CN100425718C - 低氮钛铁及其制造方法和包芯线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低氮钛铁及其制造方法和包芯线，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，含有氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝含量分别为≤0.15%和＜3%或≤0.75%。所述钛、铁、硅、碳、磷、硫铝含量分别为：钛60-80%，硅≤0.5%，碳≤0.1%，磷≤0.04%，和硫≤0.03%，余量为铁。所述制造方法系在通常的熔炼方法中，将工业盐用作熔炼中的造渣剂，将氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的海绵钛、废钛、优质废钢或纯铁作为合金原材料，熔炼过程及出铁过程中施以氩气保护。本发明的低氮钛铁作为合金原材料适用于制造为获得强度、塑性、韧性及耐腐蚀性能等方面良好的综合性能而需要将钛作为稳定化合金元素或合金强化元素，又要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等的高等级钢种使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛铁合金、其制造方法和含该钛铁合金的包芯线，特别是，本发明涉及一种低氮钛铁及其制造方法和含该低氮钛铁的包芯线。
背景技术
在不锈钢，特别是铁素体不锈钢中，碳和氮显然具有强化不锈钢的强度和硬度的作用，但另一方面，不锈钢中的所有的缺点又都与不锈钢中的碳、氮及其含量有关。随着其中所含的碳、氮含量的增加，不锈钢，特别是铁素体不锈钢因形成脆性夹杂物TiC、TiN，而使其冲击韧性下降，脆性转变温度明显上移。另外，钢的缺口敏感性、冷却速度效应和尺寸效应也随不锈钢中的碳、氮含量的增加而恶化。
例如，碳虽然是一种间隙元素，通过固溶强化可显著提高奥氏体不锈钢的强度。但是，在奥氏体不锈钢中，碳常常被视为有害元素。这主要是因为在不锈钢的耐锈、耐腐蚀用途等的某些条件下，碳可与钢中的铬形成高铬含量的Cr23C6型碳化物。由此，也导致局部铬的贫化，使钢的耐腐蚀性能、特别是耐晶间腐蚀性能下降。
又，氮及其含量对于不锈钢的影响类似于碳，但其对不锈钢的耐腐蚀性能并不产生有害的影响。因此，在马氏体不锈钢中，需合理地控制不锈钢中的碳、氮含量。
另外，氮含量高的缺点还在于：
(1)氮含量高使钢产生时效敏感性，即，长时间放置后，性能不断地变化，钢的强度、硬度升高，塑性和冲击韧性显著降低；
(2)氮含量高的钢产生蓝脆，即，不锈钢在热加工时，但温度升高至250-450℃时，钢的强度增大，但冲击韧性下降，表面发蓝；
(3)氮含量高的不锈钢使焊接性能下降，严重的还造成钢锭组织疏松，甚至产生皮下气泡，热轧时造成开裂而报废。
据此，在通常的情况下，对铁素体不锈钢中的碳、氮含量要求尽可能地低。
在不锈钢生产中，将钛作为合金强化元素，以达到置换式固溶强化或时效强化的效果，或将钛作为稳定化合金元素，以达到防止晶间腐蚀的方法得到广泛的应用。
晶间腐蚀产生的原因一般认为是由于钢中铬的碳化物(Cr23C6)在某一温度范围内沿着液晶界析出，从而，导致晶界附近的奥氏体中铬的贫化。但加入钛以后，由于钛与碳的亲和力比铬的大，因此，优先与碳结合形成碳化钛，避免了贫铬区的形成，防止了晶间腐蚀。
另外，在系列不锈钢中，有许多类型的不锈钢种除了需要将钛作为合金强化元素或稳定化合金元素而加入不锈钢中之外，同时，还要求不锈钢中的氮、铝、硅、碳及其他杂质元素含量尽可能地低。
例如，在奥氏体不锈钢中，在标准规定的正常Si含量范围内(≤1.0％)，希望Si含量愈低愈好。因为，随着Si含量的增加，硅会沿着晶界偏聚，从而，降低铬镍奥氏体不锈钢的耐硝酸性能，并显著提高钢的固溶态晶间腐蚀敏感性。但当Si含量达到1.0％时，钢的固溶态晶间腐蚀倾向达到最大值。
又如，在18-8型的奥氏体不锈钢中，也希望低的Al含量。因为，随着Al含量的增加，Al的氧化夹杂物增多，致使不锈钢成品表面容易产生纵横向的细微裂纹等的缺陷，影响钢板的表面质量。
