一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法

一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法
【專利摘要】本發明涉及一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，屬于高氮鋼冶煉技術領域。其特征是：依據目標鋼種成分冶煉自耗電極；鋪設引弧劑，加入預熔渣起弧造渣；向熔煉室內充氮增壓，同時提升冷卻水壓力開始冶煉；通過加料機按0.9～1.7kg/噸鋼的比例將金屬鈣粒與鋁粒混合加入熔渣中；加壓電渣重熔補縮，抬升電極冶煉結束。本發明方法與未加鈣相比電渣錠氮含量提高1～6％，且分布均勻，電渣錠中最終氧含量小于25ppm，操作方法獨特、高效，成本較低。
【專利說明】
-種加壓電渣重膝高氮鋼過程中巧錯増氮脫氧的方法
技術領域
[0001] 本發明設及高氮鋼冶煉領域，具體設及一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮 脫氧的方法。
【背景技術】
[0002] 作為一種重要的工程材料，高氮不誘鋼在交通運輸(如輪船、飛機）、建筑(如超高 強度鋼筋）、電力、石油化工、原子能、醫用植入材料和軍事工業等領域具有廣泛的應用前 景。氮作為鋼中重要的合金元素，通過與其它合金元素（如Mn、Cr)的協同作用，可W顯著改 善鋼的強度、初性、蠕變抗力、耐磨性和耐腐蝕等多種性能。常壓下鋼中的氮溶解度有限，W MnlSCrlSN為例，常壓下冶煉該鋼時氮含量均低于0.65%，欲使氮含量超過0.8%且無氣孔 等缺陷，必須采用加壓冶金手段。加壓電渣重烙是目前工業化生產高氮鋼的有效方法，德國 開發了壓力達4.2M化，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。
[0003] 加壓電渣重烙過程中，廣泛采用的增氮方法有氮化合金法（如添加氮化儘、氮化 銘、氮化銘鐵等)和復合電極法。氮化合金法操作簡單，能提高氮含量，但電渣錠中氮分布不 均勻，有時須進行二次重烙，導致生產成本顯著增加；日本NIMS研究所和國內東北大學采用 復合電極法成功制備出了氮含量為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。
[0004] 研究表明，加壓電渣重烙過程中采用氣相滲氮法可連續增氮，保證鑄錠中氮分布 均勻，易于通過壓力調節電渣錠中的氮含量，適于冶煉娃含量要求嚴格的鋼種，且成本較 低。但冶煉過程中通入的高純氮氣，不可避免地含有氧；隨著壓力的增加，爐內的氧必然會 富集，導致電渣錠中的氧含量增多。同時，自耗電極中的氧和渣料中帶入的不穩定氧化物等 亦會引起電渣錠中氧含量增加，潔凈度降低，影響電渣錠的質量。此外，加壓電渣重烙過程 中高壓操作會顯著影響設備壽命，降低生產效率。因此，探索出一種在相對較低壓力下冶煉 更高氮含量和較低氧含量電渣錠的方法，有益于降低生產成本和延長設備壽命。
[0005] 本發明所述的一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，不僅可W提 高渣池中氮的滲透率，增加電渣錠中氮的含量，還能夠有效解決氧含量超標的問題，且本方 法具備安全、高效、易操作的優點。

【發明內容】

[0006] 本發明的核屯、思想是:在加壓電渣重烙冶煉高氮鋼過程中，采用氣相滲氮的方式 提高鑄錠中的氮含量，通過步進式加料機均勻添加巧粒和侶粒，提高了烙渣的氮滲透率和 氮容，顯著提高了增氮效果，同時還有一定的脫氧能力，在相對較低壓力下冶煉出同等氮含 量的電渣錠，且電渣錠中氮元素分布均勻，是一種安全、高效、經濟的加壓電渣重烙增氮脫 氧方法。
[0007] 本項發明公開了一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，其特征在 于，該種方法具體包括如下步驟：
[0008] (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：
[0009]
[0010] 式中：為氮壓力，P?為標準大氣壓；
[001U 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；
[0012] (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；
