CN110093582A - 一种在负压条件下气相渗氮冶炼cost-fb2钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在负压条件下气相渗氮冶炼COST‑FB2钢的方法,先在高真空度条件下进行碳深脱氧,待钢液表面稳定气泡不再涌出时,脱氧完成。然后加入促进氮溶解的合金元素并完全熔化后,开始气相渗氮。气相渗氮时用热力学计算软件Factsage计算气相渗氮时的渗氮压力,精确控制钢液温度,由钢液的表面积、钢液体积和氮平衡含量推算确定渗氮时间。在气相渗氮快要结束时,加入合金元素硼和易挥发的锰,再利用充氩加压至高压力、保持氮分压不变的条件下进行加压浇铸,在凝固过程中保持带压状态,完全凝固后破真空,制得N含量在0.015~0.03%,O含量≤0.0035%,成分均匀、组织致密的COST‑FB2钢铸锭。
Description
技术领域
本发明涉及金属冶炼领域,具体涉及一种在负压条件下气相渗氮冶 炼COST-FB2钢的方法。
背景技术
COST-FB2钢是欧洲COST(CO-operation in Science and Technology) 项目组开发的一种可用于625℃/32MPa超超临界条件下的汽轮机转子用 钢。该钢种主要通过析出强化、固溶强化和晶界强化等方式提高其高温 强度,其中在钢中添加0.01%左右的B显著提高了其高温蠕变性能,延 长其高温服役寿命,显著提高了火力发电机组的发电效率,能够使目前 我国平均发电效率由45%提高至49.7%,二氧化碳等温室气体的排放减少 10%左右。而中国作为煤电大国,火力发电量占比长期维持在70%左右, 而在可预见的未来这种煤电是主要发电方式的现状仍将维持。因此,大 力发展超超临界火力发电机组是目前我国淘汰落后发电机组,实现节能 减排目标和减少温室气体排放等的重要途径。
COST-FB2钢,所含各成分的目标含量为:C:0.12%~0.15%, Mn:0.32%~0.42%,Cr:9.0%~9.6%,Mo:1.4%~1.6%,Co:1.15%~1.45%, Ni:0.10%~0.25%,V:0.18%~0.22%,Nb:0.04%~0.07%,Si:0~0.1%, Al:0~0.01%(Al含量越低越好),B:0.008%~0.011%,N:0.015%~0.03%, O:0~0.0035%(O含量越低越好),余量为Fe。
COST-FB2钢主要析出强化相是MX相和M23C6相。N作为MX相的 主要组成元素,要求其目标含量到0.015%~0.03%。B作为一种主要的高 温蠕变强化元素,要求其含量到0.008%~0.011%。两种元素含量的控制范 围非常窄且含量低,强化效果明显,但B易和N形成BN夹杂,使主要 强化元素B和N减少且大尺寸BN颗粒影响转子的综合力学性能和探伤性能。因此,在冶炼生产COST-FB2钢时,N含量需严格控制。但由于 可控制的范围非常窄且含量低,即使超微量的偏差都会带来完全不同的 后果,因而在实际冶炼工艺中精确控制的难度很大。
目前,在进行N的合金化时,通常有氮化合金渗氮和气相渗氮两种 方式。其中采用氮化合金渗氮时不仅会引入其它非必需元素和杂质而且 还会使生产成本提高等,而采用氮气气相渗氮,则能够避免上述缺点, 因此在冶炼COST-FB2时宜采用气相渗氮工艺。
在采用气相渗氮时,渗氮压力、渗氮时间以及渗氮时钢液表面活化 元素含量和主要合金元素含量等均会影响钢液的渗氮量。
