CN105950883A - 一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系。本发明渣系的化学成分质量百分比为：CaF₂：63～68％，CaO：19～23％，Al₂O₃：10～15％，MgO：1～3％，SiO₂：0.5～1.0％，余量为不可避免杂质，杂质含量不大于1％；其中，CaO/Al₂O₃为1.27～2.30。通过控制渣系中CaO/Al₂O₃的比值，以及优化CaF₂、Al₂O₃和SiO₂等关键组元的含量，增强了渣系的氮渗透性和氮容，提高了加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢过程中气相渗氮的效率，从而冶炼出氮含量较高的高品质高氮马氏体不锈钢。

Description

一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系

技术领域

本发明涉及一种用于冶炼高氮钢的渣系，特别涉及一种用于加压电渣重熔过程中利用气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系。

背景技术

高氮马氏体不锈钢是指氮含量大于0.08％的马氏体不锈钢。氮在马氏体不锈钢中以间隙原子形式存在，它与其它元素形成氮化物分布于晶界上，提高硬化能力，防止高温回火时奥氏体、铁素体晶粒的长大，因而对马氏体不锈钢的强度有很大的影响。随着间隙氮原子含量的增加，马氏体不锈钢的强度随之提高。与此同时，氮元素的加入对提高马氏体不锈钢的耐蚀性有一定的作用。由于具有优异的综合性能，高氮马氏体不锈钢可应用于滚动轴承、刀具以及发动机等领域。

高氮马氏体不锈钢的传统冶炼方法主要有添加氮化合金法和复合电极法，但其生产成本均较高，硅含量容易超标，且氮的均匀性较差。随着科学技术水平的不断发展，利用加压电渣重熔技术通过气相渗氮的方式冶炼高氮马氏体不锈钢逐渐成为工业化生产高氮马氏体不锈钢的重要手段，特别适合于大规模冶炼氮含量高于0.1％的高氮马氏体不锈钢。气相渗氮法利用气相中的氮实现合金化，可降低氮化合金的加入量，从而显著降低生产成本。

氮容是表征渣系容纳氮的能力，高氮容的渣系有利于气相渗氮。加压电渣重熔的渣系组成显著影响其氮容，在加压电渣重熔过程中对气相渗氮的效果具有重要作用。由于氮在体心立方的马氏体不锈钢中溶解度很低，因而在加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的过程中，必须使用高氮容的渣系。然而，目前现有的加压电渣重熔渣系的氮容均较低，严重影响了加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢的渗氮效果。因此，亟需开发一种能够有效提升渗氮效率的加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢的高氮容渣系。

发明内容

本发明提供了一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系，通过优化渣系中CaO/Al₂O₃的比值以及CaF₂、MgO和SiO₂等关键组元的含量，提高渣系氮容，增强氮在熔渣中的渗透效果，从而促进了加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢过程中气相渗氮的进行。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的化学成分质量百分比为：CaF₂：63～68％，CaO：19～23％，Al₂O₃：10～15％，MgO：1～3％，SiO₂：0.5～1.0％，余量为不可避免杂质，杂质含量不大于1％；其中CaO/Al₂O₃为1.27～2.30。

上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的熔化温度为1230～1320℃。

上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系在1500℃的黏度为0.021～0.029Pa·s。

上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系在1500℃的电阻率为0.244～0.298Ω·cm。

上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系在1500℃的氮容C_N为(0.994～1.402)×10^-13。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的制备方法如下。

(1)配料

采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，按以下重量百分比配制：CaF₂：63～68％，CaO：19～23％，Al₂O₃：10～15％，MgO：1～3％，SiO₂：0.5～1.0％，其余为杂质，杂质含量不超过1％；其中，CaO/Al₂O₃为1.27～2.30。

(2)预熔

将原料均匀混合，在三相化渣炉中预熔并搅拌30分钟以上，化渣温度控制在1550～1580℃，将熔渣倒于钢槽内冷却凝固至室温。

(3)破碎

将凝固渣多级破碎至粒度为0～10mm，从而制备出高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的使用方法如下。

(1)将前面所述的高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系在600～800℃条件下烘烤5～7h。

(2)将与所冶炼高氮马氏体不锈钢相同材质的引弧环和0.45±0.05kg引弧屑放到自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，并将烘烤后的预熔渣加入到加压电渣炉结晶器内。

(3)密闭加压电渣炉熔炼室，在氮气保护下进行固态起弧造渣。

(4)造渣完成后，逐渐提高加压电渣炉熔炼室内的氮气压力，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力，并提高电流和电压，进行低熔速加压电渣重熔气相渗氮熔炼。

(5)加压电渣重熔补缩结束后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低冷却水压力至常压，待钢锭完全冷却后，脱出，制备出高氮马氏体不锈钢钢锭。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的氮容C_N定义式为：

