CN100532608C

CN100532608C - 一种常压下冶炼高氮钢的方法

Info

Publication number: CN100532608C
Application number: CNB2007101212765A
Authority: CN
Inventors: 储少军; 马绍华; 季爱兵
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: CN101235461A

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种常压下冶炼高氮钢的方法。其特征在于是以氨气作为喷吹和加氮的介质，向钢液中喷吹氨气，在中频感应炉、电弧炉、AOD炉中冶炼高氮钢，合金成份适用范围：Cr：1～25%，Mn：1～20%，Si：0.1～2.0%；冶炼时钢液温度控制在1500～1650℃，氨气喷吹量为：50～800L/min·t；钢液中氧、硫含量的控制范围为：O：0.001～0.04；S：0.002～0.08。喷吹氨气的方式采用顶吹、底吹或顶底复合吹炼；氨气吹入时与氮气或氧化铁粉状物混和。本方法比喷吹氮气(N₂)时加氮具有更好的效果，在供给钢液相同摩尔数的氮原子的前提下，吹氨气的加氮比吹氮气加氮的速度更快；同时避免了因添加脱氧剂而产生的新夹杂。

Description

一种常压下冶炼高氮钢的方法

技术领域：

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种常压下冶炼高氮钢的方法。

背景技术：

高氮钢生产起源于20世纪50年代，目的是为了节约资源，以氮代镍。自80年代以来，高氮钢的生产取得了长足的发展。目前德国采用加压电渣重熔工艺，保加利亚用反压铸造工艺，日本采用VOD底吹氮气工艺和粉末冶金工艺等可成功地生产出多种新型高氮钢种，其含氮量最高可达1.0％以上。因此高氮钢生产工艺的研究与开发成为各国关注和发展的焦点。目前高氮钢已经被认为是最有研究和开发的价值的新材料之一。随着高氮钢生产工艺不断的改进和完善，高氮钢的品种和数量不断的增加。目前研制、生产高氮钢的品种主要有高氮奥氏体不锈钢、高氮铁素体不锈钢、高氮双相不锈钢、高氮冷作或热作模具钢、高氮高速钢等。其中高氮奥氏体不锈钢用得最多，应用也最广。这种钢已被用于制造护环，此外高氮钢的应用还包括造船和机械制造业中的重载荷部件，蒸汽透平机叶片、核反应器紧固件和弹簧、模具、高速钢刀具、剪切机刀片；石油勘探仪器部件和电子仪器中的耐磨件、弹簧、辐条以及高强度电缆组件、雪撬冰刀、特殊的轨道轮子等等，随着经济的发展其用途还在不断地扩大，因此，高氮钢的生产工艺的开发和研究势在必行。

目前高氮钢生产的关键技术是氮的加入和保持。目前，从钢液氮合金化工艺来看，氮〔N〕的加入主要采用两种方法：添加氮化铁合金和喷出氮气(N₂)。钢液中喷吹氮气(N₂)加氮虽然成本比较低廉，但由于氮气(N₂)进入钢液中需要经过吸附、化学反应和扩散三个环节，而且钢液中〔O〕、〔S〕等表面活性元素阻碍了钢液的吸氮过程，因此，加氮〔N〕效果不明显。添加氮化铁合金，不但生产成本较高，而且氮化铁合金中含有的杂质元素会影响钢液的纯净度。

发明内容：

本发明的目的是解决高氮钢在常压下加氮效果不佳，生产时间过长，设备装置昂贵的问题。

一种常压下冶炼高氮钢的方法：其特征在于是以氨气(NH₃)作为喷吹和加氮的介质，向钢液中喷吹氨气(NH₃)，在中频感应炉、电弧炉、AOD炉中冶炼高氮钢，合金成份适用范围：Cr：1～25％，Mn：1～20％，Si：0.1～2.0％；冶炼时钢液温度控制在1500～1650℃，氨气喷吹量为：50～800L/min·t，钢液中氧、硫含量的控制范围为：O：0.001～0.04；S：0.002～0.08，喷吹氨气的方式可采用顶吹、底吹或顶底复合吹炼，并且可与氮气或氧化铁粉状物混和。

技术原理：

1、喷吹N₂时的化学反应方程式：

\frac{1}{2} N_{2} = [N]

ΔG^θ＝10800+20.97T ①

反应达到平衡时：

K = \frac{a_{[N]}}{{(\frac{P_{N_{2}}}{P^{θ}})}^{\frac{1}{2}}}

得

α_[N]＝[％N]×f_N

[% N] = \frac{a_{[N]}}{f_{N}} = \frac{K}{f_{N}} \times {(\frac{P_{N_{2}}}{P^{θ}})}^{\frac{1}{2}}

式中：[％N]-钢液中氮含量质量百分数；

K—反应平衡常数；

f_N—氮的活度作用系数；

—氮气的分压；

从上式中可以看出：氮〔N〕在钢液中的溶解度加加必须提高氮气的分压；减少氮的活度作用系数；提高反应平衡常数；在常压下，一定的合金成分的体系中，钢液的f_N、

值是一定的，唯一可以改变的是反应平衡常数K，因此只有提高了K值，才能提高氮在钢液中的溶解度。从上式可以看出：当温度越低时，△G^θ越小，越有利于提高K值，从而提高了氮的溶解度。但是由于氮气N₂是由气体分子变为氮原子进入钢液中需要经过吸附、化学反应和扩散三个限制环节，因此在一定供氮强度下的氮气在钢液中的溶解需要的时间比较长，而且钢液中的〔O〕、〔S〕等表面活性元素严重阻碍了氮的溶解。因此多个环节的影响，限制了氮气在钢液中的溶解。