[0013] (3)加壓電渣冶煉:造渣完成后，逐漸向加壓電渣爐烙煉室內充入氮氣至壓力為1 ~3M化，并同步提升加壓電渣爐結晶器內的冷卻水壓力，使加壓電渣爐結晶器銅壁兩側壓 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，其中D為電渣爐結晶器尺寸，單位為mm; 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;將混勻的 金屬巧粒和侶粒加入到烙渣中；
[0014] (4)出鋼:加壓電渣重烙補縮后，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至常壓，在鋼錠 溫度降至室溫后，脫出鋼錠。
[0015] 本發明提供了一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟（1)所述的目標鋼種成分為C:《0.2% ,Mn: 12~30%，吐：15~30% ,Si:《1 % ,Mo :0 ~4.5%，N:0.7 ~2%，Ni:0 ~4.5%，5:《0.015%，口：《0.05%，尸6:余量。
[0016] 本發明提供了一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟（2)所述的預烙渣組成按重量百分比為：CaF2:61%，Al2〇3:13%，CaO:20%，MgO: 5%，Si〇2:l%。
[0017] 本發明提供了一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟(3)所述金屬巧粒和侶粒加入方式為:將混勻的金屬巧粒與侶粒，通過步進式加料 機按0.9~1.化g/噸鋼的比例加入烙渣中，加入速度為(0.4~0.7) X D gA，其中D為電渣爐 結晶器尺寸，單位為mm。
[0018] 本發明提供了一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方法，其特征在
[0019] 于，步驟(3)所述的巧粒用量為0.5~1.0kg/噸鋼，粒度為O~3mm，其化學成分W重量百分數 計如下表所示：
[0020] H正在 于，步疆 3分數 計如下；
[0021]
[0022] 理論分析與研究結果表明：
[0023] 1)在電渣重烙過程中，向渣池中添加金屬巧有利于氮從氣相經烙渣向鋼液傳質。 此外，氮分子與渣中的金屬巧形成Ca3N2，增加渣的氮溶解度，其反應式如下：
[0024] 3化+{化} 一（Ca3 化）
[0025] 另外，由于巧蒸氣壓較高W及與氧有很強的親和力，因此可有效降低氣相和金屬 烙池中的氧含量，促進了氮經烙渣向金屬烙池的傳質過程。
[0026] 2)研究表明，化與Al復合脫氧效果極佳，添加化粒與Al粒進行脫氧的反應式如下：
[0027] Ca(l)+[0]一（CaO)
[002引 2Al(l)+3[0] 一 (Al2〇3)
[0029] 基于W上分析，本發明所述的一種加壓電渣重烙高氮鋼過程中巧侶增氮脫氧的方 法，其最大特點是：
[0030] (1)本發明介紹的加壓電渣重烙過程中巧侶增氮脫氧的方法能夠有效地提高電渣 錠中的氮含量，與未加巧相比電渣錠氮含量提高1~6%，使電渣錠中最終氧含量小于 25卵m，適用于冶煉的鋼種目標成分為C:《0.2% ,Mn: 12~30%，吐：15~30%，Si :《1 %， Mo:0~4.5%，N:0.7~2%，Ni:0~4.5%，S:《0.015%，P:《0.05%，Fe:余量。
[0031] (2)本發明介紹的加壓電渣重烙過程中巧侶增氮脫氧的方法，將巧粒與侶粒混勻 后通過步進式加料機添加，可在較低壓力下冶煉更高氮含量的電渣錠，操作簡單，方法高 效，成本較低，易于實現。
【具體實施方式】
[0032] 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。
[0033] 實施例一
[0034] 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：
[0035]
[0036]
[0037]
[003引式中:腳:為氮壓力，p?為標準大氣壓。
[0039] 氮溶解度[%^的計算結果為0.607%，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%。
[0040] 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'停但至Il気金吾兩n 47的白投由械巧?材-成Afm下.
