高壓底吹精煉鑄造裝置以及用其冶煉高氮鋼的方法
【專利摘要】一種高壓底吹精煉鑄造裝置以及用其冶煉高氮鋼的方法，所述的鑄造裝置本體為層狀筒形結構，由外向內的結構為：安全耐火層、水冷銅坩堝層、分割耐材片，所述的感應線圈呈螺旋形纏繞于安全耐火層外壁，感應線圈與電控柜調節裝置連接，底吹系統安裝在水冷活動底板上。用其冶煉高氮鋼的方法步驟包括：裝料、生殼、熔煉、鑄造、吊裝。其顯著效果在于：精煉與鑄造在同一容器內完成，快速方便。在高壓底吹條件下生產高氮鋼，效率高。使用廉價氮氣做增氮源，節約成本。鋼錠含氮量高，凝固質量好。
【專利說明】高壓底吹精煉鑄造裝置以及用其冶煉高氮鋼的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高壓精煉和鑄造特殊鋼的應用領域，特別是涉及一種高壓條件下精煉和鑄造特殊鋼的裝置及冶煉高氮鋼的方法，具體地說是一種特別適用于鋼鐵廠采用高壓-底吹法高效生產高氮鋼的精煉鑄造裝置以及用其冶煉高氮鋼的方法。
【背景技術】
[0002]高氮鋼(High Nitrogen Steels,HNS)是一種性能優越的特殊鋼,其中的氮是有益的合金元素，具有穩定和擴大奧氏體相區、提高鋼的強度且不降低塑性和韌性、改善鋼的耐腐蝕性能(包括點腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等)的作用。
[0003]氮含量超過0.4%后，氮的有益作用可以迅速凸顯。但向鋼中增氮，在冶煉方面有諸多困難，最主要有兩方面，一是常壓下鋼中氮的溶解度低，冶煉和凝固過程加入的氮元素從鋼中很快逸出，另一個是氮元素向鋼中溶解速率慢，冶煉時間長。
[0004]目前，液態(熔煉)增氮法是向鋼中增加氮的重要方法。液態增氮冶煉高氮鋼的方式分為加氮化合金法和鋼液氣相增氮法。其中，冶煉過程中加氮化合金，提供高氮不銹鋼所需氮元素，增氮方式簡單，操作方便，但存在的問題是合金化時氮的收得率較低，鋼中氮含量不易控制，熔煉過程中易在高氮區形成氮氣泡；氮化鉻鐵、氮化錳鐵一般雜質含量較高，污染鋼液；氮化合金價格昂貴，高氮的氮化鉻、氮化錳需要多步冶金處理。而氣相滲氮成本低，氮氣是最廉價的合金化原料。利用資源豐富的氮氣作原料，通過向鋼液增氮進行氮的合金化，可大幅度降低含氮鋼的生產成本，是目前高氮鋼冶煉重點研究開發的技術之一。
[0005]國內外已提出了許多冶煉高氮鋼方法。增壓感應爐法是一種實驗室規模的制備高氮鋼的方法，熔煉高氮鋼時，鋼液由于感應攪拌而進行對流運動，使爐體上部的氮在鋼液中的擴散加快，從而在一定壓力 下，氮達到平衡的時間縮短。研究說明氣液界面面積在鋼液滲氮過程中起主導作用，當其界面面積很小時，滲氮時間長，且鋼液中的氮含量不高。
[0006]增壓等離子熔煉法(PARP)是在熔化、精煉和重熔金屬的過程中將等離子弧作為發熱源來生產高氮鋼的冶煉方法。通過這種方法冶煉高氮鋼時，氮分壓、氣體成分、原始鋼成分、溫度和生成的渣都對最終的氮含量有決定性的影響，較難控制，且使用增壓等離子熔煉法冶煉聞氣鋼電耗聞。