$C_N=\left(\%N\right)\·P_{O_2}^{3/4}/P_{N_2}^{1/2}.$

其中，C_N是氮容；(％N)是熔渣与氮气达到平衡时熔渣中的氮含量；是氧分压；是氮分压。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系，其特征在于采用高氮容渣系。在1500℃下，渣系氮容的计算公式如下所述：

logC_N＝7.442Λ-19.05。

式中：Λ＝(Σx_An_AΔ_A+x_Bn_BΔ_B+....)/(Σx_An_A+x_Bn_B+....)；x_i为渣系A～N种组元中第i组元的摩尔分数；n_i为渣系A～N种组元中第i组元的摩尔数；Δ_i为渣系A～N种组元中第i组元的光学碱度；i＝A～N；C_N为渣系的氮容。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系与传统电渣重熔渣系的氮容计算结果如表1所示。由于氮在体心立方的马氏体不锈钢中溶解度很低，因此，与高氮奥氏体不锈钢相比，高氮马氏体不锈钢需要更高氮容的渣系。而从表1中可以看出，本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的氮容可达到(0.994～1.402)×10^-13，显著高于传统渣系，因而有利于加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢过程中气相渗氮的顺利进行。

表1本发明渣系与传统电渣重熔渣系的氮容对比，wt.％

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系，其特征在于将渣中CaO含量控制在19～23％，有助于增大渣系氮容；将Al₂O₃含量控制在10～15％，即令CaO/Al₂O₃在1.27～2.30之间，同时将CaF₂含量控制在63～68％，从而有利于进一步促进渣系溶氮。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系，其特征在于将渣中SiO₂的范围控制在0.5～1.0％。由于低熔速加压电渣重熔易造成电渣锭表面缺陷，因而当渣中不添加或者添加极少量的SiO₂时，有可能导致渣的黏度在冷却过程中发生突变，从而降低电渣锭的表面质量；而当渣中含有较高含量的SiO₂时，又容易造成钢中易氧化元素烧损、渣系氮容降低、渗氮效果恶化等问题，进而影响高氮马氏体不锈钢电渣锭的质量。因此，SiO₂的成分范围控制在0.5～1.0％为宜。

本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系，通过优化渣系中CaO/Al₂O₃的比值以及CaF₂、MgO和SiO₂等关键组元的含量，显著增加了加压电渣重熔渣系的氮容，提高了加压电渣重熔高氮马氏体不锈钢过程中的气相渗氮效率，从而冶炼出氮含量较高的高品质高氮马氏体不锈钢。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的化学成分质量百分比为：CaF₂：63.4％，A1₂O₃：14％，CaO：20％，MgO：1％，SiO₂：1％，其余为杂质。该渣系的熔化温度为1250℃；在1500℃温度下，该渣系的电阻率为0.276Ω·cm，黏度为0.027Pa·s，氮容为1.059×10^-13。

该渣系的制备方法为：

(1)采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，按上述重量百分比配制。

(2)将各原料均匀混合，在三相化渣炉中预熔并搅拌均匀，熔炼电流为1500A，电压为35V，冶炼时间40分钟，化渣温度为1570℃；将熔渣倒于钢槽内冷却凝固至室温。

(3)将冷却后的熔渣破碎至粒度为0～10mm，而后采用真空包装，即得电渣重熔预熔渣。

采用上述预熔渣加压电渣重熔200kg的30Cr15MoN0.1钢，其目标氮含量为0.1～0.15％。自耗电极母材由氩气保护的真空感应熔炼获得，并锻造成直径Φ＝130mm的自耗电极，其成分如下。

该渣系的使用方法如下。

(1)将高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系在700℃条件下烘烤6h。

(2)将与30Cr15MoN0.1钢相同材质的引弧环和0.44kg引弧屑放到自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，并将烘烤后的预熔渣加入到直径D为220mm结晶器内，渣量为8kg。

(3)密闭加压电渣炉熔炼室，在氮气保护下进行固态起弧造渣。化渣电压为38V，化渣电流为2400A，化渣时间为20分钟，完成造渣。

(4)造渣完成后，逐渐提高熔炼室内的氮气压力至2.1MPa，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力至2.1MPa，在电压42V、电流3500A下冶炼，熔速为84kg/h。同时利用步进式加料机匀速加入总重110g的硅钙合金进行脱氧。

(5)加压电渣重熔补缩结束后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低冷却水压力至常压，待钢锭完全冷却后，脱出钢锭。

加压电渣重熔30Cr15MoN0.1钢成分如下。

冶炼结束后对不同部位的氮含量进行分析，结果如下表所示。

取样位置	钢锭上部	钢锭中部	钢锭下部	最大偏差	平均值
						氮含量(wt.％)	0.113	0.111	0.111	0.002	0.112

从上表可以看到，此例所得到的电渣锭达到目标钢种30Cr15MoN0.1的氮含量要求，氮沿锭身分布均匀。同时，电渣锭表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷。

