹氧化合金，氧气和氩气流量分别为500和170m3/hr。

[0056] 取样分析成分，成分见表2。

[0057] 测温，钢液温度为1605℃。

[0058] 取渣样分析，渣样成分见表3。

[0059] 表2TWIP钢硅、锰合金化后成分（质量百分数，%）

[0060]C Mn P S Si Ni Cr Al
0.02 26.36 0.019 0.008 2.43 0.05 0.41 0.006

[0061] 表3TWIP钢扒渣前炉渣化学组成（质量百分数，%）

[0062]SiO2 CaO MnO MgO Al2O3 Fe2O3 CuO TiO2 Cr2O3
38.41 26.80 14.42 13.51 5.45 0.63 0.26 0.10 0.07

[0063] 倾倒氩氧炉（AOD），进行流渣和扒渣操作。加入200公斤石灰，提高炉渣碱度，准备脱硫。

[0064] 测温，温度为1595℃。

[0065] 根据温度和表2所示的成分，计算需加入的硅铁、金属铝和金属锰质量，本实例加入318公斤金属铝，补加金属锰50公斤。

[0066] 吹氧提温，氧气和氩气流量分别为530和170m3/hr。

[0067] 测温取样。本实例中出钢温度为1589℃，出钢时钢水成分见表4。

[0068] 表4冶炼终点钢水成分（质量百分数，%）

[0069]C Mn P S Si Ni Cr Mo Cu Al
0.034 25.13 0.019 0.007 2.75 0.05 0.38 0.04 0.06 3.50

[0070] 实例2：

[0071] 采用8吨氩氧炉（AOD）冶炼低碳TWIP钢。在兑入钢水前向炉内加入200公斤石灰，兑入来自感应炉熔化废钢得到的钢水6.2吨，钢水成分见表1.

[0072] 表1氩氧炉（AOD）兑入钢水成分（质量百分数，%）

[0073]C Mn P S Si Ni Cr Mo
0.37 0.52 0.009 0.007 0.15 0.02 0.05 0.02

[0074] 测温，钢水温度为1520℃。根据钢水成分和温度，补加增碳剂50公斤，加入硅铁3
40公斤。采用大氧/氩比吹氧脱碳，氧气和氩气流量分别为500和150m/hr。

[0075] 吹炼过程中分2批加入石灰，每次加入200公斤。

[0076] 脱碳结束时取样，钢中碳含量为0.012%；测量钢液温度，温度为1568℃。

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