[0007]增壓電渣重熔法(PESR)和設備最早是奧地利被發明并進行長期試驗，最后由德國和奧地利發展成為成熟的技術。電渣爐上的合金料添加裝置能夠在爐內壓力保持不變的情況下向熔池內添加氮化合金料顆粒來生產高氮鋼。PESR方法冶煉高氮鋼的復合電極成本昂貴，并且在高壓重熔過程中需要連續不斷的加高氮合金粉末；渣中添加的氮化物會形成氮氣而使渣沸騰，電極端的液態金屬膜暴露于氮氣中，使得液態金屬吸收的氮量和溶解的氮量無法準確控制；使用氮化硅來生產氮分布均勻的鋼錠時，硅使得某些品種鋼不合格；熔池深度不足不能使添加的中間合金與基體金屬均勻熔混，成品合格率相對較低。
[0008]反壓鑄造法(UPL)是保加利亞的Rashev等發明的高氮鋼生產方法，按照這種方式生產高氮鋼，當感應爐內鋼液 氮含量達到要求時，通過上下壓差將鋼液由感應爐內壓至上部鑄造室，使鋼液在上部高壓鑄造室內凝固。因為固相鋼中氮的溶解度通常小于液相中的氮溶解度的緣故，因此凝固時需要遠大于滲氮過程的氣壓。這種方法的特點是在合金化與凝固過程的時間和空間上加以分開；反壓鑄造裝置即能融化金屬，也能接收熔化好的金屬。但由于在凝固時所需的壓力太大和制造的鋼錠噸位有限，而使得問世后在工業化生產中未能得到廣泛的應用。
[0009]從上述分析可知，反應速度慢，冶煉流程和冶煉時間長，設備龐大復雜，均使得生產成本較高，目前由于高氮鋼的研究仍不成熟，存在多方面問題，而使得高氮鋼的工業化冶煉發展受到限制。
【發明內容】
[0010]本發明針對現有技術的諸多不足，一是提供一種結構緊湊、制造成本低的高壓底吹精煉鑄造裝置，二是提供一種用高壓底吹精煉鑄造裝置冶煉高氮鋼的方法，該方法實現了聞氣鋼快速聞效精煉和鑄造，提聞了鋼中氣含量、無污染綠色冶煉、低成本的生廣聞氣鋼，特別適用于鋼鐵廠現有鋼包升級和改造為特殊鋼冶煉爐。
[0011]實現上述目的采用以下技術方案:
一種高壓底吹精煉鑄造裝置，包括鑄造裝置本體，頂蓋系統，頂蓋系統的頂蓋蓋于鑄造裝置本體上，用螺栓緊固，鑄造裝置本體的底部固結有水冷活動底板，所述裝置還包括感應線圈、底吹系統；所述的鑄造裝置本體為層狀筒形結構，由外向內的結構為:安全耐火層、水冷銅坩堝層、分割耐材片，所述的感應線圈呈螺旋形纏繞于安全耐火層外壁，感應線圈與電控柜調節裝置連接，所述的底吹系統安裝在水冷活動底板上。
[0012]所述感應線圈 是主體內通高速冷卻水的銅質中空管。
[0013]所述的安全耐火層由耐火泥料搗打而成，位于感應線圈之內，水冷銅坩堝層之外。
[0014]所述的水冷銅坩堝層由一組水冷銅板和一組分割耐材片間隔均勻排列，呈圓筒形分瓣結構，其中水冷銅板是由紫銅制成的內部為空腔的結構，水冷銅板內通高速冷卻水，下端有冷卻水入口，上端有冷卻水出口 ；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。
[0015]所述的每一組水冷銅板分別是16個、24個或者32個，分割耐材片與水冷銅板對應,每一組耐材片分別是16個、24個或者32個。
[0016]所述的水冷銅坩堝層由一組水冷銅板和一組分割耐材片間隔，呈圓筒形分瓣結構，其中水冷銅板是由紫銅制成的內部為空腔的結構，水冷銅板內通高速冷卻水，下端有冷卻水入口，上端有冷卻水出口 ；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。
[0017]所述的水冷活動底板是圓形銅板，內部為空腔結構，偏心開有用于裝配底吹系統底吹塞的孔，中心放置有耐材穩流器，邊緣與水冷銅坩堝層通過螺栓密封。
