控制焊接用超低碳奥氏体不锈钢碳含量的真空感应炉冶炼方法

真空下碳具有很强的脱氧能力，利用碳氧反应可以同时达到降碳和脱氧的双重目的。真空碳脱氧产物为气体CO，随着抽气排出炉外，不会污染钢液，可以生产出含碳量很低、夹杂物少、纯净度高的焊接用奥氏体不锈钢。

真空感应炉冶炼含C≤0.015%（质量分数）焊接用奥氏体不锈钢的工艺重点是：炉料中碳、氧含量的合理匹配；真空下碳氧沸腾；钢液的真空精炼。

1.炉料的选择与碳、氧含量的合理匹配

（1）炉料的选择 真空感应炉冶炼含C≤0.015%（质量分数）、P≤0.015%（质量分数）、S≤0.010%（质量分数）焊接用奥氏体不锈钢时，为了控制硫、磷、碳含量，必须选择这三种元素含量适合的原材料。表5-7推荐的原材料均能符合冶炼的要求。现以ER309LMoSi钢为例进行配料验证，并将100kg配料计算结果列于表5-10。

配料计算结果表明：配料含C=0.0246%（质量分数，下同）、S=0.0149%、P=0.0148%，其他元素含量均在标准规定之内。含碳量通过真空降碳可达到0.010%；含硫量通过脱硫可达到小于0.010%；含磷量经沉淀脱磷可达到0.0135%。配料计算结果证明：推荐的原材料完全适合用于冶炼焊接用超低碳奥氏体不锈钢。

（2）炉料中碳、氧含量的合理匹配 真空下为了实现降碳，必须有氧配合。降碳量越大，需氧量越大。因此，冶炼配料时要按照降碳量配入相应的氧量，才能实现预计的降碳目标。

理论分析，真空下碳的氧化是按照下列反应式进行的：

[C]+[O]=CO↑

每1mol碳（原称克原子碳）完全氧化需要消耗1mol氧。碳的相对原子质量（原称原子量）为12，氧的相对原子质量为16。每1g碳完全氧化需要消耗的氧量为16∶12=1.33（g）。生产实践表明：真空下要达到良好的降碳效果，氧的配入量应为降碳量的1.5～2.0倍。

配氧量由炉料自身带入的氧和加入的氧化剂两部分组成。表5-11列出炉料中[C]、[O]、[N]含量，以供参考。常用氧化剂为铁鳞，主要成分为Fe₃O₄。每1kg铁鳞可提供的氧量约250g。使用前应进行脱脂和烘干。通常情况下，当炉料中带入氧量足够时，就不另加氧化剂。

以ER309LMoSi钢100kg配料为例（见表5-10数据），由铝热法微碳铬铁（氧的质量分数为0.150%）带入氧量为0.150%×23kg=0.0345kg；本钢返回料（氧的质量分数为0.005%）带入氧量为0.005%×30kg=0.0015kg；原料纯铁（氧的质量分数为0.005%）带入氧量为0.005%×33.58kg=0.0017kg；以上三项共计带入氧量为0.0377kg。冶炼过程需要降碳量为（0.0246-0.0120）=0.0126kg，需要配氧量为0.0126×1.5=0.0189kg。炉料带入的氧量为需要配氧量的2倍，即使扣除成品钢中含氧量（质量分数）为0.0050%时，仍然有足够的氧量供降碳使用。因此，不需要再加入氧化剂。

2.真空下碳氧沸腾降碳操作

真空感应炉冶炼超低碳不锈钢时，主要通过熔化期碳氧沸腾实现降碳操作。为保证沸腾顺利进行，应当注意以下操作要点。

表5-10 ER309LMoSi真空感应炉冶炼100kg配料

①此行数据为钢的化学成分。(www.xing528.com)

②此行数据为计算配料的化学成分。

③本钢返回料中，含氧量（质量分数）为0.005%。

表5-11 炉料中[C]、[O]、[N]含量（质量分数，%）

注：表中数据主要来源于作者生产分析实物所得结果。

（1）高真空下加热炉料 合炉后炉内真空度达到小于5Pa之后，开始送电加热炉料。炉料开始熔化之前，应保持高的真空度，以利于气体充分排除。在此期间，以最大功率送电，使炉料快速升温。

（2）保持适度熔速，防止炉内喷溅 炉料开始熔化后，要降低加热功率，保持适当的熔速，防止喷溅，使熔化顺利进行。尽可能保持炉内较高真空度。通过降低加热功率和充入氩气，来控制喷溅和沸腾。

碳、氧反应为弱放热反应，温度对反应速度的作用远小于真空度。为此，应保持低熔化速与尽量高的真空度，以利于碳氧反应的进行。通常在熔化中后期，为了抑制沸腾强度，充入氩气的压力不超过3kPa。

（3）熔清后钢液的高温沸腾 炉料完全熔化后，提升钢液温度到1550～1580℃，逐步提高真空度，钢液维持较强的沸腾。随着钢液含碳量的降低，沸腾强度逐渐减弱，直到液面比较平静为止。取样分析钢液的化学成分，碳含量应达到预计的目标。随后冶炼转入精炼期。

3.精炼期的操作要点

真空感应炉冶炼焊接用奥氏体不锈钢，精炼期的操作重点，是在保证含碳量合格的前提下，进一步通过碳氧反应，降低钢中含氧量，并使其他合金元素进入规格要求的含量。应当注意以下操作要点。

（1）提高冶炼真空度 当钢液含碳量（质量分数）很低时（C=0.010%）；碳氧反应速度明显减慢。为了促进碳脱氧过程的进行，必须保持高真度。通常精炼期真空度应达到0.5～2Pa（小型炉为0.5Pa）。

（2）精炼时间不宜过长 精炼期维持高温、高真空度的时间取决于对成品钢中含氧量的要求。焊接用超低碳奥氏体不锈钢的含氧量（质量分数）为0.0040%～0.0060%。这个指标要求不高，容易达到。因此，精炼时间不宜过长，小型炉30～50min，大型炉60～100min。

（3）精炼期温度控制 精炼期温度应控制在1580～1600℃，不宜过高，以免强化坩埚材料供氧反应，增加钢液含氧量。

（4）钢液的终脱氧操作 精炼期末钢液含碳量（质量分数）不应过低，应保持在0.010%～0.012%水平最佳。钢液终脱氧使用镍镁合金，加入的质量分数为0.05%～0.10%，在20～30KPa氩气压下加镍镁合金。