一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法

一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法
【專利摘要】本發明屬于高氮鋼冶煉技術領域，具體為一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法，其特征是：根據目標鋼種成分，在熔煉爐中冶煉氮含量為(0.75～0.9)×[％N]的自耗電極母材，并鍛造成自耗電極；在氮氣保護下采用固態起弧方法進行起弧造渣；向熔煉室內充入氮氣增壓至1～3MPa，同步提升冷卻水壓力，采用低熔速在40～45V、3000～4200A下冶煉、補縮成型。其優點是通過合理控制電流、電壓和氮氣壓力等參數，利用氣相滲氮方法實現了高氮奧氏體不銹鋼中氮合金化的高效進行，為開發氮含量較高、成分均勻、性能優異的高氮奧氏體不銹鋼提供技術保障。
【專利說明】
-種加壓電渣重膝氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法
技術領域
[0001] 本發明設及高氮鋼冶煉領域，特別設及一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏 體不誘鋼的方法。
【背景技術】
[0002] 由于奧氏體不誘鋼具有良好的初性、耐均勻腐蝕和局部腐蝕性能，被廣泛應用于 化工、造紙和紙漿工業、醫療器械等，但低碳和超低碳奧氏體不誘鋼強度的不足限制了此類 鋼的進一步應用。氮作為間隙強化元素加入奧氏體不誘鋼中，能極大地提高奧氏體穩定性， 部分或全部替代昂貴的Ni,且通過與其它合金元素(Cr、Mo等）的協同作用，改善鋼的強度、 初性、耐磨性和耐腐蝕性能等。
[0003] 在常壓下，為提高奧氏體不誘鋼中氮的溶解度，一般是通過適當提高合金體系中 增加氮溶解度元素的含量，如Cr、Mn、Mo等。目前在常壓下冶煉的商業化奧氏體不誘鋼中的 氮含量均低于0.65%。加壓氮氣烙煉可顯著提高奧氏體烙體中的氮含量，加壓電渣重烙是 目前工業化生產高氮鋼的有效方法。德國VSG公司利用該技術成功研制了性能優異的高氮 奧氏體不誘鋼P900N( ISCrlSMnO . 9N)、P900NM〇( ISCrl 8Mn2MoO .9N)和P2000 (18化14Mn3Mo0.9N)，該類鋼具有較高的屈服強度和塑性、較低的導磁性能W及良好的耐腐 蝕性能，特別是耐應力腐蝕性能，在發電機護環、醫用生物植入材料、海洋工程等領域具有 廣闊的應用前景。
[0004] 在加壓電渣重烙過程中，氮合金化工藝是核屯、和關鍵。德國開發了壓力達4.2MPa， 利用添加 Si3N4等氮化合金的方法進行氮合金化的加壓電渣爐，可生產重達20t的鑄錠，但該 方法易使某些鋼種的娃含量超標，且氮分布均勻性較差，有時必須進行二次重烙，造成生產 成本顯著增加；另一種方法是日本NIMS和國內東北大學采用的復合電極法，成功制備了氮 含量為0.8~1.2%、成分均勻、組織致密的高氮奧氏體不誘鋼，但存在復合電極制備復雜、 焊接復合電極過程中易使電渣錠增氧等缺點。
[0005] 在加壓電渣重烙過程中，考慮到高壓氮氣條件下氮可穿過渣池進入到金屬烙池 中，利用氣相滲氮代替添加氮化合金的工藝，具有可連續增氮、鑄錠中氮分布均勻、易于通 過壓力調節電渣錠中的氮含量、適于娃含量要求嚴格的鋼種、成本較低等優點。但加壓電渣 重烙過程的冶煉參數和氮氣壓力對高氮奧氏體不誘鋼中氮含量和鑄錠質量控制有顯著影 響，若工藝匹配不當，會顯著降低增氮效果，甚至產生渣溝等表面質量問題。因此，在利用加 壓電渣重烙冶煉高氮奧氏體不誘鋼的過程中，如何合理選擇工藝參數是順利生產成分均 勻、組織致密的高氮奧氏體不誘鋼的核屯、技術。

【發明內容】

[0006] 本發明提供了一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，適用于 冶煉目標鋼種成分為：C:《0.2%、Mn:12~30%、Cr:15~30%、Si:《l%、Mo:0~4.5%、N: 0.7~2%、化:0~4.5%、5:《0.015%、口:《0.05%少6:余量的高氮奧氏體不誘鋼。
