CN102400030A - 一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，在高真空感应炉冶炼需要添加氮元素的钢种时，将不对钢液质量产生危害的含氮铁合金放入料斗内，钢液经过高真空精炼，充分脱氧后，向炉内及锭模内充入氩气，加入含氮铁合金终脱氧后，出钢浇注。本发明的方法简单可靠，炉料全部熔化后，精炼脱氧后，在氩气保护气氛下加入含氮铁合金，终脱氧后出钢浇注，达到精确、低成本的添加氮元素目的，氮元素含量能够精确控制，回收率稳定在65%以上。

Description

一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁冶炼技术，特别是一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法。

背景技术

氮已成为钢中重要的添加元素。溶于钢中的氮对提高其强度、韧性和耐蚀性等起到显著的作用。

关于在钢液中加入氮元素，有多种方法。现分别将已经公布的关于如何加入氮元素的相关专利。

申请号为200710121276.5，名称为“一种常压下冶炼高氮钢的方法”的中国专利，加氮的原料为氮气，应用炉型为中频感应炉、电弧炉或AOD炉。

申请号为200810011052.3，名称为“一种加压电渣炉冶炼高氮钢的方法”的中国专利，加氮的原料为氮合金粒和脱氧剂，工艺方法为将氮合金粒焊接在母材上制成自耗复合电极，然后进行电渣重熔。

申请号为200610117525.9，名称为“一种含氮纯净钢的增氮方法”的中国专利，加氮的原料为氮气，工艺方法为在含氮纯净钢钢液二次精炼的末期，采用钢包底吹氮气的方法，对钢包内钢液进行增氮。

申请号为200410017028.2，名称为“一种高氮钢冶炼方法”的中国专利，加氮的原料为氨气和氮气或氨氮混合气，应用炉型为真空感应炉。

从以上已经公布的专利来看，主要采取以氨气或氮气的形式加入。但在真空条件下容易破坏其真空环境。如果吹入氮气或氨气加入，将使真空的环境破坏，而且考虑到真空取样等操作工序与非真空不同，很难精确控制其成分及回收率，一般回收率＜30%；如果选用合适的含氮铁合金在精炼末期加入钢液，则相对来说较容易，但仍然不能很好的控制其成分及加收率。另外，在感应炉冶炼过程中，还通常以氮化锰铁、氮化铬铁、氮化金属锰等形式作为氮的加入剂。通常，氮元素是在真空感应炉冶炼钢水时加入的。现有的真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法一般有两种，一种是在精炼末期通过吹入氮气加入，一种是将含氮铁合金在精炼末期加入钢液。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，克服现有真空冶炼添加氮元素的技术要求较高、不易控制，难以精确控制其含量等缺陷。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，包括下述依次的步骤：

（1）、原料准备：

根据钢种氮元素含量计算需要加入的含氮铁合金重量，将秤量好的含氮铁合金破碎成均匀的小块，若有碎料用铝箔包裹，放入料斗内，然后将钢锭模置于高真空感应炉内；

（2）、装料：

把清洁干燥的纯铁、合金料或返回废钢装入真空感应炉坩埚内，金属硅、金属锰、含氮铁合金等放入料斗；

（3）、关闭炉盖抽真空：

关闭炉盖，抽真空10分钟至15分钟，送电加热炉料；

（4）、坩埚内炉料熔化；

（5）、精炼：

装入炉内的固体原料全部熔化成钢水，炉内的压强不大于2.0Pa，转入高真空精炼，精炼真空度0.1Pa~1.0Pa，一般为0.5Pa，精炼时间3~5分钟，一般为4分钟，将已熔化的钢水进行脱气并进行电磁搅拌以保证成分均匀； 

（6）、充气：

精炼结束后，关闭真空泵，停止抽真空，并向真空感应炉炉体内充入氩气，充氩气压强不小于0.1个大气压；

（7）、合金化：

在氩气保护气氛下，加入料斗中的合金及含氮铁合金并调整氮元素成分之外的其它成分符合冶炼钢种要求；

（8）、终脱氧：

加入镍镁合金脱氧，加入量占钢液重量的0.01~0.03%；

（9）、出钢浇注：

采用直接浇注方式，将成分合格的钢液浇入钢锭模内。

所述的镍镁合金，其镍镁合金质量含量分别为：镁18%~22%，余为镍及其杂质。

含氮铁合金是含有一定重量百分比氮成分、且其它元素含量不对冶炼钢种质量造成危害的材料。由于在真空室内较难采用吹氮气的方法添加氮元素。本方法使用氩气氛保护以含氮铁合金的方式将其加入到钢液后随即采用镍镁合金进行终脱氧后直接出钢。在较短时间内避免了氮元素与坩埚耐火材料接触，提高了氮元素收得率，而且氮元素在钢锭内上下分布均匀。达到精确控制钢中氮元素含量的目的。在步骤                                                

