CN103436768A - 一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于：先分别制备高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体后，再将Fe-Cr-Mn熔体缓慢兑入高氮合金熔体，控温并搅拌均匀后出炉浇注，其有利于高氮合金与Fe-Cr-Mn平稳熔合，显著减少氮逸出，可得到氮含量较高且较稳定的高氮钢熔体，从而获得气泡少、氮含量高的高氮钢坯，检测氮含量最高可接近1.0wt%。

Description

一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法

技术领域

本发明涉及一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，是一种常压冶炼高氮不锈钢的方法，属于钢铁冶炼领域。

背景技术

高氮不锈钢（以下称高氮钢）以其节镍、耐蚀、高强度、高塑性等优异性能受到瞩目，作为高强韧同时耐蚀不锈的新型钢种可在更宽阔更复杂的领域获得广泛应用。

高氮钢主要化学元素组成为铁（Fe）、铬（Cr）、锰（Mn）、氮（N）及少量钼（Mo）、铜（Cu）、硅（Si）、铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）等，其中氮元素的含量应≥0.6wt%。在高氮钢冶炼时氮较难加入并易从熔体中逸出形成氮气，因此一般采用高压力下冶炼，限制了产量。200810050792.8专利申请提出了常压下将高氮铬铁加入Fe-Mn熔体冶炼高氮钢的方法，201210458675.1专利申请也提出了常压下将氮化锰加入Fe-Cr熔体冶炼高氮钢的方法，使高氮钢常压下生产成为可能。但向Fe-Mn熔体加入高氮铬铁仍然有大量的氮逸出，需要快节奏操作，成锭后氮含量不稳定，需要较长时间固溶处理以消除氮化物和铁素体；而向Fe-Cr熔体加入氮化锰过程会有大量锰被氧化使大量氮逸出，也难以得到氮含量较高的高氮钢。

试验研究表明，向Fe-Cr-Mn熔体加入固态高氮合金过程出现氮大量逸出的主要原因是：氮含量较高的含氮铬铁在Fe-Cr-Mn熔体中快速熔化致使大量氮在固液界面快速被释放，却又不能及时被Fe-Cr-Mn熔体吸收，导致大量氮逸出为氮气，使Fe-Cr-Mn熔体不能获得理想的高氮含量，从而得不到理想氮含量的高氮钢，而且未溶解的高氮铬铁在浇注凝固时还会因固液面溶氮能力不足而产生的大量氮气泡不能在熔体凝固前及时逸出，滞留于钢坯中形成气泡缺陷。

采用液态兑入是减少高氮钢熔体氮逸出的方法之一， 200810300678.6专利申请提出将熔炼的钢水加入到含氮合金液中制备高氮钢，可以使高氮钢的最高氮含量达到0.95wt%，但仅提供了N≥0.47%的护环钢及氮含量在0.15～0.4wt%含氮钢的实施例。一般来说高氮钢的氮含量（0.6～1.2wt%范围内）越高，其性能就越优越，如随着护环钢的氮含量提高将显著提高其各项性能指标并提高在电力发电设备中的应用级别，因此尽量提高高氮钢的氮含量是必要的。而实验表明，简单地将低碳钢水兑入含氮合金液中仍然会造成大量氮逸出而难以获得氮含量较高的高氮钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，是一种常压下将基础钢水兑入高氮合金熔体制备高氮钢的方法，可显著减少氮逸出，得到氮含量较高且稳定的高氮钢熔体，从而获得气泡少、氮含量高的高氮钢坯。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于：先分别制备高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体后，再将Fe-Cr-Mn熔体限流兑入高氮合金熔体中，控温并搅拌均匀后出炉浇注，其中具体步骤如下：

1）制备Fe-Cr-Mn熔体：选用或精炼碳含量较低的工业纯铁，将其熔化后加入金属锰和微碳铬铁，使Mn含量占熔体的5～40wt%，Cr含量占熔体的0～20wt%，保持熔体碳含量≤0.08wt%，保持熔体温度在1500℃～1700℃范围内；