[0018]所述底吹系統由底吹塞和流量控制儀組成，底吹塞由耐火材料制成，底吹塞上開有3飛個透氣孔，流量控制儀置于精煉鑄造裝置外，底吹塞與流量控制儀連接，流量控制儀與氮氣源連接。
[0019]所述頂蓋系統是由水冷銅板制成，呈圓拱形，頂部裝有爐蓋吊環、壓力表和氣體安全放散閥，邊緣有密封螺栓，內部配有鑄錠吊環及其升降裝置。
[0020]用聞壓底吹精煉鑄造裝置冶煉聞氣鋼的方法，具體步驟包括:
a、裝料:接通感應線圈，底吹氮氣，吊起高壓底吹精煉鑄造裝置的頂蓋，將預先熔煉好的鋼水倒入爐內，鋼水沖擊爐底穩流器，鋼液面不斷上升，待注滿后蓋好頂蓋并密封；
b、生殼:調整感應線圈功率，使得鋼水產生的感應熱與水冷銅板帶走的鋼水熱量達到平衡狀態，從而在鋼水與器壁之間產生凝固薄殼；
C、熔煉:從熔鑄裝置頂部充入氮氣，形成高壓氣氛；從底部的底吹塞內通入固定流量的氮氣進行底吹攪拌熔煉，鋼水與水冷銅坩堝層之間始終保持凝固薄殼，在此高壓底吹條件下熔煉，實現鋼水高效增氮；
d、鑄造:當鋼水中氮含量達到需要的數值后，停止底吹氮氣，慢慢降低感應線圈功率并提高冷卻水流量，凝固薄殼逐漸變厚，同時調節鑄錠吊環升降裝置，將鑄錠吊環插入正在降溫的鋼液中，最終形成帶有吊環的高氮鋼鑄錠；
e、吊裝:高氮鋼鑄錠冷卻后，釋放爐內高壓氮氣，打開螺栓并移走頂蓋，吊起高氮鋼鑄錠，然后重新開展下一周期的冶煉。
[0021 ] 所述方法在2MPa以內的環境下進行。
[0022]與現有技術相比，本發明的顯著效果在于:
1)高壓-底吹條件下生產高氮鋼，效率高。高壓提供了優越的熱力學條件，使鋼中氮含量達到較高水平，底吹提供了良好的動力學條件，使鋼中氮含量在較短時間內達到飽和；
2)精煉與鑄造在同一容器內完成，快速方便。使用新型精煉鑄造裝置，既可通過感應加熱進行精煉增氮，又可通過高速循環水冷卻鋼錠進行鑄造，精煉鑄造裝置調節方便、快捷，有利于聞氣鋼順利生廣；
3)使用廉價氮氣做增氮源，節約成本。使用含氮鐵合金進行高氮鋼冶煉，成本較高，而采用純凈氮氣，成本低且易獲取；
4)鋼錠含氮量高，凝固質量好。生產的高氮鋼氮含量高且分布均勻，高壓條件下凝固鋼中氮不易逸出。
[0023]因此，本發明不僅可在高壓-底吹條件下冶煉高氮鋼，并且鋼中氮含量高，鑄錠質量好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為高壓底吹熔鑄裝置的結構示意圖。
[0025]圖2是圖1的俯視剖面圖。
[0026]圖中，頂蓋1，放散閥2，頂蓋吊環3，壓力表4，邊緣密封螺栓5，密封墊6，凝殼層7，水冷活動底板8，穩流器9，底吹塞10，底板水冷管11，感應線圈12，水冷銅坩堝層13，安全耐火層14，銅坩堝層水冷管15，頂蓋水冷管16，鋼液17，鑄錠吊環18，吊環升降調節裝置19，分割耐材片20，水冷銅板21。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的描述。
[0028]本發明公開了一種高壓底吹精煉鑄造裝置以及用`該裝置冶煉高氮鋼的方法，高壓底吹精煉鑄造裝置的結構見圖1、圖2，由精煉鑄造裝置本體，感應線圈12、水冷銅坩堝層