关闭炉盖抽真空时，炉内压强不大于10Pa时再送电加热，有利于充分去除炉内水分，避免元素氧化损失。炉料在熔化过程中由于真空的作用可以去除一部分气体、高蒸气压的微量有害元素和硫、磷等。

根据所冶炼钢种的不同，所述的含氮铁合金可以是氮化锰铁、氮化铬铁、氮化金属锰或氮化硅铁及其混合物。

氮化锰铁——主要用于冶炼Cr-Mn-N奥氏体耐酸钢和其它含锰氮钢，其含氮量在3.0%~4.0%之间，含锰量大于70%。

氮化铬铁——主要用于冶炼含氮不锈钢和含氮耐蚀铁基合金、耐热阀门钢等，其含氮量在3.0%~5.0%之间，含铬量大于60%。

氮化金属锰——主要用于高氮不锈钢、精密合金等，其使用范围比氮化锰铁要大，其含氮量在4.0%~8.0%之间。

此外还有专门用于冶炼细晶冷轧硅钢而设计的氮化硅铁，其含氮量在25%~35%之间，含硅量在48%~52%之间，是一种高氮的铁合金。

为使炉料在熔化过程中充分去气和熔化，不发生大喷溅，保证炉内高真空度，在步骤（4） 炉料熔化时，一般熔化速度≤1/2炉最大容量/小时，可使钢在熔化过程由于真空的作用充分去除气体。高真空精炼可以去除一部分气体，降低钢中含氧量，提高氮元素收得率。充入氩气的目的是防止停止抽真空后空气进入，加入含氮铁合金后进行电磁搅拌，使其熔化进入钢中，避免了氮元素与坩埚耐火材料长时间接触氧化，提高了收得率。终脱氧是为了进一步降低钢中含氧量，提高氮元素收得率。出钢浇注时为了避免浇注温度下降和氧化膜混入注流中，通常采用带电浇注。

为了降低坩埚耐火材料水分，高真空感应炉坩埚最少炉冶炼过一次，高真空感应炉所用氩气的纯度≥99%，含水量不大于0.1%。

这些技术方案，包括改进的技术方案以及进一步改进的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本专利的高真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法简单可靠，炉料全部熔化后，精炼脱氧后，在氩气保护气氛下加入含氮铁合金，终脱氧后出钢浇注，达到精确、低成本的添加氮元素目的，氮元素含量能够精确控制，回收率稳定在65%以上。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本高真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法的具体实施方式，但本高真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法的具体方式不局限于下述的实施例。