2）制备高氮合金熔体，其高氮合金组成为高氮铬铁和氮化铬铁及氮化锰的混合物，混合比例为任意，控制氮含量为2～10wt%；将高氮合金快速熔化为熔体后，加入0～30wt%金属锰和0～30wt%微碳铬铁，将熔体保持在能够维持熔体状态的较低温度，保持在1450℃～1600℃范围内；

3）制备高氮钢熔体：将Fe-Cr-Mn熔体温度调整至1550℃～1650℃，以单流束或多流束缓慢兑入高氮合金熔体中，每单流束流量≤600kg/min，搅拌熔体使其混合均匀，混合搅拌过程温度控制在1450℃～1600℃范围内，混合搅拌时间为0～15min；

4）混合搅拌后将高氮钢熔体温度快速调至1550℃～1650℃后出炉浇注；

上述冶炼过程的脱S、脱P、脱O及造渣、除渣方法为常规炼钢操作方法。

所述熔化及保温炉为中频感应炉或LF炉（钢包精炼炉）。

所述搅拌熔体方式可通过中频感应炉运行过程中产生的电感搅拌方式。

所述高氮合金的材料为高氮铬铁，其氮含量为5～12wt%。

所述高氮合金的材料为氮化铬铁，其氮含量为3～5wt%。

所述高氮合金的材料为高氮铬铁和氮化铬铁及氮化锰的混合物，其氮化锰所占比例≤50wt%。

所述的将Fe-Cr-Mn熔体以多流束缓慢兑入高氮合金熔体，是采用分流器分流为≥2流束后缓慢兑入高氮合金熔体。

所述的分流器为现有技术制作的可将流体由单流束大流量分流为多流束小流量的耐火材料件。

所述的将Fe-Cr-Mn熔体以单流束或多流束缓慢兑入高氮合金熔体中的每单流束流量≤400kg/min。

所述的制备高氮钢熔体的混合搅拌过程温度控制在1450℃～1550℃范围内。

所述的制备高氮钢熔体的混合搅拌时间为0～5min。

本发明的积极效果是有利于高氮合金与Fe-Cr-Mn平稳熔合，显著减少氮逸出，可得到氮含量较高且较稳定的高氮钢熔体，从而获得气泡少、氮含量高的高氮钢坯，检测氮含量最高可接近1.0wt%。本发明的试验结果表明，为保证基础钢水兑入高氮合金熔体制备高氮钢熔体过程中氮逸出减少，需要采取如下措施：

1）对基础钢水的化学成分进行设计制备，兑入前添加高氮钢所需的保氮元素Mn、Cr、Mo等并降低碳含量（排斥氮的元素），形成Fe-Mn-Cr熔体或Fe-Mn-Cr-Mo熔体，从而提高熔体对氮的快速吸收能力；

2）兑入前向高氮合金熔体添加高氮钢所需的保氮元素Mn、Cr等，降低其熔体中氮的百分含量；

3）采用多流束，每流束小流量兑入高氮合金熔体的方法，以增大两种不同成分的熔体相混合的接触面积；也可以采用单流束小流量兑入高氮合金熔体的方法，但需延长兑入时间；

4）尽量降低兑入过程和兑入后均匀搅拌的温度并尽量减少过程所用时间。

具体实施方式

试验用材料为工业纯铁（C≤0.05wt%）、高氮铬铁（N=8wt%,Cr=60wt%）、氮化铬铁（N=3wt%,Cr=60wt%）、氮化锰（氮化金属锰N=7wt%,Mn=90wt%）、电解金属锰（Mn≥98wt%）、微碳铬铁（C≤0.06wt%,Cr=60wt%）；试验用熔化炉采用两台5T中频感应炉，分别熔化基础钢水和高氮合金；试验主要设计成分为：C≤0.05wt%，Cr=18～20wt%，Mn=15～18wt%，N=0.7～1.0wt%，Mo、Si、S、P等其它元素≤3wt%，余量为Fe；每次试验制备高氮钢重量约5000kg。

