CN103882185B - 高压底吹精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种高压底吹精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法，所述的铸造装置本体为层状筒形结构，由外向内的结构为：安全耐火层、水冷铜坩埚层、分割耐材片，所述的感应线圈呈螺旋形缠绕于安全耐火层外壁，感应线圈与电控柜调节装置连接，底吹系统安装在水冷活动底板上。用其冶炼高氮钢的方法步骤包括：装料、生壳、熔炼、铸造、吊装。其显著效果在于：精炼与铸造在同一容器内完成，快速方便。在高压底吹条件下生产高氮钢，效率高。使用廉价氮气做增氮源，节约成本。钢锭含氮量高，凝固质量好。

Description

高压底吹精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法

技术领域

本发明属于高压精炼和铸造特殊钢的应用领域，特别是涉及一种高压条件下精炼和铸造特殊钢的装置及冶炼高氮钢的方法，具体地说是一种特别适用于钢铁厂采用高压-底吹法高效生产高氮钢的精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法。

背景技术

高氮钢（High Nitrogen Steels，HNS）是一种性能优越的特殊钢，其中的氮是有益的合金元素，具有稳定和扩大奥氏体相区、提高钢的强度且不降低塑性和韧性、改善钢的耐腐蚀性能（包括点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等）的作用。

氮含量超过0.4%后，氮的有益作用可以迅速凸显。但向钢中增氮，在冶炼方面有诸多困难，最主要有两方面，一是常压下钢中氮的溶解度低，冶炼和凝固过程加入的氮元素从钢中很快逸出，另一个是氮元素向钢中溶解速率慢，冶炼时间长。

目前，液态（熔炼）增氮法是向钢中增加氮的重要方法。液态增氮冶炼高氮钢的方式分为加氮化合金法和钢液气相增氮法。其中，冶炼过程中加氮化合金，提供高氮不锈钢所需氮元素，增氮方式简单，操作方便，但存在的问题是合金化时氮的收得率较低，钢中氮含量不易控制，熔炼过程中易在高氮区形成氮气泡；氮化铬铁、氮化锰铁一般杂质含量较高，污染钢液；氮化合金价格昂贵，高氮的氮化铬、氮化锰需要多步冶金处理。而气相渗氮成本低，氮气是最廉价的合金化原料。利用资源丰富的氮气作原料，通过向钢液增氮进行氮的合金化，可大幅度降低含氮钢的生产成本，是目前高氮钢冶炼重点研究开发的技术之一。

国内外已提出了许多冶炼高氮钢方法。增压感应炉法是一种实验室规模的制备高氮钢的方法，熔炼高氮钢时，钢液由于感应搅拌而进行对流运动，使炉体上部的氮在钢液中的扩散加快，从而在一定压力下，氮达到平衡的时间缩短。研究说明气液界面面积在钢液渗氮过程中起主导作用，当其界面面积很小时，渗氮时间长，且钢液中的氮含量不高。

增压等离子熔炼法（PARP）是在熔化、精炼和重熔金属的过程中将等离子弧作为发热源来生产高氮钢的冶炼方法。通过这种方法冶炼高氮钢时，氮分压、气体成分、原始钢成分、温度和生成的渣都对最终的氮含量有决定性的影响，较难控制，且使用增压等离子熔炼法冶炼高氮钢电耗高。

增压电渣重熔法（PESR）和设备最早是奥地利被发明并进行长期试验，最后由德国和奥地利发展成为成熟的技术。电渣炉上的合金料添加装置能够在炉内压力保持不变的情况下向熔池内添加氮化合金料颗粒来生产高氮钢。PESR方法冶炼高氮钢的复合电极成本昂贵，并且在高压重熔过程中需要连续不断的加高氮合金粉末；渣中添加的氮化物会形成氮气而使渣沸腾，电极端的液态金属膜暴露于氮气中，使得液态金属吸收的氮量和溶解的氮量无法准确控制；使用氮化硅来生产氮分布均匀的钢锭时，硅使得某些品种钢不合格；熔池深度不足不能使添加的中间合金与基体金属均匀熔混，成品合格率相对较低。