[0041]
[0042] 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的兩個自耗電極，之后空冷。車削掉自耗電極 表面的氧化皮，將兩個自耗電極分別焊接到假電極上，并將假電極裝卡到電極夾持器上，分 別用W下兩種方式進行加壓電渣重烙。
[0043] 方式1:僅加侶粒進行脫氧
[0044] 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的加壓電渣爐結晶器內，預烙渣組成按重量百分比為：CaF2:61%，Al2〇3:13%，CaO: 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；向烙煉室中通入流 量為lOL/min氮氣8min，使結晶器內空氣排出，同時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。
[0045] 造渣結束后，將烙煉室壓力和冷卻水壓力同步提升至1.3MPa，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gA;同時利用步進式加料機加入總重1 IOg 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，成分如下：
[0046]
[0047] 方式2:加巧侶進行增氮脫氧
[004引將與所冶煉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%，Al203:13%，Ca0:20%，MgO: 5%，5102:1%。安裝上部的爐殼，將烙煉室密閉；向烙煉室中通入1017111111氮氣8111111，使結晶 器內空氣排出，同時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37V、電流2400A，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1.3MPa，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;將105g金屬巧粒與1 IOg侶粒混勻，通過 步進式加料機W 105g/h的速度加入烙渣中。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，成分如下：
[(K)加 ]
[0051]在電渣錠的=個不同高度(上、中、下）W及每個高度處沿著徑向的=個不同位置 (邊緣、中徑、中屯、)取樣檢測氮含量。檢測結果如下：
[00521
[
[0054]上表中的氮含量和氧含量結果表明，加巧侶的方式與僅加侶的方式相比，氮含量 提高了 4.2%，氧含量由28ppm降到18ppm，且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。
[00對實施例二
[0化6] 采用加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉200kg目標鋼種18Crl8Mn3Mol .0N，其成分 (wt. % )如下表：
[0化7]
[0化引通過下述公式計算18化18Mn3Mol.0N在1500。(：、常壓下的氮溶解度[%^:
[0化9]
[0060] 式中：雌為氮壓力，p?為標準大氣壓。
[0061 ]氮溶解度[%N]的計算結果為0.87 %，確定真空感應爐冶煉高氮奧氏體不誘鋼自 耗電極母材氮含量為0.67%。
[0062] 使用真空感應爐，依據目標鋼種的元素成分，在冶煉過程中充入氮氣保護，添加氮 化銘冶煉得到氮含量為0.66 %的自耗電極母材，成分如下(Wt. % :
[0063]
[0064] 其他工藝和實施例一相同，不同之處是：引弧屑用量為0.42kg，預烙渣量為8.8kg， 預先在550°C烘烤6小時，造渣過程中控制電壓37V、電流2300A，化渣20min。冶煉氮氣壓力為 2.11?3，烙煉電壓為41￥，烙煉電流為36004，烙速控制為871^/11。方式1利用步進式加料機加 入總重120g的娃巧合金進行脫氧;方式2利用步進式加料機將130g金屬巧粒與120g侶粒混 勻，通過步進式加料機Wl30g/h加入烙融的液態渣內。方式1電渣錠成分如下：
[00 化]
[0068] 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：
[0069]
[0070] 上表中的氮含量和氧含量結果表明，加巧侶的方式與僅加娃巧的方式相比，氮含 量提高了 5.1%，氧含量由27ppm降到19ppm，且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 .ON標準要求，氮含量在高度和徑向分布均勻。
[0071 ] 實施例S