如上所述，在铁素体系等不锈钢中，碳和氮是不受欢迎的，但又是无法完全避免的主要元素。因铁素体不锈钢随着其中所含的碳、氮含量的增加，形成脆性夹杂物TiC、TiN，而使其冲击韧性下降，脆性转变温度明显上移，为提高铁素体不锈钢的冲击韧性、抑制其脆性转变温度上移，在通常的情况下，对铁素体系等不锈钢中的碳、氮含量要求尽可能地低。
再有，众所周知，铁素体系不锈钢还要求低的硅、铝含量。因为，铁素体不锈钢的脆性转变温度随硅、铝含量的增加而增加。在马氏体不锈钢中，适当的钛含量具有可显著地时效强化马氏体不锈钢的作用。与此同时，随着碳含量的增加，不锈钢的强度和硬度也随之提高。然而，遗憾的是，由此也导致不锈钢的耐腐蚀性能下降、韧性降低、及焊接困难等的不利影响。为获得强度、韧性、耐腐蚀性能均为良好的综合不锈钢的性能，对马氏体铬镍不锈钢来说，其碳含量一般不宜超过0.2％，沉淀硬化不锈钢的碳含量通常小于0.1％。而碳含量≤0.03％的超低碳马氏体时效不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和韧性，通过时效硬化可获得高的不锈钢强度。
专利号为“97107131.4”、发明名称为“低硅钛铁的制备方法”的中国专利提供了一种低硅钛铁的制备方法。根据该专利提供的低硅钛铁的制备方法，可以制得这样的低硅钛铁，其主要成分为：
Ti 35-45％，Si≤2.5％，Al≤12％，C≤0.05％，S≤0.02％，P≤0.02％.其余为铁。
所述低硅钛铁虽然含钛，但其含量有限。另外，所述低硅钛铁的硅、铝等含量很高，且未涉及对氮的控制。因而，不适于制造为获得强度、塑性、韧性及耐腐蚀性能等方面良好的综合性能而需要将钛作为稳定化合金元素或合金强化元素，又要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等的高等级钢种。
又，专利申请号为“03113095.X”、发明名称为“低硅钛铁及其制备方法”的中国申请专利公开了一种低硅钛铁及其制备方法。根据该申请专利提供的低硅钛铁的制备方法，可以制得这样的低硅钛铁，其主要成分为：
Ti 35-75％，Si≤1.5％，Al：1-12％，C≤0.05％，S≤0.02％，P≤0.02％.其余为铁。
显然可见，所述低硅钛铁虽然含钛量有所增加，但其硅、铝等含量仍很高，另外，仍未涉及对氮的控制。
然而，另一方面，氮在钢中，特别是在低碳或微碳含钛的不锈钢中的危害尤其突出，因为，氮在低硅钛铁的熔炼过程中极易与钛形成化合物TiN，而氮化钛在钢中不溶解，在金相显微镜下呈方形或菱形的脆性夹杂，热加工时不变形，且沿加工方向破裂成串。
从而，根据上述利号为“97107131.4”、发明名称为“低硅钛铁的制备方法”的中国专利以及专利申请号为“03113095.X”、发明名称为“低硅钛铁及其制备方法”的中国申请专利公开的低硅钛铁及其制备方法，未涉及对氮的控制。因而，不适于制造为获得强度、塑性、韧性及耐腐蚀性能等方面良好的综合性能而需要将钛作为稳定化合金元素或合金强化元素，又要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等的高等级钢种。
为克服上述问题，本发明的发明目的在于提供一种低氮钛铁，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，钛的重量百分比含量为60-80％，其中含有氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和＜3％。
本发明的发明目的又在于提供一种低氮钛铁的制造方法，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，钛的重量百分比含量为60-80％，其中含有氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和＜3％。
本发明的发明目的在于还提供一种由上述低氮钛铁构成的包芯线，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，钛的重量百分比含量为60-80％，其中含有氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和＜3％。
本发明的低氮钛铁适用于制造为获得强度、塑性、韧性及耐腐蚀性能等方面良好的综合性能而需要将钛作为稳定化合金元素或合金强化元素，又要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等的高等级钢种。