实施例1

以氮化铬铁为主要加氮合金制备高氮钢：

材料准备总重量为5030kg，其中：

制备Fe-Cr-Mn熔体材料组成为：工业纯铁2400kg，电解金属锰800kg，微碳铬铁10kg；

制备高氮合金熔体材料组成为：氮化铬铁1650kg，高氮铬铁10kg，氮化锰10kg，电解金属锰150kg。

步骤：

1）用其中一台中频感应炉制备Fe-Cr-Mn熔体：先向炉内加入全部工业纯铁后升温加热待部分熔化后加入微碳铬铁，电解金属锰，继续加热直至全部熔化，调整其熔体温度1550℃～1580℃之间。

2）用另一台中频感应炉制备高氮合金熔体：将高氮铬铁、氮化铬铁和氮化锰全部加入炉内升温加热直至全部熔化后加入电解金属锰，调整其熔体温度为1500℃～1550℃之间。

3）把Fe-Cr-Mn熔体温度升至1650℃后倒入保温浇包，再以流量为600kg/min的单流束兑入高氮合金熔体，并不断摆动浇包，兑入过程将中频感应炉调至0功率并轻轻摇摆保温浇包以改变Fe-Cr-Mn熔体流入高氮合金熔体中的位置，兑入过程所用时间约6min。

4）兑入完成后，测定熔体温度为1570℃，调整中频感应炉功率，保持熔体温度为1520℃～1550℃，同时利用中频电磁作用进行搅拌2min后，将熔体温度升至1620℃并脱氧出渣后进行取样和出炉浇注。

检测获得高氮钢4960kg，检测其主要化学成分为：C=0.046wt%，Cr=19.8wt%，Mn=17.7wt%，N=0.81wt%，Fe=58.8wt%，余为其它元素。

实施例2

以高氮铬铁为主要加氮合金制备高氮钢：

材料准备总重量为5050kg，其中：

制备Fe-Cr-Mn熔体材料组成为：电解金属锰600kg，微碳铬铁60kg，工业纯铁2420kg；

制备高氮合金熔体材料组成为：高氮铬铁1600kg，氮化铬铁10kg，氮化锰10kg，电解金属锰350kg。

步骤：

1）用中频感应炉制备Fe-Cr-Mn熔体方法与实施例1相同。

2）用中频感应炉制备高氮合金熔体：将高氮铬铁、氮化铬铁和氮化锰加入炉内升温加热直至全部熔化后加入电解金属锰，调整其熔体温度为1500℃～1550℃之间，待高氮铬铁中不稳定的CrN分解为氮气飞溅逸出明显减少（只剩下稳定的Cr₂N和少量CrN）后待用。

3）把Fe-Cr-Mn熔体温度升至1650℃后倒入保温浇包，再用1分4流束分流器将Fe-Cr-Mn熔体分为4束分流兑入高氮合金熔体，每单流束流量控制约为300kg/min，兑入过程将中频感应炉调至0功率并轻摇摆保温浇包来改变Fe-Cr-Mn熔体流入高氮合金熔体中的位置，兑入过程所用时间约3min。

4）兑入完成后，测定熔体温度为1550℃，调整中频感应炉功率，保持熔体温度为1520℃～1550℃，同时利用中频电磁作用进行搅拌2min后，再将熔体温度升至1650℃并脱氧出渣后进行取样和出炉浇注。

检测获得高氮钢4968kg，检测其主要化学成分为：C=0.048wt%，Cr=19.5wt%，Mn=17.1wt%，N=0.99wt%，Fe=59.7wt%，余为其它元素。

