CN104988279A - 一种氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，属于冶金产品技术领域。方法为：准备原料，向感应炉内和二次布料仓内加入原料；抽真空至感应炉内的真空度为58Pa；在真空环境下，预热感应炉内炉料；温度达到1300-1400℃时，开启充气阀，向感应炉内充入氮气，使炉内的压力为0.082MPa；继续升温，待钢液熔化后，通过二次布料仓向感应炉熔炼室内加入氮化物；待其熔化后，18-20KW下搅拌，使钢液成分均匀；浇注和凝固；脱模。本发明，通过添加氮化物，在氮气气氛保护下，阻止氮化物的分解，从而实现了低成本冶炼高氮钢。

Description

一种氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高氮不锈钢冶炼方法，在氮常压下，加氮化物冶炼高氮不锈钢。

背景技术

氮能够稳定奥氏体不锈钢，氮稳定奥氏体的能力是镍的30倍，在不影响塑、韧性的情况下，提高钢的强度硬度，此外氮还能够提高钢的耐腐蚀性，尤其是提供钢的耐晶界腐蚀性。

很多研究者试图用各种方法冶炼高氮钢，有些虽然研究出氮含量很高的钢种，但是是在高压条件下或者针对特定的钢种而言的(铬、锰含量高)。因而对设备的要求高，成本高，不利于工业化生产。

针对高氮钢的热力学、动力学条件的研究相对比较成熟，然而存在一些理解上的错误，例如，氮化铬等氮化物的分解温度的理解。很多研究者通过氮化铬的差热曲线来分析它的分解温度，此方法无可厚非，但是相当一部分研究者做氮化铬的差热时，用的保护气是氩气等惰性气体，而实际冶炼高氮不锈钢的气氛是在氮气气氛下，不同的保护气气氛下，分解温度不同。正因为长久的理解上的误区，制约了高氮钢的发展。

发明内容

本发明的目的是在氮常压下，在真空感应炉内，通过向感应炉内充入氮气及在冶炼末期快速加入氮化物来冶炼高氮奥氏体不锈钢，以解决高压冶炼的高成本，同时为工业化生产提供参考。

为达上述目的，本发明一种氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，包括以下步骤接近氮常压下，熔炼末期，通过二次布料仓向真空感应炉熔炼室内加入氮化物，使其达到过饱和状态，快速冷却。具体步骤如下：

第一步，根据目标钢种的要求配置原料，不易挥发、不易氧化、不易分解的物料由加料口加入感应炉内，氮化物、易分解、易挥发的物料按照分解、挥发的难易程度加入二次布料仓；

第二步，打开二次布料仓，开启机械泵，对感应炉熔炼室抽真空；熔炼室真空度控制在220Pa以下；

第三步，开启电源，调节功率，预热炉料；

第四步，同时开启罗兹泵，深度抽真空，使感应炉熔炼室的真空度为58Pa；

第五步，待炉料温度升至1300～1400℃时，向感应炉熔炼室内充入氮气，使炉内的压力小于一个大气压；

第六步，炉料溶化后，摇动二次布料仓摇杆，将二次布料仓内的氮化物加入感应炉熔炼室，熔化后18-20KW下搅拌1min；

第七步，待温度降低至1530～1540℃时，带功率浇注，在氮气气氛下冷却至1200～1300℃，从炉内取出空冷即可。

其中第七步，在氮气气氛下冷却至1250℃，从炉内取出空冷即可。

其中在感应炉熔炼室安装水冷铜壁平台，在其上安放模具，通过水冷铜壁，增加冷却速度，待钢液凝固至1200℃时，从感应炉熔炼室取出，空冷。

其中第五步中，在1300～1400℃时，向真空感应炉内充入氮气大气压为0.082MPa。

技术原理：

氮气进入钢液的界面反应方程式：

1/2N₂＝[N]  ${\mathrm{\ΔG}}_B^{\mathrm{\θ}}=3600+23.89T$

反应的吉布斯自由能， ${\mathrm{\Δ}}_r{G}_m={\mathrm{\Δ}}_r{G}_m^{{}^{\mathrm{\θ}}}+RTln\frac{w\[\%\]f_N}{(P_{N_2}/P^{\mathrm{\θ}})\frac{1}{2}}$

1873K下，钢液中其他元素对氮的活度系数的影响：

${\mathrm{lgf}}_N=e_N^N\[\%N\]+\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{e}_N^j\[\%j\]+{\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{r}_N^j\[\%j\]}^2+{\mathrm{\δ}}_N^P\lg \sqrt{P_{N_2}/P^{\mathrm{\θ}}}$

任意温度下，钢液中其他元素对氮的活度系数的影响：

$f_{NT}=\[\frac{3280}{T}-0.75\]f_{N,1873}$

要使氮气向钢液中增氮，Δ_rG_m≤0

即， ${\mathrm{\Δ}}_r{G}_m^{\mathrm{\θ}}+RTln\frac{w\[\%\]\·f_{NT}}{{(P_{N_2}/P^{\mathrm{\θ}})}^{\frac{1}{2}}}\≤0$