发明内容
本发明的低氮钛铁由下述技术方案完成：
一种低氮钛铁，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，钛的重量百分比含量为60-80％，其中含有氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮的重量百分比含量控制在≤0.15％，所述铝的重量百分比含量控制在＜3％。
优选的是，在本发明的低氮钛铁中，所述铝的重量百分比含量控制在≤0.75％。如铝和氮的重量百分比超过所述范围，则[Al]×[N]将影响韧性。
优选的是，根据本发明的低氮钛铁，其中含有的钛、铁、硅、碳、磷、硫的重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0.03％，余量为铁。
根据本发明，加入上述范围的钛，则由于钛与碳的亲和力比铬的大，因此，优先与碳结合形成碳化钛，避免了贫铬区的形成，防止了晶间腐蚀。可以提高耐腐蚀性、特别是焊接部的耐腐蚀性和韧性、冷加工性能等。。
根据本发明，加入上述范围的硅，有利于保持优异的冷加工性和韧性。
本发明的低氮钛铁的制造方法由下述技术方案完成。
所述制造方法系使用氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的原材料，炉衬用电熔镁砂(DMS-98)打结，经烘炉，洗炉，配电，配料装入废钢或纯铁，熔化，吹氩，加废钛，出铁，脱模，激冷，破碎等工序，其特征在于，
在所述熔炼方法中，采用海绵钛、废钛、优质废钢或纯铁作为原材料；
在所述熔炼方法中，将工业盐用作熔炼中的造渣剂；
在熔炼过程及出铁过程中施以氩气保护。
根据上述本发明的低氮钛铁的制造方法，优选的是，作为原料的废钢或纯铁投入量在25-29％；海绵钛28-32％，废钛41-45％。根据上述本发明的低氮钛铁的制造方法，优选的是，废钢或纯铁一次性加入。
根据上述本发明的低氮钛铁的制造方法，制得所述氮重量百分比含量控制在≤0.15％，所述铝的重量百分比含量控制在＜3％的低氮钛铁。
根据上述本发明的低氮钛铁的制造方法，制得其中含有钛、铁、硅、碳、磷、硫的重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤O.04％，和硫≤0.03％，余量为铁的低氮钛铁。
优选的是，根据本发明的低氮钛铁的制造方法，所述铝的重量百分比含量≤0.75％。
优选的是，根据本发明的低氮钛铁的制造方法，所述镁砂炉衬中的MgO及SiO2的重量百分比为：MgO≥98％，SiO≤0.6％，CaO≤1.2％。
根据本发明的低氮钛铁的制造方法，优选的是，其中，打结炉衬所使用的金属坩锅模随炉熔化。
根据本发明的低氮钛铁的制造方法，优选的是，废钢或纯铁根据配料单一次性加入炉内。
根据本发明的低氮钛铁的制造方法，优选的是，在熔化工序中，送电熔化废钢或纯铁至50-60％，加入10Kg工业盐，覆盖液面。
盐的熔点大大低于钛铁的熔炼温度，在熔炼温度下，盐形成一层致密的渣覆盖铁液上，不仅有效隔断空气与铁液的接触，而且，能吸附上浮的夹杂物，在出钢过程中还能覆盖在铁水流上，以减少空气与铁液接触。
本发明的低氮钛铁的包芯线的制造方法如下：
用鄂式破碎机和对辊机将低氮钛铁块破碎至钛铁粉，所述低氮钛铁的氮的重量百分比含量≤0.15％，所述铝的重量百分比含量＜3％；
然后，使用包芯线机和钢带将所述低氮钛铁铁粉卷绕成包芯线。
根据本发明的低氮钛铁的包芯线的制造方法，所述铝的重量百分比含量≤0.75％。
根据本发明的低氮钛铁包芯线的制造方法，其特征在于，上述低氮钛铁中含有的钛、铁、硅、碳、磷、硫重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0.03％，余量为铁。
采用上述技术方案具有下述效果；
由于本发明的低氮钛铁的钛含量高，而其氮、铝、硅、碳及其他杂质元素含量低，因此，特别是合于将钛作为合金强化元素或稳定化合金元素，同时要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等高等合金钢中使用。
附图说明
图1是本发明的低氮钛铁的制造方法的工艺流程。
