CN101260478A - 一种加压电渣炉冶炼高氮钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，要点是按如下步骤进行：选定自耗复合电极母材组成含量及各原料重量百分比；冶炼自耗电极母材，在合金管装入氮合金粒和脱氧剂后焊接在母材上制成自耗复合电极，焊到假电极上，装卡到电极上；放引弧剂于自耗电极下面的底水箱上；烘烤渣3～10小时，倒入结晶器内，密闭熔炼室；在氮气条件下，电流为1000～2000A下化渣；之后提升熔炼室和冷却水压力均为3～10MPa，在电流为2000～6000A下冶炼；当熔炼电流降至1000A以下冶炼结束。本发明优点是用固态起弧造渣方式和自耗复合电极在超过常压密闭冶炼室内进行冶炼，解决了采用原有技术制备高氮钢过程中氮分布不均匀的问题，从而避免了二次重熔，节约了生产成本，且工艺方法简单，冶炼效果好。

Description

一种加压电渣炉冶炼高氮钢的方法

技术领域

本发明涉及一种冶炼高氮钢的方法，具体涉及一种应用加压电渣炉冶炼高氮钢的方法。

背景技术

氮作为钢中的间隙元素，通过与其它合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)的协同作用，能改善钢的多种性能，包括强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。从广义上讲所谓“高氮钢”是指材料中的实际氮含量超过了在常压下(0.1MPa)制备材料所能达到的极限值的钢。一般认为根据氮在奥氏体不锈钢中的含量，可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型(氮含量0.05％～0.10％)、中氮型(氮含量0.10％～0.40％)和高氮型(氮含量在0.40％以上)，而铁素铁、马氏体不锈钢中的氮含量大于0.08％时，便可被称为高氮钢(Speidel M O.Properties and applications of high nitrogen steels[A].High Nitrogen Steels[C].London：TheInstitute of Metals，1989，92-96.)。氮加入奥氏体不锈钢中，除了部分替代贵重的镍外，主要是作为固溶强化元素提高奥氏体不锈钢的强度，大约超过同系列钢性能的1.3到3倍多，而且并不显著损害钢的塑性和韧性，并且显著提高其耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。

电渣炉是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的一种冶金设备。用电渣炉冶炼的钢，具有纯度高、硫含量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、组织致密、化学成分均匀等优点。因此，电渣炉设备在钢铁、机械等行业得到了广泛的应用。

氮易在高氮钢凝固过程中偏析和析出形成气孔，而导致产品报废。研究表明提高体系的氮分压，不仅可显著提高氮在合金体系不同相中的溶解度，而且可有效抑制高氮钢凝固过程中氮的偏析和析出。因此高氮钢的熔炼和凝固常在加压条件下进行。用加压电渣炉冶炼高氮钢是一种在压力条件下进行冶炼高氮钢的方法，也是目前商业化生产高氮钢的有效方法。1980年德国Krupp公司建成了世界上第一台16t加压电渣炉(PESR)(Stein G，Diehl V.High nitrogenalloyed steels on the move-fields of application[A].Proceeding of the 7th international conferenceon high nitrogen steels 2004[C].Ostend：Belgium，2004，421-426.)，德国的加压电渣炉所采用的合金化方式是在冶炼的过程中不断向渣池中加入氮化合金，但是由于生产工艺的不稳定，尤其是氮合金化技术方式的不完善，造成钢锭中元素分布不均匀，尤其是氮元素，有时必须进行二次重熔，成品合格率较低。

发明内容

本发明的目的是在已有技术的基础上，利用自己设计的加压电渣炉并提供一种加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，采用固态起弧造渣方式起弧和在自耗复合电极上均匀焊接装有氮化合金和脱氧剂的合金管的方式进行氮合金化，在超过常压的密闭冶炼室内进行冶炼。解决了采用原有技术制备高氮钢过程中氮分布不均匀的问题，从而避免了二次重熔，节约了生产成本，且工艺方法简单，冶炼效果好。

本发明加压电渣炉冶炼高氮钢的方法是利用主要由底水箱、结晶器、熔炼室、电极、电极卡头、密封装置、熔炼室冷却水入口和出口构成的电渣炉进行高氮钢的冶炼，其要点是按如下步骤进行：

1.依据目标钢种的元素成分，通过以下计算公式计算目标钢种在常压下极限氮含量×(0.7～0.9)的数值，确定自耗复合电极母材的氮含量及其他合金元素的成分，通过计算得出冶炼自耗复合电极母材所需原料的重量百分比。