因此临界情况下，充氮气带入的氮的质量分数为：利用上述公式可以计算任一温度，任一成分下，向钢液中通氮气的增氮量。

Cr₂N分解反应方程式：

2Cr₂N_(S)f 4Cr_(S)+N_2(g)  ${\mathrm{\Δ}}_f{G}_m^{\mathrm{\θ}}=198400-93.98T$

反应的平衡常数

其中，Cr₂N、Cr以纯物质为标准态，所以a_Cr＝1。

标准生成吉布斯自由能，

因为此反应是可逆反应，所以：

即，-RT lnK^θ＝198400-93.98T

${\mathrm{lnK}}^{\mathrm{\θ}}=-\frac{198400}{RT}+\frac{93.98}{R}$

当T＝1873K时，K^θ＝0.237665。

P＝P^θ×K^θ，所以P＝2.4081×10⁴Pa。

通过以上计算，当时，Cr₂N不发生分解。

CrN分解反应方程式：

2CrN_(S)f 2Cr_(S)+N_2(g)  ${\mathrm{\Δ}}_f{G}_m^{\mathrm{\θ}}=226800-146.4T$

反应的平衡常数

其中，CrN、Cr以纯物质为标准态，所以a_CrN＝1，a_Cr＝1。

标准生成吉布斯自由能，

因为此反应是可逆反应，所以：

-RTlnK^θ＝226800-146.4T

${\mathrm{lnK}}^{\mathrm{\θ}}=-\frac{226800}{RT}+\frac{146.4}{R}$

当T＝1873K时，K^θ＝20.99665

P＝P^θ×K^θ，所以P＝2.1275×10⁶Pa

通过以上计算，当时，CrN不发生分解。

氮化产物形态取决于温度条件，973K以下只有CrN生成，而没有Cr₂N，973K以上时氮化铬开始析出Cr₂N。

在氮常压下冶炼不锈钢，此气氛高于Cr₂N的分解压，所以氮常压下，Cr₂N不发生分解。

本发明的优点：

(1)在氮常压下，通过添加氮化物，冶炼高氮不锈钢，抑制了氮化铬、氮化锰等氮化物分解的同时，大大降低了高压设备的高成本。

(2)通过热力学计算及差热试验，阐述了氮常压下，可以抑制氮化铬、氮化锰等氮化物的分解，为通过氮化铬等氮化物增氮提供了理论指导。

(3)指出了冶炼高氮不锈钢的途径，可以通过在感应炉熔炼室内添加水冷铜壁来提高冷却速度，以冶炼更高含氮量的不锈钢。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明氮气气氛下氮化铬的TG、DSC曲线；

图2为本发明氮气气氛下氮化锰的TG、DSC曲线；

图3为本发明氮气气氛下氮化硅锰的TG、DSC曲线。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实验钢化学成分及含量设计(Wt％)见表1所示：

实施例(以冶炼6kg 304L为目标)：

第一步，根据目标钢种的要求配置原料，向真空感应炉内加入600.11g纯镍、1834.58g微碳铬铁、3147.62g纯铁，向二次布料仓按照加入合金料的顺序加入275.99g氮化铬、141.75g氮化锰；

第二步，打开二次布料仓，开启机械泵，对感应炉熔炼室抽真空；熔炼室真空度控制在220Pa以下；

第三步，开启电源，慢慢调节功率，按照每20min增加5KW的速度调节功率，预热炉料；

第四步，同时开启罗兹泵，深度抽真空，使感应炉熔炼室的真空度为58Pa；

第五步，待炉料温度升至1300～1400℃时，向感应炉熔炼室内充入氮气，使炉内的压力为0.082MPa；

第六步，炉料溶化后，摇动二次布料仓摇杆，将二次布料仓内所述氮化铬加入熔炼室，5min后加入所述氮化锰，1min后18-20KW下搅拌1min；

第七步，待温度降低至1530～1540℃时，带功率浇注。在氮气氛下冷却至1250℃左右，从炉内取出空冷。

实验钢化学成分及含量(Wt％)见表2所示：

通过本实施例的设计成分表1及化验成分表2，并结合附图1，图2可以发现，通过本发明，向钢液中增氮是两种方式的综合结果。一种是氮常压下抑制氮化物的分解增氮，另一种是氮气增氮。

本发明所述的氮化物，并不局限于氮化铬、氮化锰，此外还包括诸如氮化硅锰、氮化钒、氮化钛、氮化硅等氮化物。所有在氮气气氛保护下，通过添加氮化物，抑制氮化物分解来冶炼高氮钢的方式，都属于本发明的保护范围。

本发明所述的在模具下方安装水冷铜壁控制冷却速度，仅仅是示意性，并不局限于具体的形式，任何在本发明的宗旨下，通过加快钢液冷却速度，来使得钢液快速凝固的形式，都属于本发明的保护范围。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，根据目标钢种的要求配置原料，不易挥发、不易氧化、不易分解的物料由加料口加入感应炉内，氮化物、易分解、易挥发的物料按照分解、挥发的难易程度加入二次布料仓；

第二步，开启机械泵，对感应炉熔炼室抽真空；熔炼室真空度控制在220Pa以下；

第三步，开启电源，调节功率，预热炉料；

第四步，同时开启罗兹泵，深度抽真空，使感应炉熔炼室的真空度为58Pa；

第五步，待炉料温度升至1300～1400℃时，向感应炉熔炼室内充入氮气，使炉内的压力小于一个大气压；

第六步，炉料溶化后，将二次布料仓内的氮化物加入感应炉熔炼室，熔化后18-20KW下搅拌1min；

第七步，待温度降低至1530～1540℃时，带功率浇注，在氮气气氛下冷却至1200～1300℃，从炉内取出空冷即可。

2.如权利要求1所述的氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于，第七步，在氮气气氛下冷却至1250℃，从炉内取出空冷即可。

3.如权利要求1所述的氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于，在感应炉熔炼室安装水冷铜壁平台，在其上安放模具，通过水冷铜壁，增加冷却速度，待钢液凝固至1200℃时，从感应炉熔炼室取出，空冷。

4.如权利要求1所述的氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于，第五步中，在1300～1400℃时，向真空感应炉内充入氮气至气压为0.082MPa。

5.如权利要求1所述的氮常压下冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于，所述氮化物包括氮化铬、氮化锰、氮化硅锰、氮化钒、氮化钛或氮化硅中的一种或两种以上任意比例的混合物。