CN106048139A - 18CrNiMo7‑6钢的吹氮合金化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了18CrNiMo7‑6钢的吹氮合金化方法，包括如下步骤：冶炼，在LF炉中控制钢液中除氮元素以外的成分符合18CrNiMo7‑6钢的要求范围，并通过精炼将硫含量降低至0.005％以下；在VD炉内真空处理；真空处理完毕后，VD炉内钢液中氮含量为0.0050～0.0070％，在钢液温度1600～1610℃条件下底吹氮气进行吹氮合金化，吹氮压力为0.2～0.6MPa，氮气增氮系数为3.0～3.3×10‑8％/L/t，将钢液中氮含量控制在0.0090～0.0180％；吹氮完毕后钢包底吹氩气充分搅拌。本发明将氮含量精确控制在18CrNiMo7‑6钢的要求范围内，并显著提高了氮含量控制精度。

Description

18CrNiMo7-6钢的吹氮合金化方法
技术领域
本发明涉及冶金行业合金结构钢的冶炼技术，具体涉及18CrNiMo7-6钢的吹氮合金化方法。
背景技术
18CrNiMo7-6钢是一种制造风电和工业渗碳齿轮用钢，主要成分的质量百分数为：
[C]0.10％～0.25％-[Si]0.00％～0.40％-[Mn]0.50％～0.70％-[P]0.000％～0.015％-[S]0.000％～0.010％-[Cr]1.50％～1.80％-[Ni]1.40％～1.70％-[Mo]0.25～0.35％-[Al]0.020％～0.050％-[N]0.0090～0.0180％。
该18CrNiMo7-6钢的常规生产工艺流程为：炼钢厂EAF(电炉)+LF炉(钢包炉)+VD炉(真空脱气炉)→下注3.7t或5.9t、或13.5t锭→冷送快锻(或快径锻联合作业)成材(13.5t可温送)→锻材热装扩氢退火→超声波探伤→表面研磨精整→成品检验→合格入库。
18CrNiMo7-6钢的常规氮合金化的生产方法为：VD炉真空处理完毕后向钢液中加入氮化铬合金(NCr)，该氮合金化方法存在如下问题：
(1)导致钢中夹杂物增加污染钢液；
(2)向钢液中带入水分引起氢含量增加，导致材料白点缺陷，因此，氮化铬合金必须经过充分烘烤；
(3)氮化铬合金中主元素含量为氮9％、铬65％，加入钢液的氮元素收得率为30％。向钢液中加入必须考虑到增加铬含量和氮元素收得率。
另外，现有VD真空处理完毕后向钢液中加入氮化铬合金的方法，由于氮化铬合金价格昂贵(氮化铬铁每吨1万多元)，合金化时氮的收得率较低，钢中氮含量不易控制，另外氮化铬合金一般杂质含量较高，污染钢液，不利于18CrNiMo7-6钢的冶金质量控制和成本控制。
中国专利CN201110364283.4公开了18CrNiMo7-6大型齿轮钢锻件制造方法，其氮合金化的方法采用解除真空后加NCr，NCr必须充分烘烤，不考虑炉中N按0.007％计算加入。
利用资源丰富且廉价的氮气作原料，通过向钢液吹氮进行合金化，可大幅度降低钢的生产成本。但现有吹氮合金化方法存在氮含量控制精度不高的缺陷。中国专利CN200810034823.0公开了一种钢包炉用氮气进行氮合金化工艺，该工艺是在LF炉(钢包炉)冶炼含氮不锈钢过程中，对LF炉底吹氮气进行微合金化处理，其钢中氮含量范围为0.03～0.80％，可控制氮含量在目标值±50ppm。但该工艺控制氮含量明显高于18CrNiMo7-6钢中氮含量要求，且由于钢液中合金元素的含量与氮的活动相互作用系数[％j]影响氮在钢液中溶解度，所以由于钢种成分不同，氮在相应钢种中的溶解度不同。因此，按照现有吹氮工艺无法精确控制18CrNiMo7-6钢中氮含量。
发明内容
本发明的目的在于提供18CrNiMo7-6钢的吹氮合金化方法，该方法将钢液中氮含量精确控制在0.0090～0.0180％范围内，并提高氮含量控制精度，适用于18CrNiMo7-6钢冶炼。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明所述18CrNiMo7-6钢的吹氮合金化方法，包括如下步骤：