实施例一

本实施例的设备采用ZG-0.05高真空感应炉：极限真空度为6.67×10-3Pa，电源功率为120kW，频率为2500Hz，装炉量60kg。

钢种成分为C：0.05%，Si：0.15%，Mn：5.5%，Ni：24.30%，Cr：18.60%，N：0.17%，其余为Fe与不可避免的杂质。

本实施例冶炼一炉以上成分的钢需要纯铁、合金及氮化铬铁重量见表2 ，钢成分的控制范围和控制目标见表3。

                   表2 冶炼钢种原料种类及加入量 

原料种类

金属硅

金属锰

金属镍

金属铬

氮化铬铁

纯铁

加入量，kg

0.09

3.30

14.58

10.14

1.70

余

                        表3 冶炼钢种成分                      wt%

 具体步骤如下：

1、原料准备

根据钢种氮元素含量计算需要加入氮化铬铁2.06kg；把秤量好的含氮铁合金破碎成均匀的小块，若有碎料等可以用铝箔包裹，放入料斗内，然后将钢锭模置于高真空感应炉内。

氮化铬铁（FeNCr10-B）成分

其中，Cr：60.02%，N：6.0%，C：0.10%，Si：1.35%，P：0.028%，S：0.023%，Fe：余。

2、装料

把清洁干燥的纯铁、合金料装入真空感应炉坩埚内，金属硅、金属锰、氮化铬铁、镍镁合金等放入料斗；

3、关闭炉盖抽真空

关闭炉壳抽真空15分钟，炉内真空度达到6Pa，功率50kW；逐步送入最高功率。

4、炉料熔化 熔化速度≤35kg/h，坩埚最大容量70kg。

5、精炼

装入炉内的固体原料全部熔化成钢水，真空度达到2.0Pa，转入高真空精炼，精炼真空度0.5Pa，精炼时间4分钟。

6、充气

精炼结束后，关闭真空泵，停止抽真空。向真空感应炉炉体内充入氩气，充入氩气压力为0.2个大气压。

7、合金化

依次加入金属硅、金属锰、氮化铬铁等。

8、终脱氧：加入镍镁合金进行终脱氧。

9、出钢浇注

采用直接浇注方式，将钢液浇入钢锭模内。

成品钢的化学成分的质量百分比见表4，其余为铁与不可避免的杂质。

                       表4 冶炼钢种实际成分                    wt%

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N
								0.053	0.158	5.41	0.008	0.005	24.30	18.58	0.179

在氩气保护气氛下氮的回收率为71.9%，在保证回收率的同时氮元素也得到了精确控制。

实施例二

本实施例的设备采用ZG-0.05高真空感应炉：极限真空度为6.67×10^-3Pa，电源功率为120kW，频率为2500Hz，装炉量65kg。

钢种成分为C：0.06%，Si：0.55%，Mn：6.0%，Ni：25.0%，Cr：19.0，N：0.02%，其余为Fe与不可避免的杂质。

本实施例冶炼一炉以上成分的钢需要纯铁、合金及氮化铬铁重量见表5 ，钢成分的控制范围和控制目标见表6。

        表5  冶炼钢种原料种类及加入量

原料种类

金属硅

金属锰

金属镍

金属铬

氮化铬铁

纯铁

加入量，kg

0.351

3.9

16.25

10.32

3.358

余

                 表6  冶炼钢种成分                     wt%

具体步骤与实施例一相同。

成品钢的化学成分见表7，其余为铁和不可避免的杂质。

                表7冶炼钢种实际成分               wt%

C	Si	Mn	Ni	Cr	N	S	P
								0.065	0.58	5.88	24.70	18.56	0.209	0.0056	0.0078

在氩气保护气氛下氮的回收率为67.4%，在保证回收率的同时氮元素也得到了精确控制。

Claims (7)

1.一种真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：包括下述依次的步骤：

（1）、原料准备：

根据钢种氮元素含量计算需要加入的含氮铁合金重量，将秤量好的含氮铁合金破碎成均匀的小块，若有碎料用铝箔包裹，放入料斗内，然后将钢锭模置于高真空感应炉内；

（2）、装料：

把清洁干燥的纯铁、合金料或返回废钢装入真空感应炉坩埚内，金属硅、金属锰、含氮铁合金等放入料斗；

（3）、关闭炉盖抽真空：

关闭炉盖，抽真空10分钟至15分钟，送电加热炉料；

（4）、坩埚内炉料熔化；

（5）、精炼：

装入炉内的固体原料全部熔化成钢水，炉内的压强不大于2.0Pa，转入高真空精炼，精炼真空度0.1Pa~1.0Pa，一般为0.5Pa，精炼时间3~5分钟，一般为4分钟，将已熔化的钢水进行脱气并进行电磁搅拌以保证成分均匀； 

（6）、充气：

精炼结束后，关闭真空泵，停止抽真空，并向真空感应炉炉体内充入氩气，充氩气压强不小于0.1个大气压；

（7）、合金化：

在氩气保护气氛下，加入料斗中的合金及含氮铁合金并调整氮元素成分之外的其它成分符合冶炼钢种要求；

（8）、终脱氧：

加入镍镁合金脱氧，加入量占钢液重量的0.01~0.03%；

（9）、出钢浇注：

采用直接浇注方式，将成分合格的钢液浇入钢锭模内。

2.根据权利要求1所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的镍镁合金，其镍镁合金质量含量分别为：镁18%~22%，余为镍及其杂质。

3.根据权利要求1所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的含氮铁合金是氮化锰铁、氮化铬铁、氮化金属锰或氮化硅铁及其混合物。

4.根据权利要求3所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的氮化锰铁含氮量在3.0%~4.0%之间，含锰量大于70%。

5.根据权利要求3所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的氮化铬铁含氮量在3.0%~5.0%之间，含铬量大于60%。

6.根据权利要求3所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的氮化金属锰含氮量在4.0%~8.0%之间。

7.根据权利要求3所述真空感应炉冶炼钢水添加氮元素的方法，其特征是：所述的氮化硅铁含氮量在25%~35%之间，含硅量在48%~52%之间，是一种高氮的铁合金。