13、安全耐火層14、水冷活動底板8、底吹系統、頂蓋系統等組成。見圖1，頂蓋系統的頂蓋I由水冷銅板制成，呈圓拱形，與頂蓋水冷管16連接，頂蓋I的頂部裝有爐蓋吊環3、壓力表4和氣體安全放散閥2，邊緣密封螺栓5，內部配有鑄錠吊環18及其吊環升降調節裝置19。頂蓋I蓋于精煉鑄造裝置本體上，邊緣用邊緣螺栓5緊固，頂蓋I與精煉鑄造裝置本體用邊緣螺栓5緊固處安裝有密封墊6。精煉鑄造裝置本體的底部固結有水冷活動底板8，水冷活動底板8是圓形銅板，內部為空腔結構，與地板水冷管11連接，水冷活動底板8的偏心處開有用于裝配底吹系統底吹塞10的孔，中心放置有耐材穩流器9，邊緣與水冷銅坩堝層13通過螺栓密封。
[0029]精煉鑄造裝置本體的主體結構由外向內的結構為:安全耐火層14、水冷銅坩堝層
13、分割耐材片20，鋼液17置于水冷銅坩堝層13內，感應線圈12是主體內通高速冷卻水的銅質中空管，呈螺旋形纏繞于安全耐火層14的外壁，感應線圈14外接電控柜調節裝置。安全耐火層14由耐火泥料搗打而成，位于感應線圈12之內，水冷銅坩堝層13之外，這種設置的目的是防止鋼液17意外泄露燒壞感應線圈12，起到安全保護作用。
[0030]水冷銅坩堝層13由一組水冷銅板21和一組分割耐材片20間隔均勻排列而成，呈圓筒形分瓣結構，其中水冷銅板21是由紫銅制成的內部為空腔的結構，水冷銅板21內通高速冷卻水，下端有冷卻水入口，上端有冷卻水出口，橫斷面呈扇臺形，主要作用是冷卻鋼水帶走熱量，形成一定厚度的凝固殼7 ;分割耐材片20是由耐火材料制成的薄片。為了分瓣均勻每一組水冷銅板21分別是16個、24個或者32個，分割耐材片20與水冷銅板對應,每一組分割耐材片20分別是16個、24個或者32個。分割耐材片20由耐火材料制成，厚度較薄，主要作用是分割相鄰兩塊水冷銅板21，防止磁場屏蔽。水冷銅坩堝可盛裝鋼液17并良好地導熱透磁。水冷銅坩堝層13與銅坩堝層水冷管15連接。
[0031]水冷活動底板8是圓形銅板，內部是空腔與底板水冷管11連通,通高速冷卻水；偏心處開底吹孔，底吹孔用于裝配底吹系統的底吹塞10 ;中心放置碗型耐材穩流器9 ;邊緣與水冷銅坩堝層13通過螺栓密封。
[0032]底吹系統由底吹塞10和流量控制儀組成，底吹塞10用耐火材料制成，開有3飛個透氣孔，可將高壓氮氣吹入鋼 液17中，流量控制儀置于精煉鑄造裝置外，底吹塞10與流量控制儀連接，流量控制儀10與氮氣源連接。
[0033]具體實施例:
實施例1適用于冶煉高氮鋼小鋼錠的高壓底吹精煉鑄造裝置。
[0034]本實施例的高壓底吹精煉鑄造裝置的感應線圈12選用銅質中空管，可產生2500-8000Ηζ的中頻磁場，安全耐火層14為鎂砂耐火泥料，厚度為10mm，水冷銅坩堝層13由16個水冷銅板21和16個分割耐材片20間隔均勻排列組成圓筒,圓筒外徑124mm,內徑84mm,高150mm，水冷銅板21厚20_，水縫10_，冷卻水水壓0.5~0.8MPa,流量l(Tl5mVh，分割耐材片20由耐火材料云母制成,厚3mm,寬20mm,高150mm,水冷活動底板8厚20mm,直徑180mm，冷卻水流量l(Tl5m3/h，偏心40mm處開底吹孔，底吹塞10由鎂砂耐火材料制成，開有3個直徑Imm的透氣孔，頂蓋I直徑180mm，冶煉鋼錠最大容量為5kg。