2、喷吹NH₃时的化学反应方程式：

{NH}_{3} + \frac{3}{2} [O] = [N] + \frac{3}{2} H_{2} O

Δ G_{3}^{θ} = - 130930 - 7.4145 T

②

{NH}_{3} + \frac{3}{2} [S] = [N] + \frac{3}{2} H_{2} S

Δ G_{3}^{θ} = 131885 - 56.67 T

③

对于式②，当反应达到平衡时：

由α_[N]＝[％N]×f_N

可得

对于式③，当反应达到平衡时：

α_[N]＝[％N]×f_N

可得

式中：[％N]—钢液中氮含量质量百分数；

K—反应平衡常数；

f_N—氮的活度作用系数；

α_[N]—钢液中的氮的活度；

α_[S]—钢液中的硫的活度；

α_[O]—钢液中的氧的活度；

—氮气的分压；

—水蒸汽的分压；

—H₂S的分压；

通过上式②、③可以看出，在一定的氨气压力下在一定的合金体系的钢液中，如果温度一定，增加钢液中的α_[O]、α_[S]可以提高氮〔N〕在钢液中的溶解度，因此，从理论上讲，钢液中〔O〕、〔S〕含量不再是钢液中加氮〔N〕的限制环节，相反，提高钢液中的〔O〕、〔S〕含量有利于提高氮〔N〕在钢液中的溶解度。此外由于氨气本身在高温下能分解成活性〔N〕原子直接进入钢液中，因此喷吹氨气更有利于提高钢液中氮〔N〕的溶解度。

基于以上的钢液中喷吹氮气N₂和氨气NH₃的加氮基理的对比分析研究，我们不难看出，喷吹氮气N₂加氮时除了受三个限制性的环节制约外，同时还受到钢液中〔O〕、〔S〕等活性元素的制约，而喷吹氨气(NH₃)加氮时从理论上讲不受其因素的制约，这就是喷吹氨气加氮技术的独到之处。因此，从冶金热力学和动力学上讲，喷吹氨气(NH₃)加氮不但能提高钢液中的氮〔N〕的溶解度，而且能缩短冶炼时间。

与已有的技术比较，本发明具有以下的优点：

(1)本方法比喷吹氮气(N₂)时加氮具有更好的效果，在供给钢液相同摩尔数的氮原子的前提下，吹氨气的加氮比吹氮气加氮的速度更快；

(2)本发明有效的利用了钢液中的活性元素(〔O)、〔S)等)，增加了钢液的表面张力，减少了氮进入钢液的限制性环节，同时避免了因添加脱氧剂而产生的夹杂物；

(3)本发明经实验验证：向钢液中加氧和硫时增氮效果更佳。

附表说明

图1为中频感应炉中冶炼Cr18Mn18N时喷吹氨气和氮气加氮效果的对比；

图2为中频感应炉中冶炼Cr23Mn17N时喷吹氨气和氮气加氮效果的对比；

图3为中频感应炉中冶炼Cr23Mn17N时喷吹氨气的同时向钢液中加〔O〕、〔S〕加氮效果的对比。

具体实施方式：

1、在中频感应炉中冶炼Cr18Mn18N时喷吹氨气和氮气加氮效果的对比：合金成份：

化学成分	Cr	Mn	Si	O	S
化学成分	Cr	Mn	Si	O	S	百分量(％)	5	17	0.4	0.03	0.04

温度：1600℃；喷吹量：NH₃：65.13L/min·t，N₂：33.67L/min·t，时间60min。

2、在中频感应炉中冶炼Cr23Mn17N时和氮气加氮效果的对比：

合金成份：

化学成分	Cr	Mn	Si	O	S
化学成分	Cr	Mn	Si	O	S	百分量(％)	23	17	1.0	0.005	0.06

温度：1600℃；喷吹量：NH₃：65.13L/min·t，N₂：33.67L/min·t，时间50min

3、在中频感应炉中冶炼Cr23Mn17N时喷吹氨气的同时向钢液中加〔O〕、〔S〕时加氮效果：

合金成份：加氧、硫

化学成分	Cr	Mn	Si	O	S
化学成分	Cr	Mn	Si	O	S	百分量(％)	19	18	1.2	0.04	0.08

合金成份：未加氧、硫

化学成分	Cr	Mn	Si	O	S
化学成分	Cr	Mn	Si	O	S	百分量(％)	19	18	1.2	0.005	0.002

温度：1600℃；喷吹量：NH₃：65.13L/min·t；时间50min

在同种钢液成份中喷吹氨气，从图中可以看出在32～50分钟向钢液中添加氧、硫，钢液中氮含量不但没有降低，反而升高，说明喷吹氨气加氮时，氧、硫等活性原子能增加氮在钢液中的溶解度，这与理论计算的结果相符合。

Claims

1.一种常压下冶炼高氮钢的方法，其特征在于是以氨气作为喷吹和加氮的介质，向钢液中喷吹氨气，在中频感应炉中冶炼高氮钢Cr23Mn17N，Cr23Mn17N的合金成份：Cr：19％，Mn：18％，Si：1.2％；喷吹氨气的同时向钢液中加〔O〕、〔S〕，钢液中氧、硫含量为：O：0.04％；S：0.08％；冶炼时钢液温度控制在1600℃，氨气喷吹量为：65.13L/min·t，时间为50min。