实施例2

本实施例的加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮马氏体不锈钢的渣系的化学成分质量百分比为：CaF₂：65.3％，A1₂O₃：10％，CaO：22％，MgO：1％，SiO₂：1％，其余为杂质。该渣系的熔化温度为1240℃；在1500℃温度下，该渣系的电阻率为0.249Ω·cm，黏度为0.025Pa·s，氮容为1.332×10^-13。

该渣系的制备方法为：

(1)采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，按上述重量百分比配制。

(2)将各原料均匀混合，在三相化渣炉中预熔并搅拌均匀，熔炼电流为1500A，电压为35V，冶炼时间35分钟，化渣温度为1550℃；将熔渣倒于钢槽内冷却凝固至室温。

(3)将冷却后的熔渣破碎至粒度为0～10mm，而后采用真空包装，即得电渣重熔预熔渣。

采用上述预熔渣加压电渣重熔200kg的50Cr18MoVN0.2钢(目标氮含量为0.2～0.3％)。自耗电极母材由氩气保护的真空感应熔炼获得，并锻造成直径Φ＝130mm的自耗电极，其成分如下。

该渣系的使用方法为：

(1)将高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系在800℃条件下烘烤7h。

(2)将与50Cr18MoVN0.2钢相同材质的引弧环和0.45kg引弧屑放到自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，并将烘烤后的预熔渣加入到直径D为220mm结晶器内，渣量为8.5kg。

(3)密闭加压电渣炉熔炼室，在氮气保护下进行固态起弧造渣。化渣电压为36V，化渣电流为2200A，化渣时间为24分钟，完成造渣。

(4)造渣完成后，逐渐提高熔炼室内的氮气压力至3.2MPa，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力至3.2MPa，在电压40V、电流3400A下冶炼，熔速为76kg/h。同时利用步进式加料机匀速加入总重110g的硅钙合金进行脱氧。

(5)加压电渣重熔补缩结束后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低冷却水压力至常压，待钢锭完全冷却后，脱出钢锭。

加压电渣重熔50Cr18MoVN0.2钢成分如下。

成分	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	N	P	S	Fe
												含量(wt.％)	0.59	0.52	0.31	17.13	1.00	0.18	0.44	0.23	0.0081	0.0030	余量

冶炼结束后对不同部位的氮含量进行分析，结果如下表所示。

从上表可以看到，此例所得到的电渣锭达到目标钢种50Cr18MoVN0.2的氮含量要求，氮沿锭身分布均匀。同时，电渣锭表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷。

Claims (4)

1.一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系，其特征在于该渣系的成分按重量百分比为CaF₂：63～68％，CaO：19～23％，Al₂O₃：10～15％，MgO：1～3％，SiO₂：0.5～1.0％，余量为不可避免杂质，杂质含量不大于1％；其中，CaO/Al₂O₃为1.27～2.30；渣系的熔化温度为1230～1320℃。

2.根据权利要求1所述的一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系，其特征在于渣系在1500℃下：其黏度为0.021～0.029Pa·s，电阻率为0.244～0.298Ω·cm，氮容C_N为(0.994～1.402)×10^-13；在1500℃下，渣系氮容的计算公式如下所述：

log C_N＝7.442Λ-19.05，

式中：Λ＝(Σx_An_AΔ_A+x_Bn_BΔ_B+....)/(Σx_An_A+x_Bn_B+....)；x_i为渣系A～N种组元中第i组元的摩尔分数；n_i为渣系A～N种组元中第i组元的摩尔数；Δ_i为渣系A～N种组元中第i组元的光学碱度；i＝A～N；C_N为渣系的氮容。

3.一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)配料：采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，按以下重量百分比配制：CaF₂：63～68％，CaO：19～23％，Al₂O₃：10～15％，MgO：1～3％，SiO₂：0.5～1.0％，其余为杂质，杂质含量不超过1％；其中，CaO/Al₂O₃为1.27～2.30；

(2)预熔：将原料均匀混合，在三相化渣炉中预熔并搅拌30分钟以上，化渣温度控制在1550～1580℃，将熔渣倒于钢槽内冷却凝固至室温；

(3)破碎：将凝固渣多级破碎至粒度为不超过10mm，从而制备出高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系。

4.一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮马氏体不锈钢的渣系的使用方法，其特征在于所述使用方法包括：

(1)将如权利要求1所述的高氮马氏体不锈钢加压电渣重熔用渣系在600～800℃条件下烘烤5～7h；

(2)将与所制备高氮马氏体不锈钢相同材质的引弧环和0.45±0.05kg引弧屑放到自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，并将烘烤后的预熔渣加入到加压电渣炉结晶器内；

(3)密闭加压电渣炉熔炼室，在氮气保护下进行固态起弧造渣；

(4)造渣完成后，逐渐提高加压电渣炉熔炼室内的氮气压力，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力，并提高电流和电压，进行低熔速加压电渣重熔气相渗氮熔炼，制备出高氮马氏体不锈钢钢锭。