实施例3

以氮化铬铁和氮化锰为主要加氮合金制备高氮钢：

材料准备总重量为5050kg，其中：

制备Fe-Cr-Mn熔体材料组成为：电解金属锰150kg，微碳铬铁400kg，工业纯铁2400kg；

制备高氮合金熔体材料组成为：氮化铬铁900kg，氮化锰770kg，电解金属锰50kg，微碳铬铁380kg。

步骤：

1）制备Fe-Cr-Mn熔体方法与实施例1相同。

2）制备高氮合金熔体：将氮化铬铁和氮化锰及微碳铬铁一起加入炉内升温加热直至全部熔化后加入电解金属锰，调整其熔体温度为1500℃～1550℃之间。

3）把Fe-Cr-Mn熔体兑入高氮合金熔体及取样和出炉浇注与实施例1相同。

检测获得高氮钢4960kg，检测其主要化学成分为：C=0.041wt%，Cr=19.5wt%，Mn=17.2wt%，N=0.85wt%，Fe=62.0wt%，余为其它元素。

实施例4

以高氮铬铁和氮化锰为主要加氮合金制备高氮钢：

材料准备总重量为5050kg，其中：

制备Fe-Cr-Mn熔体材料组成为：电解金属锰150kg，微碳铬铁400kg，工业纯铁2400kg；

制备高氮合金熔体材料组成为：高氮铬铁900kg，氮化锰770kg，电解金属锰50kg，微碳铬铁380kg。

步骤：

1）制备Fe-Cr-Mn熔体方法与实施例1相同。

2）制备高氮合金熔体方法：将高氮铬铁和氮化锰及微碳铬铁一起加入炉内升温加热直至全部熔化后加入电解金属锰，调整其熔体温度为1500℃～1550℃之间。

3）把Fe-Cr-Mn熔体兑入高氮合金熔体方法及取样和出炉浇注与实施例2相同。

检测获得高氮钢4955kg，检测其主要化学成分为：C=0.049wt%，Cr=19.2wt%，Mn=16.7wt%，N=0.86wt%，Fe=60.6wt%，余为其它元素。

从上述实施例可以看出，用本发明所述方法制备的高氮钢都获得了较高的氮含量，并保证了Cr、Mn含量在设计的范围内。

Claims (6)

1.一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于：先分别制备高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体后，再将Fe-Cr-Mn熔体限流兑入高氮合金熔体，控温并搅拌均匀后出炉浇注，其中具体步骤如下：

1）制备高氮合金熔体，其高氮合金组成为高氮铬铁和氮化铬铁及氮化锰的混合物，混合比例为任意，控制氮含量为2～10wt%；将高氮合金快速熔化为熔体后，加入0～30wt%金属锰和0～30wt%微碳铬铁，将熔体保持在能够维持熔体状态的较低温度，保持在1450℃～1600℃范围内；

2）制备Fe-Cr-Mn熔体：选用或精炼碳含量较低的工业纯铁，将其熔化后加入金属锰和微碳铬铁，使Mn含量占熔体的5～40wt%，Cr含量占熔体的0～20wt%，保持熔体碳含量≤0.08wt%，保持熔体温度在1500℃～1700℃范围内；

3）制备高氮钢熔体：将Fe-Cr-Mn熔体温度调整至1550℃～1650℃，以单流束或多流束缓慢兑入高氮合金熔体中，每单流束流量≤600kg/min，搅拌熔体使其混合均匀，混合搅拌过程温度控制在1450℃～1600℃范围内，混合搅拌时间为0～15min；

4）混合搅拌完成后将高氮钢熔体快速调至1550℃～1650℃后出炉浇注。

2.根据权利要求1所示的一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于所述高氮合金中的氮化锰所占比例≤50wt%。

3.根据权利要求1所示的一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于所述的高氮合金熔体以单流束或多流束缓慢兑入Fe-Cr-Mn熔体的每单流束流量≤400kg/min。

4.根据权利要求1所示的一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于所述的制备高氮钢熔体的混合搅拌过程温度控制在1450℃～1530℃范围内。

5.根据权利要求1所示的一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于所述的制备高氮钢熔体的混合搅拌时间为0～5min。

6.根据权利要求1所示的一种用高合金熔体制备高强度不锈钢的方法，其特征在于所述的将Fe-Cr-Mn熔体以多流束缓慢兑入高氮合金熔体，是采用分流器分流为≥2流束后缓慢兑入高氮合金熔体。