图2是本发明的低氮钛铁的包芯线的制造方法的工艺流程。
具体实施方式
实施例1本发明的低氮钛铁的制造方法
1.工艺流程如图1所示。
2.设备
中频炉、镁砂炉衬、感应圈、金属坩锅模、供电系统和水冷系统，鄂式破碎机和对辊机。
3.原材料
(1)将低氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量的海绵钛、废钛、优质废钢或纯铁作为主要原材料。
(2)辅助材料
，将低熔点(776℃)的工业盐(NaCl)用作熔炼中的造渣剂，氩气为保护气体。
4.熔炼之前的准备工序
(1)炉衬用电熔镁砂(DMS-98)打结，其原料配比见下表1。
表1
(2)炉衬打结
炉衬打结的准备：炉底耐火砖上面垫10mm厚的石棉板二层，感应圈四周内壁用绝缘石棉橡胶纸围上一周。
炉底制作：炉底打结厚度为200mm，分批加料的厚度不超过56mm，加入厚料铺平后，用风锤捣打结实，成型。
炉身制作：炉底打结完毕后，放入坩锅，置于中心。炉身每批用镁砂25Kg。打结时，注意均匀，防止粗颗粒镁砂集中。
需内紧外松，力求四周高度一致。每加一批镁砂后，捣打时间不少于10分钟。
(3)炉口湿打
(2)炉口原料配比见下表2。
表2
5.烘炉
新打结的炉膛必须在装满料后接通电源。严禁空炉启动中频电源，接通电源作第过功率送电。具体烘炉工艺见下表3.
表3
| 烘炉时间(分) | 720 | 120 | 60 | 120 | 90-120(保温) |
| 功率(KW) | 20 | 30 | 40 | 50-400 | 60 |
烘炉要点：低温慢烘，使水分充分溢出。高温烧结，保温时间在1.5-2小时。
6.洗炉
新打结的炉衬必须经过烘烤后用符合要求的废钢或纯铁洗炉。坩锅模随炉熔化。
7.配电
(1)送电前的准备；
检查水冷系统，水冷系统必须通畅，无堵塞、漏水现象。
检查静止变压器有无异物落入和各个连接处的接触状况。冷却水管不允许有渗水和结露的情况。水压应为0.07-0.1Mpa。
(2)送电
一切电器设备检查之后，确认符合送电要求，方可送电。
8.配料
作为原料的废钢或纯铁投入量在25-29％；海绵钛28-32％，废钛41-45％。
9.装废钢或纯铁
废钢或纯铁一次性加入。
10.熔化
送电熔化废钢或纯铁至50-60％，加入10Kg工业盐，覆盖液面。
由于工业盐的熔点大大低于熔炼钛铁原材料的熔化点温度，因此，在炉内未形成熔池之前，就熔化形成一层致密的渣层覆盖铁液上，不仅有效隔断空气与铁液的接触，而且，能吸附上浮的夹杂物，在出钢过程中还能覆盖在铁水流上，以减少空气与铁液接触。
11.吹氩，加废钛
加废钛或海绵钛至全熔，搅拌。
12.出铁
在氩气保护下出铁，出铁时，先慢后快，铁渣同时出，渣覆盖在铁液面上。
13.脱模
钛铁在锭模中凝固1.5小时后脱模。
14.激冷
脱模后的随即加入水箱中激冷至500℃以下，取出。空冷。
15.破碎、入库
将冷却后的低氮钛铁人工破碎至60mm左右的颗粒，然后，用鄂式破碎机破碎至20-60mm，如需制作包芯线中使用的钛铁粉时，可采用对辊机继续将20-60mm的钛铁块破碎至小于2mm的钛铁粉。
表4和表5分别为根据本发明的低氮钛铁制造方法制得的二种不同成分的低氮钛铁。
表4
| 成分 | Ti | Al | Si | C | P | S | N |
| 重量％ | 60-80 | ＜3 | ≤0.5 | ≤0.10 | ≤0.04 | ≤0.03 | ≤0.15 |
表5
| 成分 | Ti | Al | Si | C | P | S | N |
| 重量％ | 60-80 | ≤0.75 | ≤0.5 | ≤0.10 | ≤0.04 | ≤0.03 | ≤0.15 |
根据本发明的低氮钛铁的制造方法，八个炉号的Fe-Ti合金的低氮钛铁的化学成分实际控制范围均符合标准规定要求，如下表6所示。
表6
实施例2使用本发明的低氮钛铁的包芯线的制造方法
将冷却后的低氮钛铁人工破碎至60mm左右的颗粒，然后，用鄂式破碎机破碎至20-60mm，再采用对辊机继续将20-60mm的钛铁块破碎至小于2mm的钛铁粉。
此时，所述低氮钛铁的氮的重量百分比含量≤0.15％，所述铝的重量百分比含量＜3％或≤0.75％；
然后，使用包芯线机和钢带将所述低氮钛铁铁粉卷绕成包芯线。