[0007] 本發明的核屯、思想是:首先在氮氣保護下冶煉氮含量為(0.75~0.9) X [%N]的奧 氏體不誘鋼自耗電極母材，式中[%N]為常壓下目標鋼種的氮溶解度，然后在加壓電渣重烙 過程中利用氣相滲氮的方式，通過合理匹配冶煉工藝參數和氮氣壓力，將氮含量升高至0.7 ~2%，從而探索出一種合理、高效、經濟的制備高氮奧氏體不誘鋼的氮合金化方法，為開發 氮含量較高、成分均勻、性能優異的高氮奧氏體不誘鋼提供技術保障。
[0008] 本發明為一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，其特征在于 該種方法具體包括如下步驟：
[0009] (1)制備自耗電極:依據目標鋼種的元素成分，通過下述公式計算常壓下目標鋼種 的氮溶解度[%N]，使用氮氣保護的真空感應爐冶煉氮含量為(0.75~0.90) X [ %N]的自耗 電極母材，目標鋼種的氮溶解度計算公式為：
[0010]
[0011]
[001 ^ 將母材加熱到1150~1200°C保溫2~3小時，控制終鍛溫度不低于1050°C，將母材 鍛造成適合加壓電渣爐電渣重烙尺寸的自耗電極，然后空冷;清除自耗電極表面的氧化皮， 然后將其焊接到假電極上，并與加壓電渣爐的電極夾持器相連接；
[0013] (2)準備渣料并造渣:將與所冶煉高氮奧氏體不誘鋼相同材質的引弧環、0.45± 0.05kg引弧屑放到位于自耗電極下面的加壓電渣爐底水箱上;將適于高氮奧氏體不誘鋼氣 相滲氮用的預烙渣在500~700°C溫度下經4~6小時的烘烤后，全部加入到加壓電渣爐結晶 器內；安裝加壓電渣爐上部的爐殼，將烙煉室密閉；向加壓電渣爐烙煉室中按10~15L/min 的流量通入氮氣，通氣時間為5~IOmin，將烙煉室內的空氣全部排出，同時向加壓電渣爐結 晶器內通入常壓冷卻水；閉合交流電源，采用固態起弧方法在電壓35~40V、電流2000~ 2500A的條件下化渣20~25min，完成造渣；
[0014] (3)加壓電渣冶煉:在造渣完成后，逐漸向烙煉室內充入氮氣至壓力為1~3MPa，并 同步提升結晶器的冷卻水壓力，使結晶器銅壁兩側壓力基本保持一致，并將電壓調整至40 ~45V、電流3000~4200A，進行加壓電渣重烙氣相滲氮烙煉，烙速控制方程為V= (0.35~ 0.45) XD kg/h，D為電渣爐結晶器尺寸，單位為mm;通過步進式加料機按照0.4~0.化g/噸 鋼的比例不斷加入侶粒或娃巧合金脫氧;加壓電渣重烙補縮結束后，抬升電極，冶煉結束； 關閉交流電源5min后，打開加壓電渣爐放氣閥泄壓至常壓，同步降低加壓電渣爐結晶器內 冷卻水壓力，在鋼錠溫度降至室溫后，脫出鋼錠。
[0015] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法中氣相滲氮 的原理是:在高壓氮氣下，氣相中的氮陽2}在氣-渣界面形成吸附態氮Nads,并與渣中的氧離 子(〇2^反應生成氮離子(妒^，之后通過烙渣擴散到渣-金界面并與溶解氧[0]反應生成溶 解氮[N]，進入鋼中。
[0016] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，其特征在 于:采用低烙速加壓電渣重烙高氮奧氏體不誘鋼。加壓電渣重烙的烙速V由電渣爐結晶器尺 寸D的大小確定:V= (0.35~0.45) XD kg/h，D的單位為mm，而常壓下電渣重烙的烙速為:V = (0.7~0.8) XD kg/h。采用運種低烙速的加壓電渣重烙可W增加自耗電極的烙化時間， 從而延長氮通過渣池向鋼中擴散的時間，顯著提高氣相滲氮的效果。
[0017] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，其特征在 于:所用預烙渣的氮容較高，達到1.18Xl(^l3，其化學成分質量百分比為:CaF2:61%，Al203: 13%，CaO:20%，MgO:5%，Si〇2:l%。
[0018] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，其特征在 于:所使用的氮氣純度>99.999%。