$\lg [\%N]=\frac{1}{2}\lg (p_{N_2}/p^0)-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13[\%N]+0.118[\%C]+0.043[\%\mathrm{Si}]+$

$0.011[\%\mathrm{Ni}]+3.5\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Ni}]}^2-0.024[\%\mathrm{Mn}]+3.2\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mn}]}^2-0.01[\%\mathrm{Mo}]+$

$7.9\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mo}]}^2-0.048[\%\mathrm{Cr}]+3.5\×{10}^{-4}{[\%\mathrm{Cr}]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^p\log \sqrt{p_{N_2}/p^0}\left)\right\}$

式中：

为氮压力，p⁰为标准大气压，δ_N ^p为压力对氮活度的作用系数。

2.冶炼自耗复合电极母材，并锻造成设计尺寸的棒材，按设计要求的尺寸和数量的合金管中装入相应的氮化合金颗粒和脱氧剂，然后将合金管均匀焊接在棒材上，制备成自耗复合电极；

3.将自耗复合电极焊接到假电极上，将假电极装卡到电极上；

4.把引弧剂放在自耗复合电极下面的底水箱上，使它和下面的底水箱以及自耗复合电极无间隙紧密接触，保证通电后有电流导通；

5.将在300～800℃烘烤3～10小时的渣均匀倒入结晶器内，密闭熔炼室；

6.在氮气保护气氛的熔炼室中，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为41～50V，电流为1000～2000A的条件下，进行化渣10～15分钟；

7.化渣结束后，同时提升冷却水压力和熔炼室压力至3～10MPa，电压为41～50V，电流为2000～6000A条件下，开始冶炼；

8.当熔炼电流降低至1000A以下再无上升情况下，抬升电极，冶炼结束，关闭交流电源5分钟后，降低冷却水压力和熔炼室压力至常压，待钢锭充分冷却后，脱出钢锭。

经冶炼的自耗复合电极母材，在1200℃加热2小时后进行锻造，锻造温度1150℃，锻造成￠60～80mm的棒材；然后在棒材的圆周上均匀焊接至少4根由0Cr13板材制成的合金管制成自耗复合电极，合金管中装有粒径为2mm的氮化铬合金颗粒和粒径为0.5mm由硅钙、钙铁、氮化硅组成的脱氧剂。

所述的脱氧剂组成的重量百分比为：硅钙30～50％，钙铁0～30％，氮化硅30～60％，余量为杂质。

所述的引弧剂组成的重量百分比为：CaF₂ 45％，TiO₂ 40％，CaO 10％，Al 5％。

所述渣的组成的重量百分比为：CaF₂ 40％，Al₂O₃ 25％，CaO 25％，MgO 5％，SiO₂ 5％。

本发明与已有技术相比较，其突出的优点和产生的积极效果是：本发明采用了一种在自耗复合电极母材上均匀焊接装有氮化合金和脱氧剂的合金管的方式，在超过常压的密封冶炼室内进行冶炼，解决了已有技术在冶炼高氮钢过程中氮含量分布不均匀的问题，从而也避免二次重熔，节约了生产成本。

本发明同时在已有技术基础上，利用自行设计的加压电渣炉进行高氮钢的冶炼，实现了工艺方法简单，所冶炼的高氮钢成分均匀、组织致密，且其综合性能得到明显的提高。

附图说明

图1是本发明加压电渣炉的结构示意图；

图2是本发明自耗复合电极的截面示意图；

图1中1.横臂梁，2.电极冷却水入口，3.电极，4.导向套，5.密封装置，6.吊耳，7.熔炼室气体入口，8.熔炼室，9.定位盘，10.假电极，11.自耗复合电极，12.渣池，13.金属熔池，14.铸锭，15.结晶器，16.底水箱冷却水入口，17.底水箱，18.台车升降平台，19.电机，20.连轴器，21.底水箱冷却水出口，22.结晶器冷却水入口，23.结晶器冷却水出口，24.熔炼室冷却水入口，25.安全防爆系统，26.熔炼室冷却水出口，27.控制电源，28.交流供电电源，29.导电接头，30.电极冷却水出口；

图2中31.自耗复合电极母材，32.合金管，33.氮化合金及脱氧剂。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步描述：