根据本发明的低氮钛铁包芯线的制造方法，低氮钛铁包芯线所使用的包芯带为国标GB699-88型的优质碳素结构钢，其成分如下：
C 0.05-0.12％，Si≤0.17-0.37％，Mn≤0.35％，S≤0.035％，P≤0.035％.Cr≤0.25％，N≤0.25％，Cu≤0.25％。又因为其用量较少，故不会影响钢种的化学成分。
根据上述本发明的低氮钛铁包芯线的制造方法，其特征在于，上述低氮钛铁中含有的钛、铁、硅、碳、磷、硫的重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0.03％，余量为铁。
表7为包芯线规格
表8为采用铁素体不锈钢409L，使用三个炉号，制作3350mm的Fe-Ti低氮钛铁包芯线的成品钢的实际化学成分控制情况。
表8
根据本发明的低氮钛铁的包芯线的制造方法，可将低氮钛铁的包芯线加入炉内时，直接加入盛钢桶内。由于通常低氮钛铁在加入炉内时，需要通过渣层进入钢水中，所以存在渣层中的烧损。而本发明的低氮钛铁包芯线是在外壳钢带的保护下穿过渣层直接进入钢水中，低氮钛铁粉不与渣层接触，因此，不存在渣层中的烧损。由此，使得低氮钛铁包芯线中的低氮钛铁粉芯中的低氮钛铁粉可被充分利用，其钛铁利用率比钛铁块的高。
如上所述，根据本发明的低氮钛铁及其制造方法，适用于制造为获得强度、塑性、韧性及耐腐蚀性能等方面良好的综合性能而需要将钛作为稳定化合金元素或合金强化元素，又要求氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的不锈钢等的高等级钢种。
Claims (4)
1.一种低氮钛铁合金，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，其特征在于，所述低氮钛铁的钛的重量百分比含量为60-80％，含有微量氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和≤0.75％，所述低氮钛铁合金所含的铁、硅、碳、磷、硫铝重量百分比含量分别控制在：硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0.03％，余下为铁。
2.一种低氮钛铁合金的制造方法，所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，所述低氮钛铁合金钛的重量百分比含量为60-80％，其中含有微量的氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述制造方法系使用氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素含量低的原材料，炉衬用电熔镁砂打结，经烘炉，洗炉，配电，配料装入废钢，熔化，吹氩，加废钛，出铁，脱模，激冷，破碎等工序，其特征在于，
所述低氮钛铁合金所含的钛、铁、硅、碳、磷、硫重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0.03％，余下为铁，
采用海绵钛、废钛、优质废钢或纯铁作为原材料；
所述废钢或纯铁一次性加入，
在所述熔化工序中，送电熔化废钢至50-60％，加入10Kg工业盐用作溶练中的造渣剂，覆盖液面；
在溶练过程及出铁过程中施以氩气保护；
在烘炉工序中，坩锅模随炉熔化，
所述镁砂炉衬中的MgO及SiO2的重量百分比为：MgO≥98％，SiO≤0.6％，CaO≤1.2％，
所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和≤0.75％。
3.如权利要求2所述的低氮钛铁合金的制造方法，其特征在于，所述原料废钢或纯铁27％；海绵钛30％，废钛43％。
4.一种使用低氮钛铁合金的包芯线，其特征在于，
所述低氮钛铁为70Fe-Ti合金，所述低氮钛铁合金的钛的重量百分比含量为60-80％，含有微量氮、铝、硅、碳、磷、硫等杂质元素，所述氮、铝重量百分比含量分别控制在≤0.15％和≤0.75％，所述低氮钛铁合金所含的钛、铁、硅、碳、磷、硫重量百分比含量分别控制在：钛60-80％，硅≤0.5％，碳≤0.1％，磷≤0.04％，和硫≤0，03％，余下为铁。
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