[0035]冶煉高氮鋼的方法:接通感應線圈12，產生磁場底吹氮氣后，吊起精煉鑄造裝置的頂蓋1，將預先熔煉好的1600°C鋼液17倒入高壓底吹精煉鑄造裝置內，蓋好頂蓋I并密封。同時調整感應線圈12功率逐漸升高，冷卻水流量保持12m3/h，在鋼水與水冷銅坩堝層13 (器壁)之間產生5mm厚的凝固薄殼7，使得鋼液17產生的感應熱與水冷銅坩堝層13帶走的鋼水熱量達到一個平衡狀態，從而在鋼水與水冷銅坩堝層13 (器壁)之間產生5mm厚的凝固薄殼7。與此同時，從熔鑄裝置頂部充入氮氣，形成1.5MPa的高壓氣氛；從底部的底吹塞10內通入固定流量的氮氣進行底吹攪拌熔煉。在此高壓底吹條件下熔煉15min。當鋼中氮含量達到1.0%后，停止底吹氮氣，慢慢降低感應線圈12功率并提高冷卻水流量，凝固薄殼7逐漸變厚，同時調節鋼錠吊環裝置19，將吊環插入降溫的鋼液17中，最終形成高氮鋼鑄錠。高氮鋼鑄錠冷卻到500°C后，釋放爐內高壓氮氣，卸掉鑄錠吊環18裝置，打開螺栓5并移走頂蓋1，吊起高氮鋼鑄錠，然后重新開展下一周期的冶煉。
[0036]實施例2
適用于冶煉高氮鋼鋼錠的高壓底吹精煉鑄造裝置:
本實施例的高壓底吹精煉鑄造裝置的感應線圈12選用銅質中空管，感應線圈12可產生5000-?0000Ηζ的中頻磁場，安全耐火層14為鎂砂耐火泥料，厚度為20mm，水冷銅坩堝層13由24個水冷銅板和24個分割耐材片間隔均勻排列，圓筒外徑320mm，內徑240mm，高400mm,水冷銅板厚40mm，內通冷卻水水壓0.5~0.8MPa，流量4(T50m3/h，分割耐材片20由耐火材料云母制成，厚5mm,寬40mm,高300mm,水冷活動底板厚40mm,直徑340mm,冷卻水流量4(T50m3/h,偏心60mm處開底吹孔,底吹塞10由鎂砂耐火材料制成,開有3個直徑Imm的透氣孔，頂蓋I直徑為300mm，冶煉鋼錠最大容量為100kg。
[0037]冶煉高氮鋼的方法:接通感應線圈12，產生磁場底吹氮氣后，吊起精煉鑄造裝置的頂蓋1，將預先熔煉好的1600°C鋼液17倒入高壓底吹精煉鑄造裝置內，蓋好頂蓋I并密封；同時調整感應線圈12的功率使其逐漸升高，冷卻水流量保持45m3/h，在鋼水與器壁(水冷銅坩堝層13)之間產生5_厚的凝固薄殼7。從精煉鑄造裝置頂部充入氮氣，形成1.5MPa的高壓氣氛；從底部的底吹塞10內通入流量為5 L/min的氮氣進行底吹攪拌熔煉，鋼液17與水冷銅坩堝層13 (器壁)之間始終保持5mm厚度的凝固薄殼7，在此高壓-底吹條件下熔煉15min。當鋼中氮含量達到1 .0%后，停止底吹氮氣，慢慢降低感應線圈12的頻率并提高冷卻水流量，凝固薄殼7逐漸變厚，最終形成高氮鋼鑄錠。高氮鋼鑄錠冷卻到500°C后，釋放爐內高壓氮氣，卸掉鑄錠吊環18，打開螺栓5并移走頂蓋1，吊起高氮鋼鑄錠，然后重新開展下一周期的冶煉。
[0038]上述實施例僅表達了本發明的實施方式，但并不能因此而理解為對本發明范圍的限制。應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種高壓底吹精煉鑄造裝置，包括鑄造裝置本體，頂蓋系統，頂蓋系統的頂蓋蓋于鑄造裝置本體上，用螺栓緊固，鑄造裝置本體的底部固結有水冷活動底板，其特征在于，所述裝置還包括感應線圈、底吹系統；所述的鑄造裝置本體為層狀筒形結構，由外向內的結構為:安全耐火層、水冷銅坩堝層、分割耐材片，所述的感應線圈呈螺旋形纏繞于安全耐火層外壁，感應線圈與電控柜調節裝置連接，所述的底吹系統安裝在水冷活動底板上。