实施例1：如图1所示，本发明包括密封装置5，在密封装置5内设有与其滑动密封连接的电极3，在密封装置5下面装有熔炼室8，在熔炼室8下面装有结晶器15，在结晶器15下面装有底水箱17，在底水箱17下面装在台车升降平台18上。电极3上端焊接在横臂梁1上，在电极3的上面焊有导电接头29，导电接头29与水冷电缆的一端连接，水冷电缆的另一端与交流供电电源28连接，在电极3上面的两侧焊有电极冷却水入口2和电极冷却水出口30，在电极3下端是假电极10，在假电极10下端焊有自耗复合电极11。在熔炼室8的外侧装有安全防爆系统25并与熔炼室8的内壁连通，熔炼室8的外侧装有熔炼室冷却水入口24和熔炼室冷却水出口26并与熔炼室8的外壁连通。在结晶器15的外侧装有结晶器冷却水入口22和结晶器冷却水出口23并与结晶器15的外壁连通。在底水箱17的外侧装有底水箱冷却水入口16和底水箱冷却水出口21并与底水箱17外壁连通。台车升降平台其上设有丝母，丝杠与其传动组合，丝杠、连轴器20、电机19依次机械连接。

冶炼30Kg的0Cr18Mn18Mo2N1的目标钢

具体的工作过程，按如下步骤进行：

1.通过计算公式

$\lg [\%N]=\frac{1}{2}\lg (p_{N_2}/p^0)-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13[\%N]+0.118[\%C]+0.043[\%\mathrm{Si}]+$

$0.011[\%\mathrm{Ni}]+3.5\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Ni}]}^2-0.024[\%\mathrm{Mn}]+3.2\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mn}]}^2-0.01[\%\mathrm{Mo}]+$

$7.9\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mo}]}^2-0.048[\%\mathrm{Cr}]+3.5\×{10}^{-4}{[\%\mathrm{Cr}]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^p\log \sqrt{p_{N_2}/p^0}\left)\right\}$

获得0Cr18Mn18Mo2N1的常压下的[％N]＝0.63，确定感应炉冶炼自耗复合电极母材的氮含量及其合金成分；

2.根据计算确定的0.5％氮含量和合金成分，利用表1所示的原料成分计算得出冶炼自耗复合电极母材所需原料的重量百分比，见表2所示。

表1实验原料成分(wt％)

种类	C	Si	Cr	Mn	Mo	S	P	Cu	Al	N	Fe
												金属铬	0.008	0.10	99.28	--	--	0.007	0.005	0.005	0.23	0.024	Bal.
金属锰	0.045	0.31	--	97.08	--	0.032	0.0056	--	--	--	Bal.
												钼铁	0.06	0.5	--	--	57.63	0.081	0.045	0.22	--	--	Bal.
氮化铬	0.042	1.74	60.32	--	--	0.03	0.02	--	--	8.21	Bal.
												纯铁	≤0.025	≤0.1	≤0.1	≤0.05	--	0.018	≤0.015	--	--	--	＞99.6

表2制备复合电极所用原料的重量百分比(wt％)

种类	金属铬	金属锰	纯铁	氮化铬	钼铁
						重量百分比	10.46	22.99	53.60	8.99	3.96

将冶炼得到的0.5％氮含量的自耗复合电极母材铸锭在1200℃加热2小时后进行锻造，锻造温度1150℃，锻造成￠65的棒材。将粒径为2mm的0.51Kg氮化铬合金颗粒和由粒径为0.5mm的30g硅钙和60g氮化硅所组成的脱氧剂，均匀混合后装入￠15×1000mm的0Cr13合金管中，然后均匀焊接到自耗复合电极母材上。

3.制备好的自耗复合电极，焊接到假电极上，然后把焊接好的假电极装卡到电极7上，抬升平台；

4.把0.05Kg的引弧剂(45％CaF₂-40％TiO₂-10％CaO-5％Al)放在自耗复合电极下面，使它和下面的底水箱以及自耗复合电极无间隙紧密接触，保证通电后有电流导通；

5.螺栓连接结晶器15和底水箱17之间的法兰，保证它们之间的静密封；

6.把3Kg在300℃下烘10小时的渣(40％CaF₂-25％Al₂O₃-25％CaO-5％MgO-5％SiO₂)均匀倒入结晶器内，螺栓连接熔炼室8和结晶器15之间的法兰，保证它们之间的静密封，使其密闭；

