專利名稱：一種采用加壓感應制備高氮鋼的方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵冶金技術領域，特別涉及一種采用加壓感應制備高氮鋼的方法。
背景技術：
隨著我國能源緊張，原材料價格的不斷上漲，高氮不銹鋼因具有成本低、高強度、 高斷裂韌性、低磁導率、良好的耐腐蝕性能等優點，已越來越受到我國不銹鋼企業的重視。 傳統的不銹鋼主要添加鉻、鉬、銅、硅、鎳、錳等合金元素，以達到鋼的耐蝕性能與強韌性的 合理匹配，是一種高合金含量的特種鋼，隨著不銹鋼技術的發展，依靠氮合金化的高氮奧氏 體不銹鋼的開發已成為不銹鋼材料的發展趨勢。氮是大氣中取之不盡的資源，在鋼中加入 氮可有效提高不銹鋼材料的耐點蝕、耐應力腐蝕等性能；并可獲得穩定的奧氏體組織。固溶 在鋼中的氮能同時提高鋼的強度、塑性。高氮鋼可以達到較高的屈服及拉伸強度，并且在不 犧牲韌性的退火狀態下，屈服和拉伸強度超過一般AIS1200及AIS1300系列鋼的200% 350%。固溶的氮可以提高不銹鋼的耐一般腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕能力，是鉻的20倍。目 前，世界各國大力開展以氮代鎳的高氮鋼材料研究，德國、日本、瑞士、保加利亞等國已紛紛 開展高氮鋼研制。并已在發電業、造船業、鐵路等工業得到應用。目前，國內外氮合金化普遍采用如下兩種方法加壓熔體氮合金化和調整合金成 分提高氮的溶解度。采用加壓熔煉法主要有加壓感應爐熔煉、加壓等離子爐熔煉、加壓電渣 爐熔煉等方法，這些工藝可以生產出含氮1.0wt%以上的高氮鋼；通過調整合金成分提高 氮的溶解度，主要添加氮鐵合金來獲取所需的氮含量，以錳、氮代鎳作為主要的奧氏體化合 金元素，這些工藝生產出的氮含量一般在0. 4 1. Owt%之間。目前保加利亞金屬科學研究所開發了適合工業化生產的大溶池煉鋼+反壓澆注 方法(簡稱BSB+CPU)，該工藝成本低，對環境無污染，用該方法合金化與凝固過程可在時間 上和空間上加以分開，采用感應爐熔煉，材料成分分布均勻，凝固過程隨氮壓力的增加，氮 合金化能力增強。隨著AOD工藝技術和爐外精煉技術的發展，南非Columbus鋼鐵公司采用 AOD工藝，用氮氣代替氬氣生產了成分為Cr :14 24%，Mn:10 20%，Mo:0 6%，Ni 0 4%，Cu :0 2 %，N :0 1. 2 %的鋼，Kupari等研究認為，AOD吹煉的最后階段適時的從 吹氬轉至吹氮，可以達到所需的氮含量，Syvazhin等認為，吹煉第二階段吹氣速率為0. 5 lm3/t. min時，對增加氮的吸收是有利的。Feichtinger認為，底吹AOD比頂吹和頂底復吹吸 氮效果好。日本川崎鋼鐵公司在復吹轉爐中煉不銹鋼時，采用底吹氮稀釋脫碳和還原精煉， 使鋼中的[N]增高。
發明內容
本發明的目的是在氮合金化工藝的熱力學和動力學技術基礎上，提供一種采用加 壓感應制備高氮鋼的方法。本發明的目的通過下述技術方案實現—種采用加壓感應制備高氮鋼的方法，其特征在于該方法包括下列步驟
①按照目標化學成分的要求配置冶煉原料目標化學成分按重量百分比C ≤ 0. 1%, Cr 18 23%，Mn 12 18%，Si < 1. 0%,Mo :1. 0 2. 5%，N :0. 8 2. 4%, Fe 余量；配置冶煉原料包括純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、氮化鉻鐵；②將冶煉原料中的純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵先放入感應熔煉爐坩堝內；③開始感應熔煉，同時啟動外部抽氣系統，對熔煉系統抽真空，要求真空度達到 0 10Pa ；④熔煉待鋼水熔化后，由加料口加入鉻鐵和氮化鉻鐵，并控制爐溫1480°C 1520°C，同時調節感應熔煉室氮氣通入閥，控制氮的壓力，保壓20士5分鐘后，爐溫保持在 1480°C 1520°C開始澆注；⑤待鑄錠完全凝固冷卻后取出。與現有技術相比，本發明采用氮氣加壓和合金氮化方法進行熔煉，以錳、氮代鎳， 降低成本，有效提高不銹鋼材料的耐點蝕、耐應力腐蝕等性能，并可獲得穩定的奧氏體組 織，具有較高的屈服和拉伸強度。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述。