CN103146875A

CN103146875A - 一种常压下冶炼高氮钢的方法

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Publication number: CN103146875A
Application number: CN2012104586751A
Authority: CN
Inventors: 牛永吉; 白凤江; 徐静玉; 贾崇林; 李崇巍; 史世凤; 范强; 张永跃; 高春红; 李振瑞; 郭文东
Original assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Current assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: CN103146875B

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种常压下冶炼含锰高氮钢的方法。其特征在于以氮化锰作为加氮的主要中间合金，冶炼时在冶炼后期加入氮化锰，加入氮化锰和出钢时的钢液温度控制在1400～1600℃。本方法比喷吹氮气(N₂)或氨气(NH₃)加氮效果好，且操作简单，无须喷吹加压设备；本方法比单纯采用常规氮化铬铁加氮效果好。

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含锰高氮钢的方法。

背景技术

高氮钢生产起源于20世纪50年代，目的是节约资源，以氮代镍，并且强化合金，提高合金强度和耐蚀性，近年来高氮钢被认为是最有研究和开发价值的新材料之一。随着高氮钢生产工艺的不断改进和完善，高氮钢的品种和数量不断增加。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、高氮模具钢、高氮高速钢等。其中，高氮奥氏体不锈钢用的最多，应用也最广。但含氮合金的冶炼难度大，成为含氮合金应用的重要制约因素。

目前高氮钢的生产多采用加压电渣重熔、反压铸造、VOD底吹氮气和粉末冶金等工艺，但是加压设备装置昂贵，生产成本较高。而常压下冶炼含氮钢的方法是添加氮化合金和喷吹氮气(CNl0l736658A)、氨气(CNl0123546lA)等，但大都只能生产较低氮含量的钢种，且工艺控制复杂，稳定控制难度大。专利CNl480550A和CNl02400029A公布了高氮钢真空感应炉熔炼方法，但在真空炉冶炼高锰高氮钢存在锰的挥发问题而使工业生产受限，而且仍需充气加压熔炼。CNl01285148A公布了一种常压下制造高氮钢的方法，但其主要思路是改变常规合金化溶解冶炼加氮的方法，而采用在获得非氮基础合金后，向钢中加入“变质剂”的非溶解方法加入高氮合金，并在高氮合金未被溶解或微溶解时进行浇注，使高氮合金混合存留在凝固的基础合金钢中，然后再通过热变形加工和固溶处理，使混合在钢中的高氮合金分解、扩散、固溶在基体中，从而制备出高氮钢。显然，这种方法存在成分不均匀及成分控制不稳定的风险，并且，需要后续增加扩散固溶处理等工序。

随着高氮钢的开发和推广，高氮钢的用途和用量还在扩大，寻求更加经济高效的高氮钢生产工艺意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决上述技术不足的含锰高氮钢冶炼方法，即一种常压下冶炼含锰高氮钢的方法。其特征在于以氮化锰作为加氮的主要中间合金，在中频感应炉中冶炼高氮钢。冶炼时在冶炼后期加入氮化锰，加入氮化锰和出钢时的钢液温度控制在1400～1600℃。

本发明的技术方案为：

一种常压下冶炼含锰高氮钢的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在熔炼炉内装入合金基体元素：纯铁、金属铬、铬铁、金属镍、金属钴；

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂=7∶3，CaO用量为合金装入量的2％左右；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼、金属钽；

3)温度达到1500～1600℃(具体温度根据所冶炼具体钢种确定)开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金装入量的1％左右；

4)渣白后加金属锰、钒铁，待加入合金料熔清后加入氮化锰，金属硅；合金料全部熔清后送电搅拌5～10分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1500～1600℃(具体温度根据所冶炼具体钢种确定)，精练时间20～30分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1400～1600℃(具体温度根据所冶炼具体钢种确定)。

冶炼时加入氮化锰的钢液温度适宜控制在1400～1600℃，采用的氮化锰成分要求：Mn≥85.0％，N≥6.0％，所用氮化锰为固体，其适宜的尺寸为：5mm～100mm。

技术原理：

氮在合金溶液中的溶解度可由

计算得：

即

Ln [N] = \frac{1}{2} Ln {P_{N}}_{2} + Ln K_{N} - Ln f_{N}

K_N平衡常数

溶池上的氮分压

f_N氮的活度系数

在其他条件一定下，影响合金中氮含量的主要因素有合金中元素种类及含量，反应温度及氮分压。通过热力学计算以及大量实验数据统计分析，铁基合金中显著降低N平衡浓度的元素为C、Si、Ni；提高N平衡浓度的为Cr、Mn、V、Nb、Mo、Ta。因此，在冶炼时为提高N含量须尽量降低C、Si、Ni含量，并尽量在加N后添加该类元素，提高Cr、Mn、V、Nb、MO、Ta含量，并尽量在加N前加。出钢温度提高，平衡氮含量降低，降低反应温度有利于提高氮含量。