反压铸造法（UPL）是保加利亚的Rashev等发明的高氮钢生产方法，按照这种方式生产高氮钢，当感应炉内钢液氮含量达到要求时，通过上下压差将钢液由感应炉内压至上部铸造室，使钢液在上部高压铸造室内凝固。因为固相钢中氮的溶解度通常小于液相中的氮溶解度的缘故，因此凝固时需要远大于渗氮过程的气压。这种方法的特点是在合金化与凝固过程的时间和空间上加以分开；反压铸造装置即能融化金属，也能接收熔化好的金属。但由于在凝固时所需的压力太大和制造的钢锭吨位有限，而使得问世后在工业化生产中未能得到广泛的应用。

从上述分析可知，反应速度慢，冶炼流程和冶炼时间长，设备庞大复杂，均使得生产成本较高，目前由于高氮钢的研究仍不成熟，存在多方面问题，而使得高氮钢的工业化冶炼发展受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术的诸多不足，一是提供一种结构紧凑、制造成本低的高压底吹精炼铸造装置，二是提供一种用高压底吹精炼铸造装置冶炼高氮钢的方法，该方法实现了高氮钢快速高效精炼和铸造，提高了钢中氮含量、无污染绿色冶炼、低成本的生产高氮钢，特别适用于钢铁厂现有钢包升级和改造为特殊钢冶炼炉。

实现上述目的采用以下技术方案：

一种高压底吹精炼铸造装置，包括铸造装置本体，顶盖系统，顶盖系统的顶盖盖于铸造装置本体上，用螺栓紧固，铸造装置本体的底部固结有水冷活动底板，所述装置还包括感应线圈、底吹系统；所述的铸造装置本体为层状筒形结构，由外向内的结构为：安全耐火层、水冷铜坩埚层、分割耐材片，所述的感应线圈呈螺旋形缠绕于安全耐火层外壁，感应线圈与电控柜调节装置连接，所述的底吹系统安装在水冷活动底板上。

所述感应线圈是主体内通高速冷却水的铜质中空管。

所述的安全耐火层由耐火泥料捣打而成，位于感应线圈之内，水冷铜坩埚层之外。

所述的水冷铜坩埚层由一组水冷铜板和一组分割耐材片间隔均匀排列，呈圆筒形分瓣结构，其中水冷铜板是由紫铜制成的内部为空腔的结构，水冷铜板内通高速冷却水，下端有冷却水入口，上端有冷却水出口；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。

所述的每一组水冷铜板分别是16个、24个或者32个，分割耐材片与水冷铜板对应，每一组耐材片分别是16个、24个或者32个。

所述的水冷铜坩埚层由一组水冷铜板和一组分割耐材片间隔，呈圆筒形分瓣结构，其中水冷铜板是由紫铜制成的内部为空腔的结构，水冷铜板内通高速冷却水，下端有冷却水入口，上端有冷却水出口；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。

所述的水冷活动底板是圆形铜板，内部为空腔结构，偏心开有用于装配底吹系统底吹塞的孔，中心放置有耐材稳流器，边缘与水冷铜坩埚层通过螺栓密封。

所述底吹系统由底吹塞和流量控制仪组成，底吹塞由耐火材料制成，底吹塞上开有3~5个透气孔，流量控制仪置于精炼铸造装置外，底吹塞与流量控制仪连接，流量控制仪与氮气源连接。

所述顶盖系统是由水冷铜板制成，呈圆拱形，顶部装有炉盖吊环、压力表和气体安全放散阀，边缘有密封螺栓，内部配有铸锭吊环及其升降装置。

用高压底吹精炼铸造装置冶炼高氮钢的方法，具体步骤包括：

a、装料：接通感应线圈，底吹氮气，吊起高压底吹精炼铸造装置的顶盖，将预先熔炼好的钢水倒入炉内，钢水冲击炉底稳流器，钢液面不断上升，待注满后盖好顶盖并密封；

b、生壳：调整感应线圈功率，使得钢水产生的感应热与水冷铜板带走的钢水热量达到平衡状态，从而在钢水与器壁之间产生凝固薄壳；

c、熔炼：从熔铸装置顶部充入氮气，形成高压气氛；从底部的底吹塞内通入固定流量的氮气进行底吹搅拌熔炼，钢水与水冷铜坩埚层之间始终保持凝固薄壳，在此高压底吹条件下熔炼，实现钢水高效增氮；

d、铸造：当钢水中氮含量达到需要的数值后，停止底吹氮气，慢慢降低感应线圈功率并提高冷却水流量，凝固薄壳逐渐变厚，同时调节铸锭吊环升降装置，将铸锭吊环插入正在降温的钢液中，最终形成带有吊环的高氮钢铸锭；