一種采用加壓感應制備高氮鋼的方法，本發明利用加壓感應爐熔煉并制備高氮 鋼，加壓感應爐是通過真空裝置進行改造，可在大氣條件下運行，也可轉換成真空下運行， 冶煉中途可以添加合金元素，本加壓冶金裝置在氣體壓力下熔煉金屬，可以與易揮發元素， 如Ca、K、Pb、Zn、Mg等進行合金化。同時可以抑制熔融金屬的沸騰，可將所有氣體和粉塵顆 粒密閉在密封工作腔室內，符合生態環保要求。與其他氮合金化工藝相比，加壓感應爐采用感應加熱，熔化的金屬在電磁力的作 用下產生強烈的攪拌，因此能充分保證氮與其他合金元素的均勻分布；通過控制壓力和調 整合金元素含量，可以制備各種化學組分的材料；此外消耗電能較低；符合節能環保要求。
由于在加壓電感應爐中金屬的氮化是在“液態金屬一氣體，，界面上進行的N2-2N 反應。在該反應中，分隔相的邊界起決定作用，當它很小時，總熔池浸潤率不高，因此，該設 備只適于100公斤以內的小件熔煉，不適合工業化生產。本發明采用氮氣加壓和合金氮化方法進行熔煉。技術原理高氮鋼的冶金控制在于兩個方面，一、通過工藝提高鋼中氮的濃度，防止氮的溢 出，保證氮在鋼中分布均勻；二、根據材料性能和要求設計合理高氮鋼成分，提高氮的溶解度。為獲得精確的氮含量，保證氮在鋼中均勻分布，按照氮在合金中的溶解度與壓力 的關系經驗公式進行計算。設計的合金成分分別乘以元素影響系數，從而計算出冶煉過程 中所需的氮的壓力，這樣可制備出達到理論設計氮含量的目標合金，元素影響系數見表1。
=l
logf^Ye^/o z]+X4[% ilog β =ecN [%C]+es； [%Si]+e^r [%Cr]+ecfr [%Cr]2+eT [%Mm]+...式中打-鋼液中氮的活度系數，elN -元素影響系數，N]Fe-氮在純鐵中的溶解度， [% N]Fe,Xi-鋼中氮含量的設計值，Pn2-氮的壓力，T-鋼水溫度。表1元素影響系數
權利要求
1. 一種采用加壓感應制備高氮鋼的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①按照目標化學成分的要求配置冶煉原料 目標化學成分按重量百分比C ≤0. 1%，Cr :18 23%，Mn :12 18%，Si :< 1. 0%，Mo 1. 0 2. 5%，N :0. 8 2. 4%, Fe 余量；配置冶煉原料包括純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、氮化鉻鐵；②將冶煉原料中的純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵先放入感應熔煉爐坩堝內；③開始感應熔煉，同時啟動外部抽氣系統，對熔煉系統抽真空，要求真空度達到0 10Pa ；④熔煉待鋼水熔化后，由加料口加入鉻鐵和氮化鉻鐵，并控制爐溫1480°C 1520°C， 同時調節感應熔煉室氮氣通入閥，控制氮的壓力，保壓20士5分鐘后，爐溫保持在1480°C 1520°C開始澆注；⑤待鑄錠完全凝固冷卻后取出。
全文摘要
本發明公開的是一種采用加壓感應制備高氮鋼的方法，該方法包括①按照目標化學成分的要求配置冶煉原料目標化學成分按重量百分比C≤0.1％，Cr18～23％，Mn12～18％，Si＜1.0％，Mo1.0～2.5％，N0.8～2.4％，Fe余量；配置冶煉原料包括純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、氮化鉻鐵等；②將冶煉原料純鐵、電解錳、硅鐵、鉬鐵先放入感應熔煉爐坩堝內；③開始熔煉時啟動外部抽氣系統，達真空度0～10Pa；④鋼水熔化后加入鉻鐵和氮化鉻鐵，控制爐溫1480℃～1520℃，調節氮氣通入閥控制氮壓力，保壓20±5分鐘，保持爐溫在1480℃～1520℃時開始澆注；⑤待鑄錠完全凝固冷卻后取出。本發明采用氮氣加壓和合金氮化方法制備高氮不銹鋼材料，以錳、氮代鎳，具有成本低、高強度、高斷裂韌性、低磁導率、良好的耐腐蝕性能等優點。
文檔編號C22C38/38GK102002640SQ201010280590
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者劉燕林, 宗鐸, 田雨江, 袁書強, 陳巍, 魏潔 申請人:中國兵器工業第五二研究所