氮化铬铁是常用的加氮中间合金，资料显示，氮化铬熔化温度为1600℃左右，在1200℃左右氮化铬铁部分分解，而氮化锰的熔化温度为1200℃左右，分解温度为600～950℃。显然，氮化铬铁较氮化锰要难以熔化，在工业生产中，在冶炼末期加入氮化铬铁，由于存在喷溅现象及难以完全溶解等原因而使加氮效果不理想，而放在熔炼前期加入氮化铬铁，则因加入氮化铬铁时提高N溶解度的元素(Mn、V、Nb、Mo、Ta等)尚未很好地合金化，而且熔体温度高，这些因素使得钢液氮溶解度较低，使氮化铬铁中N元素难以充分溶解入合金中。因此，采用氮化铬铁加N很难取得令人满意的效果。而采用氮化锰加N则很好的克服了氮化铬铁所存在的问题，其熔化温度低，可以放到冶炼后期，提高N溶解度的Mn、V、Nb、Mo、Ta等元素大部分已经进入钢液，钢液氮的溶解度较高，而且氮化锰加入后，无须提高钢液温度便可完全溶解，更有利于氮的回收。

与已有的技术比较，本发明具有以下优点：

1)本方法无须任何诸如加压、吹气等特殊装置，工艺操作与正常冶炼相同，工业生产经济高效。

2)本发明经工业生产实践验证，冶炼含锰高氮钢采用氮化锰较采用氮化铬铁加氮效果好，氮的回收率能保持在70％以上。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：在800kg中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分见表1。在冶炼末期加入氮化锰。所用氮化锰固体尺寸为20mm，含锰88.3％，含氮7.1％。

表1中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分(余为Fe)和加氮情况

冶炼步骤如下：

1)在熔炼炉内装入合金基体元素：纯铁、高碳铁、金属铬、铬铁；

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为C a O∶CaF₂=7∶3，CaO用量为17kg；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼；

3)温度达到1520℃开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金8kg；

4)渣白后加金属锰、钒铁，待其他合金料熔清后加入氮化锰；合金料全部熔清后送电搅拌5分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1520℃，精练时间20分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1430℃。

实施例二：在1．5t中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分见表2。在冶炼末期加入氮化锰。所用氮化锰固体尺寸为30mm，含锰90．2％，含氮6．5％。

表2中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分(余为Fe)和加氮情况

冶炼步骤如下：

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂=7∶3，Ca O用量为36kg：料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼；

3)温度达到1550℃开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金14kg；

4)渣白后加金属锰、钒铁，待其他合金料熔清后加入氮化锰；合金料全部熔清后送电搅拌7分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1550℃，精练时间22分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1460℃。

实施例三：在2t中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分见表3。在冶炼末期加入氮化锰。所用氮化锰固体尺寸为70mm，含锰89．5％，含氮6．8％。

表3中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分(余为Fe)和加氮情况

冶炼步骤如下：

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂＝7∶3，CaO用量为45kg；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼；

3)温度达到1570℃开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金22kg；

4)渣白后加金属锰、钒铁，待其他合金料熔清后加入氮化锰；合金料全部熔清后送电搅拌9分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1570℃，精练时间25分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1480℃。

实施例四：在3t中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分见表4。在冶炼末期加入氮化锰。所用氮化锰固体尺寸为100mm，含锰86.7％，含氮7.5％。

表4中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分(余为Fe)和加氮情况

冶炼步骤如下：

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂＝7∶3，CaO用量为66kg；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼；

3)温度达到1590℃开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金35kg；

4)渣白后加金属锰、钒铁，待其他合金料熔清后加入氮化锰；合金料全部熔清后送电搅拌10分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1590℃，精练时间30分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1530℃。

实施例五：在1.5t中频感应炉冶炼高氮钢的化学成分和加氮情况见表5。在冶炼末期加入氮化锰。所用氮化锰固体尺寸为40mm，含锰89％，含氮7.3％。

表5试验合金成分(余为Fe)和加氮情况

冶炼步骤如下：

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂＝7∶3，CaO用量为20kg；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼；

3)温度达到1600℃开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金10kg；

4)渣白后加金属锰，待加入合金料熔清后加入氮化锰、硅；合金料全部熔清后送电搅拌5分钟；

5)加料完成后升温精炼，精练温度：1600℃，精练时间30分钟；

6)精炼完成后降温调整温度出钢浇铸，出钢温度：1550℃。

Claims

1.一种常压下冶炼含锰高氮钢的方法，其特征在于包括以下步骤：

2)然后升温熔化，合金料熔化80％时加碳粒、高碳铬铁，马上盖渣，渣料组成为CaO∶CaF₂＝7∶3，CaO用量为合金装入量的2％左右；料全部进入熔池后马上加入金属钨、金属铌、金属钼、金属钽；

3)温度达到1５00～1600℃(具体温度根据所冶炼具体钢种确定)开始用铝石灰脱氧，铝石灰用量为合金装入量的1％左右；

2.如权利要求1所述一种常压下冶炼高氮钢的方法，其特征在于：冶炼时加入氮化锰的钢液温度控制在1400～1600℃。

3.如权利要求1或2所述一种常压下冶炼高氮钢的方法，其特征在于：所采用的氮化锰成分要求：Mn≥85．0％，N≥6．0％。

4.如权利要求3所述氮化锰，其特征在于：氮化锰为固体，其尺寸为：5mm～100mm。