1)冶炼，在LF炉(钢包炉)中控制钢液中除氮元素以外的成分符合18CrNiMo7-6钢的要求范围，并通过LF炉精炼将硫含量降低至0.005％以下；
2)在VD炉(真空脱气炉)内进行真空处理，并结合钢包底吹氩气进行真空脱气；
3)真空处理完毕后，VD炉内钢液中氮含量为0.0050～0.0070％，在钢液温度1600～1610℃条件下底吹氮气进行吹氮合金化，吹氮压力为0.2～0.6MPa，氮气增氮系数为3.0～3.3×10-8％/L/t，将钢液中氮含量控制在0.0090～0.0180％；
4)吹氮完毕后VD炉底吹氩气充分搅拌。
进一步，步骤2)中，VD炉内真空处理条件为在真空度≤66.7Pa保持15～20min。
步骤4)VD炉底吹氩气充分搅拌后取样分析，如果氮含量未达到目标值，则重复步骤3)进行补吹氮气。
本发明在精炼过程中将硫含量降低至0.005％以下，以提高后续吹氮合金化的氮向钢液的溶解速度。因为氮在钢液表面的吸附反应速度除受温度等影响外，钢液成分特别是氧和硫等表面活性物质对其的影响很大，例如，氮在钢液中同硫的吸附反应式：N+S＝NS，式中S、NS分别为钢液表面未被吸附物硫(S)占据的活性点和氮(N)占据的活性点。当钢液中硫含量较低时，钢液表面未被吸附物占据的活性点S很少，氮同硫的吸附反应则大幅度降低，则氮可由气相直接向钢液进行传质，提高了氮的溶解速度。例如，当钢液中硫从0.025％降至0.002％时，氮的溶解速度可增加2.7倍。
本发明在控制钢液温度为1600～1610℃，吹氮压力为0.2～0.6MPa条件下，根据钢液中各元素与氮元素的活度相互作用系数，按18CrNiMo7-6钢的成分计算出氮在钢液中溶解度可达到0.0226～0.0376％，大于18CrNiMo7-6钢的标准氮含量要求。所以，本发明通过控制钢液温度和吹氮压力可提高VD炉中向钢液吹氮合金化的增氮效率。
根据18CrNiMo7-6钢的生产经验和实际吹氮合金化的氮元素收得率，本发明控制氮气增氮系数为3.0～3.3×10-8％/L/t，可以将18CrNiMo7-6钢氮含量控制在要求范围内即0.0090～0.0180％，并提高氮含量的控制精度。
注：本发明涉及的各元素含量均指质量百分数。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用氮气(N2)替代氮化铬合金(NCr)，在生产18CrNiMo7-6钢过程中，于VD炉真空处理完毕后底吹氮气进行氮合金化，在VD炉内将氮含量控制在18CrNiMo7-6钢的技术要求范围之内即N：0.0090～0.0180％，大大提高了控制精度，从而显著提高钢水质量，大幅降低生产成本。
(2)本发明实际生产表明：18CrNiMo7-6钢吹氮合金化的作用相当明显，生产出18CrNiMo7-6钢的氮含量符合要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例采用本发明的冶炼工艺和探伤结果
本发明实施例的冶炼工艺包括如下步骤：
1)40吨LF炉(钢包炉)对钢液的温度和化学成分进行调整，使钢液中除氢、氮元素以外的化学元素成份符合18CrNiMo7-6钢要求范围。通过LF炉精炼将硫含量降低至0.005％以下，以提高后续吹氮合金化的氮向钢液的溶解速度。
2)40吨VD炉(真空脱气炉)真空处理，于真空度66.7Pa以下保持15～20分钟，结合钢包底吹氩气进行真空脱气。
3)40吨VD炉真空处理完毕后，在钢液温度1600～1610℃下钢包底吹氮气进行吹氮合金化，将氮含量控制在18CrNiMo7-6钢技术要求范围内([N]0.0090～0.0180％)。
4)吹氮完毕后钢包底吹氩气充分搅拌后取样分析。
具体工艺要求如下：
1、LF炉工艺要求
a)LF炉脱氧工作做好，造白渣，造渣脱氧使用SiFe粉、C粉；
b)成份按目标成份调整和控制；
c)LF炉向VD炉吊包前[S]含量至0.000～0.005％；
d)向VD炉吊包温度：1670～1685℃；