2.根據權利要求1所述的高壓底吹精煉鑄造裝置，其特征在于，所述感應線圈是主體內通高速冷卻水的銅質中空管。
3.根據權利要求1所述的高壓底吹精煉鑄造裝置，其特征在于，所述的安全耐火層由耐火泥料搗打而成，位于感應線圈之內，水冷銅坩堝層之外。
4.根據權利要求1所述的高壓底吹精煉鑄造裝置，其特征在于，水冷銅坩堝層由一組水冷銅板和一組分割耐材片間隔均勻排列，呈圓筒形分瓣結構，其中水冷銅板是由紫銅制成的內部為空腔的結構，水冷銅板內通高速冷卻水,下端有冷卻水入口，上端有冷卻水出口 ；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。
5.根據權利要求4所述的高壓底吹精煉鑄造裝置，其特征在于，所述的每組水冷銅板分別是16個、24個或者32個，分割耐材片與水冷銅板對應，每組分割耐材片分別是16個、24個或者32個。
6.根據權利要求1所述的高壓底吹精煉鑄造裝置，其特征在于，水冷活動底板是圓形銅板，內部為空腔結構，偏心開有用于裝配底吹系統底吹塞的孔，中心放置有耐材穩流器，邊緣與水冷銅坩堝層通過螺栓密封。
7.根據權利要求1所述的精煉鑄造裝置，其特征在于，所述底吹系統由底吹塞和流量控制儀組成，底吹塞由耐火材料制成，底吹塞上開有3飛個透氣孔，流量控制儀置于精煉鑄造裝置外，底吹塞與流量控制儀連接，流量控制儀與氮氣源連接。
8.根據權利要求1所述的精煉鑄造裝置，其特征在于，所述頂蓋系統是由水冷銅板制成，呈圓拱形，頂部裝有爐蓋吊環、壓力表和氣體安全放散閥，邊緣有密封螺栓，內部配有鑄錠吊環及其升降裝置。
9.一種用權利要求1所述裝置冶煉高氮鋼的方法，其特征在于，具體步驟包括: a、裝料:接通感應線圈，底吹氮氣，吊起高壓底吹精煉鑄造裝置的頂蓋，將預先熔煉好的鋼水倒入爐內，鋼水沖擊爐底穩流器，鋼液面不斷上升，待注滿后蓋好頂蓋并密封； b、生殼:調整感應線圈功率，使得鋼水產生的感應熱與水冷銅板帶走的鋼水熱量達到平衡狀態，從而在鋼水與器壁之間產生凝固薄殼； C、熔煉:從頂部充入氮氣,形成高壓氣氛；從底部的底吹塞內通入固定流量的氮氣進行底吹攪拌熔煉，鋼水與水冷銅坩堝層之間始終保持凝固薄殼，在此高壓底吹條件下熔煉，實現鋼水高效增氮； d、鑄造:當鋼水中氮含量達到需要的數值后，停止底吹氮氣，慢慢降低感應線圈功率并提高冷卻水流量，凝固薄殼逐漸變厚，同時調節鑄錠吊環升降裝置，將鑄錠吊環插入正在降溫的鋼液中，最終形成帶有吊環的高氮鋼鑄錠； e、吊裝:高氮鋼鑄錠冷卻后，釋放爐內高壓氮氣，打開螺栓并移走頂蓋，吊起高氮鋼鑄錠，然后重新開展下一周期的冶煉。
10.根據權利要求8所述的用高壓底吹精煉鑄造裝置冶煉高氮鋼的方法，其特征在于，所述方法在2MPa以內的環境下進行。
【文檔編號】B22D7/00GK103882185SQ201310153071
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年4月28日 優先權日:2013年4月28日
【發明者】王書桓, 趙定國, 劉新生 申請人:河北聯合大學