COST-FB2钢作为火力发电机组的核心部件,其冶金质量决定其综合 性能,要求其具有较高的洁净度和组织均匀性和致密性。因此,在冶炼 过程中需严格控制铸锭中O、S含量,而O、S作为钢液表面的活化元素, 会抑制气相向钢液渗氮。在气相渗氮前,需将钢液中的O、S等降低至较 低值。由于COST-FB2钢大气条件下的氮容量较高,在1550℃可达0.08%,因此宜在负压条件下进行气相渗氮。但目前,还没有一种行之有效的气 相渗氮冶炼工艺方法,能够精确控制COST-FB2负压条件下冶炼时的氮 含量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题,本发明提供一种在负压条件下气相 渗氮冶炼COST-FB2钢的方法,可以精确有效控制COST-FB2钢在负压 条件下的N和O含量,使铸锭中的N和O含量准确控制在目标范围内。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
一种在负压条件下气相渗氮冶炼COST-FB2钢的方法,所述方法包 括如下步骤:
S1配料:称量低氧低硫纯铁、金属铬、金属钼、金属钴、电解锰、 工业硅、金属钒、石墨碳、金属镍、金属铌和硼铁,使前述各原料重量 按照COST-FB2钢所含铁、铬、钼、钴、锰、硅、钒、镍、铌、硼 的目标含量配料,其中石墨碳的成分按照COST-FB2钢所含碳的目标含 量上调1%~5%配料;
S2:熔炼及碳脱氧:将低氧低硫纯铁、金属铬、金属钼、金属钴、金 属镍和一部分石墨碳随炉加热升温熔清后得到钢液;保持钢液温度为 1550~1600℃,向所述钢液中加入另一部分石墨碳进行脱氧,抽真空保持 真空度3-6Pa进行碳脱氧,直至钢液面平静,脱氧完成;
S3:合金化及气相渗氮:脱氧完成后先向钢液中加入硅熔化后,再加 入促进N溶解的合金元素铌和钒,待钒和铌熔化后开始气相渗氮,气相 渗氮的条件为:渗氮压力为1280~6000Pa、钢液温度保持在1550-1600℃, 在低氧低硫条件下,气相渗氮是一级反应,渗氮时间按照下述公式计算:
其中:[N]t为t时刻钢液中的氮含量;t为时间,s;F为钢液的表面 积,mm2;V为钢液体积,mm3;[N]eq为气相渗氮时的平衡氮含量;kr为一定温度下界面处化学反应速率常数,mm/s;
在气相渗氮后期加入硼铁,在气相渗氮快要结束时,加入锰,待硼 铁和锰合金化后,准备浇铸;
S4:带压浇铸:在正式浇铸开始前充入高纯氩气将气压提高到10kPa 以上、保持氮分压在1280-6000Pa条件下浇铸和带压凝固,钢液完全凝固 后,破真空、取出铸锭。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S2中,熔炼使用的炉体或坩埚材 质为镁铝尖晶石。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S2中,碳脱氧时真空度为4-5Pa。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S2中,碳脱氧时钢液温度保持在 1550℃;步骤S3中,气相渗氮时钢液温度保持在1550℃。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S3中,气相渗氮快要结束是指距 离气相渗氮设定的时间终止前2~5min。
优选地,步骤S3中,加入硼铁的时间点是指气相渗氮时间已进行大 半的某一时刻。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S4中,充入高纯氩气升压的时间 点是指距离气相渗氮设定的时间终止前0.5-3min,以将气压提高到10kPa 以上且保持氮分压不变;气相渗氮设定的时间终止后进行加压浇铸。
作为本发明一个较佳实施例,步骤S3中,渗氮压力的计算方式为使 用热力学计算软件Factsage计算高温下COST-FB2钢的氮分压与平衡氮 含量之间关系,从而确定目标氮含量下对应的氮分压,结合在气相渗氮 前加入促进N溶解的合金元素铌、钒和硼,从而将钢铸锭氮含量控制在 目标范围内。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:
本发明的方法主要构思和原理在于:采用低硫低氧冶金原料,在负 压条件下将低氧低硫纯铁和部分冶金原料熔清后,先在高真空度条件下 进行碳深脱氧,待钢液表面稳定气泡不再涌出时,脱氧完成;然后加入 促进氮溶解的合金元素,在促进氮溶解的合金元素合金化后开始进行气 相渗氮。本发明的气相渗氮的条件确定方式为:利用热力学计算软件Factsage计算气相渗氮时的渗氮压力,精确控制钢液温度(高于钢的全液 相温度但不对渗氮产生不利影响的温度),由钢液的表面积、钢液体积 和氮平衡含量(氮平衡含量可由渗氮压力算出)计算确定渗氮时间。在 气相渗氮进行大半时,加入合金元素硼和锰并熔化(锰易挥发,B需要非 常精确控制,不能加入太早),然后利用充氩加压至高压力、保持氮分 压不变的条件下进行加压浇铸,在凝固过程中保持带压状态,完全凝固 后排空,制得N含量在0.015~0.03%,O含量≤0.0035%,成分均匀、组织 致密的COST-FB2钢铸锭。
具体地,分析本发明的各个步骤技术特征的技术效果如下:
其中,步骤S1中,采用低氧低硫纯铁作为冶金原料,减少因O对N 的溶解的不利影响、有利于得到氧含量低、夹杂物含量低COST-FB2钢 铸锭;石墨碳的成分按照COST-FB2钢所含碳的目标含量上调1%~5%配 料,是考虑到后面需要进行碳深脱氧,碳脱氧实际是与钢液中的O生成 Co从钢液表面逸出而消耗掉一部分。
其中,步骤S2中,在熔炼过程中先将低氧低硫纯铁、金属铬、金属 钼、金属钴、金属镍随炉加热熔清,一方面是金属铬、金属钼、金属钴、 金属镍比较稳定不易被氧化,另一方面是铬、钼等元素对气相渗氮有促 进作用,而钴、镍对气相渗氮并无负面影响。
其中,步骤S2中,在碳脱氧时在负压下,有利于脱氧更高效更彻底。 碳脱氧,主要是钢液中的C与钢液中的O生成CO并逸出的过程,根据 钢液中元素在1550℃时对C、O的相互作用系数得到:当钢液中O含量 为COST-FB2钢中目标含量上限值时,对应的碳脱氧反应平衡真空度为 6.16Pa,因此碳脱氧过程优选是在负压条件下进行,综合考虑熔炼炉或熔 炼坩埚的材质在高真空度环境下发生分解产氧的问题、确定脱氧时的负 压为3-6Pa。脱氧时,加入到钢液中的碳,主要与氧生成CO起脱氧作用。
其中,步骤S3中,脱氧完成后先加硅熔化后,再加入对N溶解度有 促进效果的合金元素铌和钒,有助于气相渗氮时提高渗氮效率。而渗氮 压力的计算,是根据热力学计算软件Factsage计算得到,为了控制钢液 中N含量在0.015%~0.03%,渗氮压力为1280~6000Pa,精确控制钢液温 度1550-1600℃(高于钢的全液相温度但不对渗氮产生不利影响的温度, 温度过高不利于氮溶解),由钢液的表面积、钢液体积和氮平衡含量和t 时刻钢液中氮含量的公式推算渗氮时间,实现精确渗氮。
其中,步骤S3中,在气相渗氮后期向钢液中加入硼铁,然后在气相 渗氮即将结束时,加入合金料锰,能有效保证Mn有较高的得率,能保证 原料Mn的97%可留在COST-FB2钢铸锭中。
其中,步骤S4中,在浇铸及凝固过程中,利用充氩加压至高压并保 持氮分压不变,其作用是防止钢液凝固过程中N溶解度随温度降低而降 低、铸锭内部产生气孔缺陷,故采取加压浇铸和带压凝固。实验结果表 明,浇铸过程中保证气体总压力为10kPa以上,并保持氮分压为渗氮压 力能够避免产生气孔缺陷,获得组织致密的COST-FB2钢铸锭。
附图说明
图1为Factsage计算的氮含量与渗氮压力之间的关系曲线。
图2为Fe-Cr合金中氮在氮分压为1bar下随温度和铬含量的变化关 系曲线。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面结合附图,通过具体实 施方式,对本发明作详细描述。