e)喂Al至0.055～0.065％。
2、VD炉工艺要求
a)进泵时间3～8min，真空度66.7Pa以下保持时间15～20min；
b)真空处理过程中钢包底吹氩气；
c)退泵后测温1600～1610℃，钢包底吹切换氮气，向钢液进行吹氮合金化，按要求成分控制；
d)吹氮处理前钢液氮含量0.0060％；
e)吹氮完毕后钢包底吹氩气搅拌5分钟后测温取样分析。
f)底吹氩弱搅拌时间10～20分钟；
g)吊包温度：1565～1575℃。
3、进行模铸浇铸成钢锭，浇铸时使用氩气保护浇注。
本发明实施例1-5的加入N2量及成品中氮含量等参数参见表1。
表1
注：本发明采用中华人民共和国国家标准“钢铁中的氮含量测定-惰性气体熔融热导法”，标准号GB/T201224-2006，根据上述标准中的规定测定18CrNiMo7-6钢中的氮元素含量。
由表1可知，本发明在VD炉内可将钢液中N含量精确控制在18CrNiMo7-6钢要求范围之内即N：0.0090～0.0180％，提高了控制精度，从而显著提高钢水质量，大幅降低生产成本。
对比例在18CrNiMo7-6钢的原冶炼工艺和探伤结果：
原冶炼工艺包括如下步骤：
1)40吨LF炉(钢包炉)对钢液的温度和化学成分进行调整，使钢液中除铝、氢、氮元素以外的化学元素成份符合18CrNiMo7-6钢技术要求范围。
2)40吨VD炉(真空脱气炉)真空处理完毕后，向钢液中加入氮化铬合金，取样分析。
3)根据试样分析的氮含量，向钢液中加入氮化铬合金，将氮含量控制在技术要求范围之内([N]0.0090～0.0180％)。
具体工艺要求如下：
1、LF炉工艺要求
a)LF炉脱氧工作做好，造白渣，造渣脱氧使用用SiFe粉、C粉；
b)成分按目标成份调整和控制；
c)LF炉向VD炉吊包前[S]至0.000～0.008％；
d)向VD炉吊包温度：1670～1685℃；
e)喂Al至0.055～0.065％。
2、VD炉工艺要求
a)进泵时间力争3～8min，真空度66.7Pa以下保持时间15～20min；
b)钢包底吹氩气压力控制0.2～0.6MPa；
c)退泵后测温取样，根据分析结果向钢液加入氮化铬，按要求成分控制；
d)加入合金后5分钟取样分析，底吹氩弱搅拌时间必须10～20分钟；
e)吊包温度：1565～1575℃。
3、进行模铸浇铸成钢锭，浇铸时使用氩气保护浇注。
对比例1-6的加入氮化铬量及成品中氮含量等参数参见表2。
表2
宝钢特钢有限公司采用本发明方法生产18CrNiMo7-6钢，总计生产60炉，每炉为40吨。按加入氮气4500升/炉，氮化铬合金30公斤/炉，氮化铬合金价格15190元/吨，氮气价格0.42元/立方米计算，与采用氮化铬合金进行氮合金化的传统工艺比较，本发明共计节约成本9.1027万元，大大降低了生产成本，且吹氮合金化的作用相当明显，18CrNiMo7-6钢质量良好。

Claims (3)

1.18CrNiMo7-6钢的吹氮合金化方法，包括如下步骤：
1)冶炼，在LF炉中控制钢液中除氮元素以外的成分符合18CrNiMo7-6钢的要求范围，并通过LF炉精炼将硫含量降低至0.005％以下；
2)在VD炉内进行真空处理，并结合钢包底吹氩气进行真空脱气；
3)真空处理完毕后，VD炉内钢液中氮含量为0.0050～0.0070％，在钢液温度1600～1610℃条件下底吹氮气进行吹氮合金化，吹氮压力为0.2～0.6MPa，氮气增氮系数为3.0～3.3×10-8％/L/t，将钢液中氮含量控制在0.0090～0.0180％；
4)吹氮完毕后VD炉底吹氩气充分搅拌。
2.如权利要求1所述的吹氮合金化方法，其特征在于，步骤2)中，VD炉内真空处理条件为在真空度≤66.7Pa保持15～20min。
3.如权利要求1所述的吹氮合金化方法，其特征在于，步骤4)VD炉底吹氩气充分搅拌后取样分析，如果氮含量未达到目标值，则重复步骤3)进行补吹氮气。
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