e、吊装：高氮钢铸锭冷却后，释放炉内高压氮气，打开螺栓并移走顶盖，吊起高氮钢铸锭，然后重新开展下一周期的冶炼。

所述方法在2MPa以内的环境下进行。

与现有技术相比，本发明的显著效果在于：

1）高压-底吹条件下生产高氮钢，效率高。高压提供了优越的热力学条件，使钢中氮含量达到较高水平，底吹提供了良好的动力学条件，使钢中氮含量在较短时间内达到饱和；

2）精炼与铸造在同一容器内完成，快速方便。使用新型精炼铸造装置，既可通过感应加热进行精炼增氮，又可通过高速循环水冷却钢锭进行铸造，精炼铸造装置调节方便、快捷，有利于高氮钢顺利生产；

3）使用廉价氮气做增氮源，节约成本。使用含氮铁合金进行高氮钢冶炼，成本较高，而采用纯净氮气，成本低且易获取；

4）钢锭含氮量高，凝固质量好。生产的高氮钢氮含量高且分布均匀，高压条件下凝固钢中氮不易逸出。

因此，本发明不仅可在高压-底吹条件下冶炼高氮钢，并且钢中氮含量高，铸锭质量好。

附图说明

图1为高压底吹熔铸装置的结构示意图。

图2是图1的俯视剖面图。

图中，顶盖1，放散阀2，顶盖吊环3，压力表4，边缘密封螺栓5，密封垫6，凝壳层7，水冷活动底板8，稳流器9，底吹塞10，底板水冷管11，感应线圈12，水冷铜坩埚层13，安全耐火层14，铜坩埚层水冷管15，顶盖水冷管16，钢液17，铸锭吊环18，吊环升降调节装置19，分割耐材片20，水冷铜板21。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

本发明公开了一种高压底吹精炼铸造装置以及用该装置冶炼高氮钢的方法，高压底吹精炼铸造装置的结构见图1、图2，由精炼铸造装置本体，感应线圈12、水冷铜坩埚层13、安全耐火层14、水冷活动底板8、底吹系统、顶盖系统等组成。见图1，顶盖系统的顶盖1由水冷铜板制成，呈圆拱形，与顶盖水冷管16连接，顶盖1的顶部装有炉盖吊环3、压力表4和气体安全放散阀2，边缘密封螺栓5，内部配有铸锭吊环18及其吊环升降调节装置19。顶盖1盖于精炼铸造装置本体上，边缘用边缘螺栓5紧固，顶盖1与精炼铸造装置本体用边缘螺栓5紧固处安装有密封垫6。精炼铸造装置本体的底部固结有水冷活动底板8，水冷活动底板8是圆形铜板，内部为空腔结构，与地板水冷管11连接，水冷活动底板8的偏心处开有用于装配底吹系统底吹塞10的孔，中心放置有耐材稳流器9，边缘与水冷铜坩埚层13通过螺栓密封。

精炼铸造装置本体的主体结构由外向内的结构为：安全耐火层14、水冷铜坩埚层13、分割耐材片20，钢液17置于水冷铜坩埚层13内，感应线圈12是主体内通高速冷却水的铜质中空管，呈螺旋形缠绕于安全耐火层14的外壁，感应线圈14外接电控柜调节装置。安全耐火层14由耐火泥料捣打而成，位于感应线圈12之内，水冷铜坩埚层13之外，这种设置的目的是防止钢液17意外泄露烧坏感应线圈12，起到安全保护作用。

水冷铜坩埚层13由一组水冷铜板21和一组分割耐材片20间隔均匀排列而成，呈圆筒形分瓣结构，其中水冷铜板21是由紫铜制成的内部为空腔的结构，水冷铜板21内通高速冷却水，下端有冷却水入口，上端有冷却水出口，横断面呈扇台形，主要作用是冷却钢水带走热量，形成一定厚度的凝固壳7；分割耐材片20是由耐火材料制成的薄片。为了分瓣均匀每一组水冷铜板21分别是16个、24个或者32个，分割耐材片20与水冷铜板对应，每一组分割耐材片20分别是16个、24个或者32个。分割耐材片20由耐火材料制成，厚度较薄，主要作用是分割相邻两块水冷铜板21，防止磁场屏蔽。水冷铜坩埚可盛装钢液17并良好地导热透磁。水冷铜坩埚层13与铜坩埚层水冷管15连接。