7.向电极、熔炼室、结晶器和底水箱的冷却水进口通入常压冷却水和向熔炼室通入氮气保护；

8.闭合交流电源，采用固态起弧造渣的方式，在电压41V，电流1000～2000A条件下，化渣14分钟；

9.待化渣结束，通入氮气，使熔炼室气压缓慢升高到3MPa，同时根据平衡器的指示，使水压也同时缓慢的升高到3MPa；

10.稳定3分钟，在电压41V、电流3000～3500A范围条件下，开始冶炼；

11.当电流降低至1000A以下并无上升情况，自耗复合电极熔化完毕，抬升电极，冶炼结束，关闭高压电源开关；

12.等5min后，使熔炼室内的氮气缓慢排除以降低熔炼室的压力，同时通过控制加压水系统使水压也同时降低，直到常压；

13.待钢锭完全冷却后，脱出钢锭。

冶炼结束后对钢锭不同部位的氮含量进行分析见表3所示。同时对钢的力学性能进行检测见表4所示。

表3冶炼钢锭不同部位的氮含量

取样位置	氮含量(wt％)
		钢锭上部	1.03
钢锭中部	1.01
		钢锭下部	1.01

表4固溶态钢的力学性能

屈服极限	614MPa
		强度极限	991MPa
延伸率	62％
		室温的冲击吸收功	325J

实施例2：冶炼0Cr17.5Mn14.5Mo3.2N1的目标钢

1.通过计算公式

$\lg [\%N]=\frac{1}{2}\lg (p_{N_2}/p^0)-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13[\%N]+0.118[\%C]+0.043[\%\mathrm{Si}]+$

$0.011[\%\mathrm{Ni}]+3.5\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Ni}]}^2-0.024[\%\mathrm{Mn}]+3.2\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mn}]}^2-0.01[\%\mathrm{Mo}]+$

$7.9\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mo}]}^2-0.048[\%\mathrm{Cr}]+3.5\×{10}^{-4}{[\%\mathrm{Cr}]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^p\log \sqrt{p_{N_2}/p^0}\left)\right\}$

获得目标钢0Cr17.5Mn14.5Mo3.2N1的常压下的[％N]＝0.56，确定感应炉冶炼自耗复合电极母材的氮含量及其合金成分，根据计算确定的0.45％氮含量和合金成分，利用表5所示的原料成分计算得出冶炼自耗复合电极母材所需原料的重量百分比，见表6所示。

表5实验原料成分(wt％)

种类	C	Si	Cr	Mn	Mo	S	P	Cu	N	Fe
											微碳铬铁	0.059	1.05	60.24	--	--	0.06	0.037	--	--	Bal.
金属锰	0.045	0.31	--	97.08	--	0.032	0.0056	--	--	Bal.
											钼铁	0.06	0.5	--	--	57.63	0.081	0.045	0.22	--	Bal.
氮化铬	0.042	1.74	60.32	--	--	0.03	0.02	--	8.21	Bal.
											纯铁	≤0.025	≤0.1	≤0.1	≤0.05	--	0.018	≤0.015	--	--	＞99.6

表6制备复合电极所用原料的重量百分比(wt％)

种类	纯铁	金属锰	微碳铬铁	氮化铬	钼铁
						重量百分比	53.89	18.01	14.11	7.57	6.42

2.其他工艺过程和实施例1相同，不同之处是：渣的烘烤温度为800℃下烘3小时，冶炼压力为7MPa，熔炼电压41V，电流2000～2500A，锻造后母材直径为￠60mm，脱氧剂组成为硅钙50g，氮化硅30g，钙铁15g。

实施例3：冶炼0Cr23Mo2Ni1N1的目标钢

1.通过计算公式

$\lg [\%N]=\frac{1}{2}\lg (p_{N_2}/p^0)-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13[\%N]+0.118[\%C]+0.043[\%\mathrm{Si}]+$

$0.011[\%\mathrm{Ni}]+3.5\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Ni}]}^2-0.024[\%\mathrm{Mn}]+3.2\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mn}]}^2-0.01[\%\mathrm{Mo}]+$

$7.9\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mo}]}^2-0.048[\%\mathrm{Cr}]+3.5\×{10}^{-4}{[\%\mathrm{Cr}]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^p\log \sqrt{p_{N_2}/p^0}\left)\right\}$

获得目标钢获得0Cr23Mo2Ni1N1的常压下的[％N]＝0.44，确定感应炉冶炼自耗复合电极母材的氮含量及其合金成分，根据计算确定的0.40％氮含量和合金成分，利用表7所示的原料成分计算得出冶炼自耗复合电极母材所需原料的重量百分比，见表8所示。

表7实验原料成分(wt％)