[0019] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，其特征在 于:采用與所冶煉高氮奧氏體不誘鋼相同材質的引弧環、〇.45±0.05kg引弧屑和全部預烙 渣進行固態起弧造渣。
[0020] 本發明的一種加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不誘鋼的方法，首先在氮氣 保護下冶煉氮含量為(0.75~0.90) X [%N]的奧氏體不誘鋼自耗電極，然后在加壓電渣重 烙過程中利用氣相滲氮的方式，通過控制合理的工藝參數和氮氣壓力，在低烙速下將氮含 量升高至0.7~2.0%，從而探索出一種合理、高效、經濟的制備高氮奧氏體不誘鋼的氮合金 化方法，冶煉獲得氮含量較高、成分均勻、性能優異的高氮奧氏體不誘鋼。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合實施例詳細說明本發明的【具體實施方式】，但本發明的【具體實施方式】不局 限于下述的實施例。
[0022] 實施例一
[0023] 采用加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉200kg目標鋼種18Crl4Mn3Mo0.7N，其成分 (wt.%)如下表：
[00241
[0025] 通過下述公式計算18化14Mn3Mo0.7N在1500°C、常壓下的氮溶解度[%N]:
[0026]
[0027] 式中：為氮壓力，p0為標準大氣壓。
[0028] 氮溶解度[%^的計算結果為0.610%，確定真空感應爐冶煉高氮奧氏體不誘鋼自 耗電極母材氮含量約為0.5%。
[0029] 依據目標鋼種的元素成分，使用真空感應爐，在冶煉過程中通入氮氣保護，添加氮 化銘冶煉氮含量為0.48 %的自耗電極母材，成分如下：
[00301
[0031] 隨后將母材加熱到1200°C保溫2小時，開始鍛造，采用較小的壓下量，控制終鍛溫 度不低于1050°C，將母材鍛造成直徑O = 130mm的自耗電極，之后空冷。車削掉自耗電極表 面的氧化皮，將自耗電極焊接到假電極上，之后將假電極裝卡到電極夾持器上。
[0032] 將與所冶煉18Crl4Mn3Mo0.7N相同材質的引弧環、0.43kg引弧屑放在自耗電極下 面的加壓電渣爐底水箱上。將9kg預先在600 °C烘烤5小時的預烙渣均勻倒入直徑為D = 220mm的結晶器內，預烙渣組成的重量百分比為：CaF2:61%，Al2〇3:13%，Ca0:20%，MgO: 5%，Si〇2:1%。安裝加壓電渣爐上部的爐殼，將烙煉室密閉；向烙煉室中WlOL/min的速度 通入氮氣8min，使烙煉室內的空氣全部排出，并向加壓電渣爐結晶器內通入常壓冷卻水，采 用固態起弧方法進行起弧造渣，控制電壓37V、電流2400A，化渣20min，完成造渣。
[0033] 造渣結束后，將加壓電渣爐烙煉室壓力和冷卻水壓力同步提升至1.45MPa，調整電 壓和電流分別為43V和3800A，烙速控制為91kg/h，進行加壓電渣重烙冶煉，冶煉過程中控制 電流波動< ± 3 %、電壓波動< ± 0.5 %、烙速波動< ± 0.化g/h。同時利用步進式加料機加 入總重IlOg的侶粒進行脫氧。在補縮完畢后，抬升電極，冶煉結束。關閉交流電源5min后，同 步降低烙煉室氮氣壓力和冷卻水壓力至常壓，待鋼錠冷卻到室溫后，脫出鋼錠，其成分如 下：
[0034]
[0035] 在電渣錠的上、中、下S個不同高度W及每個高度處沿著徑向的邊緣、中徑、中屯、 =個不同位置取樣檢測氮含量，檢測結果如下： 「nfV5Al
[0037] 上表中的氮含量結果表明，此例所得到的高氮奧氏體不誘鋼電渣錠氮含量達到目 標鋼種18化14Mn3Mo0.7N標準要求，氮含量在高度和徑向分布均勻。
[0038] 實施例二
[0039] 采用加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉200kg目標鋼種18Crl8Mn3Mol . IN,其成分 (wt.%)如下表：
[prvinl
[(
[(
[( _' . .............