水冷活动底板8是圆形铜板，内部是空腔与底板水冷管11连通，通高速冷却水；偏心处开底吹孔，底吹孔用于装配底吹系统的底吹塞10；中心放置碗型耐材稳流器9；边缘与水冷铜坩埚层13通过螺栓密封。

底吹系统由底吹塞10和流量控制仪组成，底吹塞10用耐火材料制成，开有3~5个透气孔，可将高压氮气吹入钢液17中，流量控制仪置于精炼铸造装置外，底吹塞10与流量控制仪连接，流量控制仪10与氮气源连接。

具体实施例：

实施例1适用于冶炼高氮钢小钢锭的高压底吹精炼铸造装置。

本实施例的高压底吹精炼铸造装置的感应线圈12选用铜质中空管，可产生2500~8000Hz的中频磁场，安全耐火层14为镁砂耐火泥料，厚度为10mm，水冷铜坩埚层13由16个水冷铜板21和16个分割耐材片20间隔均匀排列组成圆筒，圆筒外径124mm，内径84mm，高150mm，水冷铜板21厚20mm，水缝10mm，冷却水水压0.5~0.8MPa，流量10~15m³/h，分割耐材片20由耐火材料云母制成，厚3mm，宽20mm，高150mm，水冷活动底板8厚20mm，直径180mm，冷却水流量10~15m³/h，偏心40mm处开底吹孔，底吹塞10由镁砂耐火材料制成，开有3个直径1mm的透气孔，顶盖1直径180mm，冶炼钢锭最大容量为5kg。

冶炼高氮钢的方法：接通感应线圈12，产生磁场底吹氮气后，吊起精炼铸造装置的顶盖1，将预先熔炼好的1600℃钢液17倒入高压底吹精炼铸造装置内，盖好顶盖1并密封。同时调整感应线圈12功率逐渐升高，冷却水流量保持12m³/h，在钢水与水冷铜坩埚层13（器壁）之间产生5mm厚的凝固薄壳7，使得钢液17产生的感应热与水冷铜坩埚层13带走的钢水热量达到一个平衡状态，从而在钢水与水冷铜坩埚层13（器壁）之间产生5mm厚的凝固薄壳7。与此同时，从熔铸装置顶部充入氮气，形成1.5MPa的高压气氛；从底部的底吹塞10内通入固定流量的氮气进行底吹搅拌熔炼。在此高压底吹条件下熔炼15min。当钢中氮含量达到1.0%后，停止底吹氮气，慢慢降低感应线圈12功率并提高冷却水流量，凝固薄壳7逐渐变厚，同时调节钢锭吊环装置19，将吊环插入降温的钢液17中，最终形成高氮钢铸锭。高氮钢铸锭冷却到500℃后，释放炉内高压氮气，卸掉铸锭吊环18装置，打开螺栓5并移走顶盖1，吊起高氮钢铸锭，然后重新开展下一周期的冶炼。

实施例2

适用于冶炼高氮钢钢锭的高压底吹精炼铸造装置：

本实施例的高压底吹精炼铸造装置的感应线圈12选用铜质中空管，感应线圈12可产生5000~10000Hz的中频磁场，安全耐火层14为镁砂耐火泥料，厚度为20mm，水冷铜坩埚层13由24个水冷铜板和24个分割耐材片间隔均匀排列，圆筒外径320mm，内径240mm，高400mm，水冷铜板厚40mm，内通冷却水水压0.5~0.8MPa，流量40~50m³/h，分割耐材片20由耐火材料云母制成，厚5mm，宽40mm，高300mm，水冷活动底板厚40mm，直径340mm，冷却水流量40~50m³/h，偏心60mm处开底吹孔，底吹塞10由镁砂耐火材料制成，开有3个直径1mm的透气孔，顶盖1直径为300mm，冶炼钢锭最大容量为100kg。