种类	C	Si	Cr	Mn	Mo	S	P	Cu	Ni	N	Fe
												镍	0.004	0.005	--	--	--	0.004	0.001	--	99.99	--	0.005
金属锰	0.045	0.31	--	97.08	--	0.032	0.0056	--	--	--	Bal.
												钼铁	0.06	0.5	--	--	57.63	0.081	0.045	0.22	--	--	Bal.
氮化铬	0.042	1.74	60.32	--	--	0.03	0.02	--	--	8.21	Bal.
												纯铁	≤0.025	≤0.1	≤0.1	≤0.05	--	0.018	≤0.015	--	--	--	＞99.6

表8所用原料的重量百分比(wt％)

种类	纯铁	氮化铬	钼铁	镍	金属铬
						重量百分比	70.34	4.86	4.2	5	15.67

2.其他工艺过程和实施例1相同，不同之处是：渣的烘烤温度为500℃下烘6小时，冶炼压力为10MPa，熔炼电压50V，电流5000～6000A，锻造后母材直径为￠80mm，脱氧剂组成为钙铁30g，硅钙35g，氮化硅32g。

Claims (5)

1、一种加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，利用主要由底水箱、结晶器、熔炼室、电极、电极卡头、密封装置、熔炼室冷却水入口和出口构成的电渣炉，进行高氮钢的冶炼，其特征在于按如下步骤进行：

1)依据目标钢种的元素成分，通过以下计算公式计算目标钢种在常压下极限氮含量×(0.7～0.9)的数值，确定自耗复合电极母材的氮含量及其他合金元素的成分，通过计算得出冶炼自耗复合电极母材所需原料的重量百分比，

$\lg [\%N]=\frac{1}{2}\lg (p_{N_2}/p^0)-\frac{188}{T}-1.17-\left\{(\frac{3280}{T}-0.75)\right(0.13[\%N]+0.118[\%C]+0.043[\%\mathrm{Si}]+$

$0.011[\%\mathrm{Ni}]+3.5\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Ni}]}^2-0.024[\%\mathrm{Mn}]+3.2\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mn}]}^2-0.01[\%\mathrm{Mo}]+$

$7.9\×{10}^{-5}{[\%\mathrm{Mo}]}^2-0.048[\%\mathrm{Cr}]+3.5\×{10}^{-4}{[\%\mathrm{Cr}]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^p\log \sqrt{p_{N_2}/p^0}\left)\right\}$

式中：

为氮压力，p⁰为标准大气压，δ_N ^p为压力对氮活度的作用系数；

2)冶炼自耗复合电极母材，并锻造成设计尺寸的棒材，按设计要求的尺寸和数量的合金管中装入相应的氮化合金颗粒和脱氧剂，然后将合金管均匀焊接在棒材上，制备成自耗复合电极；

3)将自耗复合电极焊接到假电极上，将假电极装卡到电极上；

4)把引弧剂放在自耗复合电极下面的底水箱上，使它和下面的底水箱以及自耗复合电极无间隙紧密接触，保证通电后有电流导通；

5)将在300～800℃烘烤3～10小时的渣均匀倒入结晶器内，密闭熔炼室；

6)在氮气保护气氛的熔炼室中，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为41～50V，电流为1000～2000A的条件下，进行化渣10～15分钟；

7)化渣结束后，同时提升冷却水压力和熔炼室压力至3～10MPa，电压为41～50V，电流为2000～6000A条件下，开始冶炼；

8)当熔炼电流降低至1000A以下再无上升情况下，抬升电极，冶炼结束，关闭交流电源5分钟后，降低冷却水压力和熔炼室压力至常压，待钢锭充分冷却后，脱出钢锭。

2、按照权利要求1所述的加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于经冶炼的自耗复合电极母材，在1200℃加热2小时后进行锻造，锻造温度1150℃，锻造成￠60～80mm的棒材；然后在棒材的圆周上均匀焊接至少4根由0Cr13板材制成的合金管制成自耗复合电极，合金管中装有粒径为2mm的氮化铬合金颗粒和粒径为0.5mm由硅钙、钙铁、氮化硅组成的脱氧剂。

3、按照权利要求1或2所述的加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于所述的脱氧剂组成的重量百分比为：硅钙30～50％，钙铁0～30％，氮化硅30～60％，余量为杂质。

4、按照权利要求1所述的加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于所述的引弧剂组成的重量百分比为：CaF₂45％，TiO₂40％，CaO 10％，Al 5％。

5、按照权利要求1所述的加压电渣炉冶炼高氮钢的方法，其特征在于所述渣的组成重量百分比为：CaF₂40％，Al₂O₃25％，CaO 25％，MgO 5％，SiO₂5％。