[0044] 氮溶解度[%N]的計算結果為0.872 %，確定真空感應爐冶煉高氮奧氏體不誘鋼自 耗電極母材氮含量約為0.66%。
[0045] 依據目標鋼種的元素成分，使用真空感應爐，在冶煉過程中通入氮氣保護，添加氮 化銘冶煉得到氮含量為0.65 %的自耗電極母材，成分如下：
[0046]
[0047] 隨后將母材加熱到118(TC保溫2小時，開始鍛造，采用較小的壓下量，控制終鍛溫 度不低于1050°C，將母材鍛造成直徑O = 130mm的自耗電極，之后空冷。車削掉自耗電極表 面的氧化皮，將自耗電極焊接到假電極上，之后將假電極裝卡到電極夾持器上。
[004引將與所冶煉18化18Mn3Mol. IN相同材質的引弧環、0.42kg引弧屑放在自耗電極下 面的加壓電渣爐底水箱上。將8.8kg預先在550°C烘烤6小時的預烙渣均勻倒入直徑為D = 220mm的結晶器內，預烙渣組成的重量百分比為：CaF2:61%，Al203:13%，Ca0:20%，MgO: 5%，Si02:1%。安裝加壓電渣爐上部的爐殼，將烙煉室密閉；向烙煉室中WlOL/min的速度 通入氮氣8min，使烙煉室內的空氣排出，并向加壓電渣爐結晶器內通入常壓冷卻水，采用固 態起弧方法進行起弧造渣，控制電壓37V、電流2300A，化渣20min，完成造渣。
[0049]造渣結束后，將烙煉室壓力和冷卻水壓力同步提升至2. IMPa,調整電壓和電流分 別為41V和3600A，烙速控制為87kg/h，進行加壓電渣重烙冶煉，冶煉過程中控制電流波動< ± 3%、電壓波動<±0.5 %、烙速波動<±0.化g/h。同時利用步進式加料機加入總重120g 的娃巧合金進行脫氧。在補縮完畢后，抬升電極，冶煉結束。關閉交流電源5min后，同步降低 烙煉室氮氣壓力和冷卻水壓力至常壓，待鋼錠冷卻到室溫后，脫出鋼錠，其成分如下：
[(K)加 ]
[0051]在電渣錠的上、中、下=個不同高度W及每個高度處沿著徑向的邊緣、中徑、中屯、 =個不同位置取樣檢測氮含量，檢測結果如下： 「0化 21
[0053]上表中的氮含量結果表明，此例所得到的高氮奧氏體不誘鋼電渣錠氮含量達到目 標鋼種18化18Mn3Mol. IN標準要求，氮含量在高度和徑向分布均勻。
[0054] 實施例S
[0化日]采用加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉200kg目標鋼種24化28Mn3Mo2Nil.9N，其成分如 下表：
[0化6]
[0化7] 通過下述公式計算24化28Mn3Mo2Ni 1.9N在1500 °C、常壓下的氮溶解度[% N]:
[0化81
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[0060] 氮溶解度[%^的計算結果為1.681%，確定真空感應爐冶煉高氮奧氏體不誘鋼自 耗電極母材氮含量約為1.4%。
[0061] 依據目標鋼種的元素成分，使用真空感應爐，在冶煉過程中通入氮氣保護，添加氮 化銘冶煉得到氮含量為1.36%的自耗電極母材，成分如下：
[0062]
[0063] 隨后將母材加熱到1220°C保溫2小時，開始鍛造，采用較小的壓下量，控制終鍛溫 度不低于1080°C，將母材鍛造成直徑O 130mm的自耗電極，之后空冷。車掉自耗電極表面的 氧化皮，將自耗電極焊接到假電極上，之后將假電極裝卡到電極夾持器上。
[0064] 將與所冶煉24化28Mn3Mo2Nil.9N相同材質的引弧環、0.4化g引弧屑放在自耗電極 下面的加壓電渣爐底水箱上。將9.化g預先在700°C烘烤4小時的預烙渣均勻倒入直徑D = 220mm的結晶器內，預烙渣組成的重量百分比為：CaF2:61 %，Al2〇3:13%，CaO:20% ,MgO: 5%，Si〇2:1%。安裝上部的爐殼，將烙煉室密閉；向烙煉室中WlOL/min的速度通入氮氣 8min，使烙煉室空氣排出，并向結晶器內通入常壓冷卻水，采用固態起弧方法進行起弧造 渣，控制電壓36V、電流21004，化渣25111111，完成造渣。