[0072] 采用加壓電渣重烙氣相滲氮冶煉200kg目標鋼種24Cr28Mn3Mo2Nil.9N，其成分 (wt.%)如下表：
[0073]
[
[
[0076] 式中：為氮壓力，P?為標準大氣壓。
[0077] 氮溶解度[%N]的計算結果為1.674%，確定真空感應爐冶煉高氮奧氏體不誘鋼自 耗電極母材氮含量為1.4%。
[0078] 使用真空感應爐，依據目標鋼種的元素成分，在冶煉過程中充入氮氣保護，添加氮 化銘冶煉得到氮含量為1.37 %的自耗電極母材，成分如下(Wt. % :
[00791
[0080]其他工藝和實施例一相同，不同之處是：引弧屑用量為0.46kg，預烙渣量為9.化g， 預先在700°C烘烤4小時，造渣過程中控制電壓36V、電流2100A，化渣25min。烙煉電壓均為 40V，烙煉電流均為3400A，烙速控制均為8 IkgA。方式1冶煉氮氣壓力為2.9MPa，利用步進式 加料機加入總重120g的侶進行脫氧;方式2冶煉氮氣壓力為2.75MPa，利用步進式加料機將 混勻的160g金屬巧粒與120g侶粒Wl45g/h加入烙融的液態渣內。
[0081 ] 方式1電渣錠成分如下：
[0085] 對電渣錠上、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、=
[on?9l
[i
[i 個不同位置取樣檢測氮含量。檢測結果如下：
[OORAl
[0087]上表中的氮含量和氧含量結果表明，加巧侶的方式與僅加侶的方式相比，化渣后 冶煉氮氣壓力雖由2.9M化降至2.75MPa，但氮含量仍提高了 4.40 %，氧含量由3 Ippm降到 20ppm，且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28Mn3Mo2Nil .9N標 準要求，氮含量在電渣錠的高度和徑向分布均勻。
【主權項】
1. 一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，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：i7%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：造渣完成后，逐漸向加壓電渣爐熔煉室內充入氮氣至壓力為1~ 3MPa，并同步提升加壓電渣爐結晶器內的冷卻水壓力，使加壓電渣爐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3000~4500A，進行加壓電渣重熔氣相滲氮熔 煉，熔速控制方程為v= (〇.35~0.45) XD kg/h，其中D為電渣爐結晶器尺寸，單位為mm;冶 煉過程中控制電流波動< ± 3 %、電壓波動< ± 0.5 %、熔速波動< ± 0.5kg/h;將混勻的金 屬鈣粒和鋁粒加入到熔渣中； (4) 出鋼:加壓電渣重熔補縮后，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至常壓，在鋼錠溫度 降至室溫后，脫出鋼錠。2. 根據權利1所述的一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟（1)所述的目標鋼種成分為C:彡0·2%，Μη:12~30%，Cr:15~30%，SK1%，M〇:0 ~4.5%，Ν:0·7~2%，Ni:0~4.5%，S:彡0.015%，P:彡0.05%，Fe:余量。3. 根據權利1所述的一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟（2)所述的預熔渣組成按重量百分比為：CaF2 :61%，Al2〇3:13%，CaO:20%，MgO: 5%，Si〇2:l%〇4. 根據權利1所述的一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟(3)所述的金屬鈣粒和鋁粒的加入方式為:將混勻的金屬鈣粒與鋁粒，通過步進式 加料機按〇.9~1.7kg/噸鋼的比例加入熔渣中，加入速度為(0.4~0.7) XD g/h，其中D為電 渣爐結晶器尺寸，單位為_。5. 根據權利1所述的一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟(3)所述的鈣粒用量為0.5~1.0kg/噸鋼，粒度為0~3mm，其化學成分以重量百分數 計如下表所示：6. 根據權利1所述的一種加壓電渣重熔高氮鋼過程中鈣鋁增氮脫氧的方法，其特征在 于，步驟(3)所述的鋁粒用量為0.4~0.7kg/噸鋼，粒度為3~8_，其化學成分以重量百分數 計如下表所示：
【文檔編號】C21C7/06GK105925916SQ201610472064
【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, 朱紅春, 馮浩, 張彬彬, 劉福斌, 耿鑫, 丁偉
【申請人】東北大學