冶炼高氮钢的方法：接通感应线圈12，产生磁场底吹氮气后，吊起精炼铸造装置的顶盖1，将预先熔炼好的1600℃钢液17倒入高压底吹精炼铸造装置内，盖好顶盖1并密封；同时调整感应线圈12的功率使其逐渐升高，冷却水流量保持45m³/h，在钢水与器壁（水冷铜坩埚层13）之间产生5mm厚的凝固薄壳7。从精炼铸造装置顶部充入氮气，形成1.5MPa的高压气氛；从底部的底吹塞10内通入流量为5 L/min的氮气进行底吹搅拌熔炼，钢液17与水冷铜坩埚层13（器壁）之间始终保持5mm厚度的凝固薄壳7，在此高压-底吹条件下熔炼15min。当钢中氮含量达到1.0%后，停止底吹氮气，慢慢降低感应线圈12的频率并提高冷却水流量，凝固薄壳7逐渐变厚，最终形成高氮钢铸锭。高氮钢铸锭冷却到500℃后，释放炉内高压氮气，卸掉铸锭吊环18，打开螺栓5并移走顶盖1，吊起高氮钢铸锭，然后重新开展下一周期的冶炼。

上述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压底吹精炼铸造装置，包括铸造装置本体，顶盖系统，顶盖系统的顶盖盖于铸造装置本体上，用螺栓紧固，铸造装置本体的底部固结有水冷活动底板，其特征在于，所述装置还包括感应线圈、底吹系统；所述的铸造装置本体为层状筒形结构，由外向内的结构为：安全耐火层、水冷铜坩埚层、分割耐材片，所述的感应线圈呈螺旋形缠绕于安全耐火层外壁，感应线圈与电控柜调节装置连接，所述的底吹系统安装在水冷活动底板上;所述的水冷铜坩埚层由一组水冷铜板和一组分割耐材片间隔均匀排列，呈圆筒形分瓣结构，其中水冷铜板是由紫铜制成的内部为空腔的结构，水冷铜板内通高速冷却水，下端有冷却水入口，上端有冷却水出口；分割耐材片是由耐火材料制成的薄片。

2.根据权利要求1所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，所述感应线圈是主体内通高速冷却水的铜质中空管。

3.根据权利要求1所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，所述的安全耐火层由耐火泥料捣打而成，位于感应线圈之内，水冷铜坩埚层之外。

4.根据权利要求1所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，每组水冷铜板分别是16个、24个或者32个，分割耐材片与水冷铜板对应，每组分割耐材片分别是16个、24个或者32个。

5.根据权利要求4所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，水冷活动底板是圆形铜板，内部为空腔结构，偏心开有用于装配底吹系统底吹塞的孔，中心放置有耐材稳流器，边缘与水冷铜坩埚层通过螺栓密封。

6.根据权利要求1所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，所述底吹系统由底吹塞和流量控制仪组成，底吹塞由耐火材料制成，底吹塞上开有3~5个透气孔，流量控制仪置于精炼铸造装置外，底吹塞与流量控制仪连接，流量控制仪与氮气源连接。

7.根据权利要求1所述的高压底吹精炼铸造装置，其特征在于，所述顶盖系统是由水冷铜板制成，呈圆拱形，顶部装有炉盖吊环、压力表和气体安全放散阀，边缘有密封螺栓，内部配有铸锭吊环及其升降装置。

8.一种用权利要求1所述装置冶炼高氮钢的方法，其特征在于，具体步骤包括：

a、装料：接通感应线圈，底吹氮气，吊起高压底吹精炼铸造装置的顶盖，将预先熔炼好的钢水倒入炉内，钢水冲击炉底稳流器，钢液面不断上升，待注满后盖好顶盖并密封；

b、生壳：调整感应线圈功率，使得钢水产生的感应热与水冷铜板带走的钢水热量达到平衡状态，从而在钢水与器壁之间产生凝固薄壳；

c、熔炼：从顶部充入氮气，形成高压气氛；从底部的底吹塞内通入固定流量的氮气进行底吹搅拌熔炼，钢水与水冷铜坩埚层之间始终保持凝固薄壳，在此高压底吹条件下熔炼，实现钢水高效增氮；

d、铸造：当钢水中氮含量达到需要的数值后，停止底吹氮气，慢慢降低感应线圈功率并提高冷却水流量，凝固薄壳逐渐变厚，同时调节铸锭吊环升降装置，将铸锭吊环插入正在降温的钢液中，最终形成带有吊环的高氮钢铸锭；

e、吊装：高氮钢铸锭冷却后，释放炉内高压氮气，打开螺栓并移走顶盖，吊起高氮钢铸锭，然后重新开展下一周期的冶炼。

9.根据权利要求8所述的用高压底吹精炼铸造装置冶炼高氮钢的方法，其特征在于，所述方法在2MPa以内的环境下进行。