[0065] 造渣結束后，將烙煉室壓力和冷卻水壓力同步提升至2.9MPa，調整電壓和電流分 別為40V和3400A，烙速控制為81kg/h，進行加壓電渣重烙冶煉，冶煉過程中控制電流波動< ± 3%、電壓波動<±0.5 %、烙速波動<±0.化g/h。同時利用步進式加料機加入總重120g 的侶粒進行脫氧。在補縮完畢后，抬升電極，冶煉結束。關閉交流電源5min后，同步降低烙煉 室氮氣壓力和冷卻水壓力至常壓，待鋼錠冷卻到室溫后，脫出鋼錠，其成分如下：
[0066]
[0067]在電渣錠的上、中、下S個不同高度W及每個高度處沿著徑向的邊緣、中徑、中屯、 =個不同位置取樣檢測氮含量，檢測結果如下： TnriARl
[0069]上表中的氮含量結果表明，此例所得到的高氮奧氏體不誘鋼電渣錠氮含量達到目 標鋼種24化28Mn3Mo2Ni 1.9N標準要求，氮含量在高度和徑向分布均勻。
【主權項】
1. 一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法，其特征在于該種方法具 體包括如下步驟： (1) 制備自耗電極:依據目標鋼種的元素成分，通過下述公式計算常壓下目標鋼種的氮 溶解度[%N]，使用氮氣保護的真空感應爐冶煉氮含量為(0.75~0.90) X [ %N]的自耗電極 母材，目標鋼種的氮溶解度計算公式為：式中:為氮壓力，Ρθ為標準大氣壓； 將母材加熱到1150~1200°C保溫2~3小時，控制終鍛溫度不低于1050°C，將母材鍛造 成適合加壓電渣爐電渣重熔尺寸的自耗電極，然后空冷;清除自耗電極表面的氧化皮，然后 將其焊接到假電極上，并與加壓電渣爐的電極夾持器相連接； (2) 準備渣料并造渣:將與所冶煉高氮奧氏體不銹鋼相同材質的引弧環、0.45±0.05kg 引弧肩放到位于自耗電極下面的加壓電渣爐底水箱上;將適于高氮奧氏體不銹鋼氣相滲氮 用的預熔渣在500~700°C溫度下經4~6小時的烘烤后，全部加入到加壓電渣爐結晶器內； 安裝加壓電渣爐上部的爐殼，將熔煉室密閉；向加壓電渣爐熔煉室中按10~15L/min的流量 通入氮氣，通氣時間為5~lOmin，將熔煉室內的空氣全部排出，同時向加壓電渣爐結晶器內 通入常壓冷卻水；閉合交流電源，采用固態起弧方法在電壓35~40V、電流2000~2500A的條 件下化渣20~25min，完成造渣； (3) 加壓電渣冶煉:在造渣完成后，逐漸向熔煉室內充入氮氣至壓力為1~3MPa，并同步 提升結晶器的冷卻水壓力，使結晶器銅壁兩側壓力基本保持一致，并將電壓調整至40~ 45V、電流3000~4200A，進行加壓電渣重熔氣相滲氮熔煉，熔速控制方程為v= (0.35~ 0.45) XD kg/h，D為電渣爐結晶器尺寸，單位為mm;通過步進式加料機按照0.4~0.7kg/噸 鋼的比例不斷加入鋁粒或硅鈣合金脫氧;加壓電渣重熔補縮結束后，抬升電極，冶煉結束； 關閉交流電源5min后，打開加壓電渣爐放氣閥泄壓至常壓，同步降低加壓電渣爐結晶器內 冷卻水壓力，在鋼錠溫度降至室溫后，脫出鋼錠。2. 根據權利1中所述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法，其 特征在于本方法所使用的氮氣純度多99.999 %。3. 根據權利1中所述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法，其 特征在于本方法適用于冶煉目標鋼種成分為:C:彡0.2%、Mn: 12~30%、Cr: 15~30%、Si : 彡1%、M〇:0~4.5%川:0.7~2%、附：0~4.5%、5:彡0.015%、卩 ：彡0.05%小6:余量的高氮 奧氏體不銹鋼。4. 根據權利1中所述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮奧氏體不銹鋼的方法，其 特征在于：所用預熔渣的氮容達到1.18XUT 13,其化學成分質量百分比為：CaF2:61%， Al2〇3:13%，Ca0:20%，MgO:5%，Si〇2:l%。
【文檔編號】C21C7/00GK105925814SQ201610471784
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】李花兵, 姜周華, 馮浩, 張彬彬, 朱紅春, 張樹才, 劉福斌, 柴曉星
【申請人】東北大學