本发明提供一种在负压条件下气相渗氮冶炼COST-FB2钢的方法, 其具体步骤如下:
(1)配料:使用的原料有:低氧低硫工业纯铁、金属铬、金属钼、 金属钴、电解锰、工业硅、金属钒、石墨碳、金属镍、金属铌和硼铁等。 其中碳的成分按照COST-FB2钢中目标含量的上限上调1%~5%给定,上 调的部分主要用于碳深脱氧。其余合金元素则按照COST-FB2钢中各对 应成分的目标含量配料。
(2)将低氧低硫工业纯铁和金属铬、金属钼、金属钴、金属镍随炉 加入到冶炼炉内,熔清得到钢液,其中石墨碳分成两部分,一部分随炉 加入熔炼,另一部分则在脱氧时加入。
(3)脱氧精炼阶段:碳脱氧,主要是钢液中的C与钢液中的O生成 CO,CO逸出从而达到脱氧的目的,从式(1)-(4)和表1-表2可知, 碳脱氧应在负压条件下进行。
[C]+[O]=CO(g) (1)
ΔGθ=-4100-10.16T (2)
表1:钢液中主要元素在1550℃条件下对C的相互作用系数
表2:钢中主要元素在1550℃对O的相互作用系数
通过计算可知:在1550℃和钢中[O]为0.0035时,碳脱氧反应平衡真 空度为6.16Pa。若要达到COST-FB2钢中O含量为0~0.0035%的目标要 求,则真空度应更高。
但过高的真空度和高温下,冶炼所用的冶炼炉或坩埚等材料会产生 分解,分解后产生氧气,给钢液增加氧含量。为避免这种情况的发生, 需控制真空度不能过低。
以镁铝尖晶石冶炼炉或坩埚例,其分解供氧的物理化学反应过程如 (5)-(7)所示:
MgO·Al2O3=2[Al]+Mg(g)+4[O] (5)
ΔGθ=860524.62-97.545T(J/mol) (6)
钢中主要合金元素对Al的相互作用系数主要为0.091,-0.1, 0.045,-6.6,代入进行计算,得到镁铝尖晶石开始分解的真空度 为2.6Pa。
因此,为了保证碳脱氧的顺利进行同时避免在冶炼过程中供氧,精 炼过程中应保持真空度为3~6Pa;优选为4~5Pa左右。当抽真空至真空度 为5Pa左右时,向钢液中加入剩余的石墨碳进行脱氧,直至钢液表面平 静,碳脱氧完成。
(4)投入其余合金进行合金化:当钢液脱氧完成后,加入硅熔化后, 再加入金属钒、铌,这些合金元素易于氧化、并且钒和铌在钢液中的含 量有促进氮溶解的效果,故优先在脱氧后而气相渗氮之前将钒、铌加入 钢液中。待钒和铌完全熔清后,开始气相渗氮。气相渗氮时,需要严格 和精确控制渗氮压力、钢液温度、渗氮时间等条件参数。
渗氮压力采用热力学计算软件Factsage进行计算,如图1。从图中可 以看出,为了控制钢液中N含量在0.015%~0.03%,则平衡氮压力为 1280~6000Pa。
渗氮时间跟渗氮速率有关,而渗氮速率和钢液的表面积和钢液温度 有关。具体参见图2所示。从图中看出,钢液在熔化状态下,温度对9.0% Cr钢氮的溶解度影响较小(从下往上数第2条至第3条曲线),而在凝 固过程中,温度对氮溶解度影响很大。由热力学计算软件Factsage计算 的COST-FB2钢的全液相温度为1498℃,因此在气相渗氮时钢液温度控 制在1498℃以上,且在1550~1600℃较合适,最优选为1550℃。低于 1550℃并高于1500℃虽然可行,但此时钢液粘度较大,也对气相渗氮不 利;高于1600℃,温度过高对氮溶解也不利。
气相渗氮的渗氮速率还与钢液的表面积有较大影响,换言之,气相 渗氮时钢液的表面积影响了气相渗氮的速率和渗氮时间。通过发明人的 前期实验室研究,在真空感应炉坩埚内径为140mm,内深为300mm冶炼 时,气相渗氮时间为15min时,钢液中氮含量近乎达到平衡值。在低氧 低硫含量条件下,气相渗氮是一级反应,其表达式为:
其中:[N]t为t时刻钢液中的氮含量;t为时间,s;F为钢液的表面 积,mm2;V为钢液体积,mm3;[N]eq为气相渗氮时的平衡氮含量(可由 氮压计算);kr为一定温度下界面处化学反应速率常数,mm/s。kr只与温 度有关,一定温度下,kr为常数。
因此,在实验或实际生产中,可以根据公式(8)计算不同冶炼条件 下的渗氮时间t。在计算不同炉型渗氮时间时,[N]eq会略去,实际上只和 温度和比表面(F/V)有关。
在气相渗氮已进行一大半时,加入合金元素硼铁,在气相渗氮即将 结束时,加入易挥发的锰,在硼铁和锰合金化完成后,准备浇铸。即将 浇铸之前加Mn,是因为Mn具有易挥发性,在浇铸前加入能有效保证 Mn有较高的收得率,可达97%。
(5)带压浇铸:由图2可知,在钢铸锭凝固过程中,氮的溶解度随 温度降低而降低,易产生气孔缺陷。为了防止这种情况发生,本发明采 用带压浇铸。具体地,在浇铸开始前1min开始充入高纯氩气至气体总压 力达到10kPa以上(含10kPa),同时保持氮分压依然在1280~6000Pa之 间。在浇铸结束30min,钢铸锭完全凝固后排空,取出钢铸锭,至此完成COST-FB2钢铸锭的冶炼。根据研究结果,这种方法确实可避免钢铸锭中 产生气孔缺陷。
使用热力学计算软件Factsage计算高温下COST-FB2钢的渗氮压力 与平衡氮含量之间关系,从而确定某一氮含量下对应的渗氮压力P,并结 合合金加入顺序促进钢液渗氮,从而得到某一氮含量的方法。其中,Cr、 Mn、Mo、Nb、V等元素能够使N的溶解度增加;C、Si、O等元素则会 降低N的溶解度;Ni、Co元素对N的溶解度影响不大。因此,在冶炼过 程种,优选地根据这些不同元素对N溶解度的影响、以及各元素自身的 物理化学特性来设计合金加入炉中的顺序。
以下根据具体实施例对本发明的方案及其技术效果进行说明如下。
本发明实施例1-3所用的各冶金原料的主要成分如下表(表3):
实施例1
本实施例采用30kg真空感应炉冶炼目标钢种COST-FB2,其目标成 分如表4。本次冶炼质量为22kg,氮含量控制在0.02%。该炉的极限真空 度为0.01Pa,最高功率为100kW。冶炼过程使用镁铝坩埚,坩埚内径为 140mm,内深为300mm。
表4:FB2钢的成分要求(wt/%)
冶炼步骤如下:
1、根据表4和表3确定每种合金料的质量,并进行称重配料,将所 需的石墨碳平分两份。
2、将上述称重的合金料进行布料,其中铬、镍、钼、钴、工业纯铁 和一半碳,随炉加入,而另外一半碳、硅、钒、铌、硼铁和锰依次放入 料仓中。
3、在熔化过程中将功率缓慢增加至52kW左右并逐级开启三级真空 泵,抽至真空度为0.1Pa左右,保证在熔清过程中的脱氢脱氮和脱氧。在 钢液出现喷溅时,降低真空度(甚至开始冲入氩气进行保护,以防止钢 液喷溅严重),或者降低功率以保证熔化过程的顺行。
4、在钢液完全熔清后,加入另外一半碳,并开始抽真空至真空度为 5Pa左右,时刻观察钢液面状况直至钢液面稳定,则碳脱氧完成。
5、在碳脱氧完成后,依次加入合金料硅,然后加入钒和铌,每次加 入后稳定5min保证熔化完全并分布均匀。
6、在合金化后开始通入氮气进行氮的合金化,渗氮压为2200Pa,在 渗氮压力达到预设值后开始计时,渗氮时间为15min,在渗氮时间为10min 时加入硼铁,在渗氮时间为13min时加入锰,14min时通入氩气至气体总 压力为10kPa。在渗氮时间为15min时进行加压浇铸,浇铸30min后可以 排空取出铸锭。
将所得铸锭进行直读光谱仪ARL 4460和氮氧联合气体分析仪 TC-500检测成分,如表5。
表5:冶炼的FB2钢的典型成分(wt/%)
实施例2
本实施例采用30kg真空感应炉冶炼质量为22kg的目标钢种,氮含 量控制在0.03%,其余成分见表4。根据表4和表3确定需要每种合金料 的质量,并进行称重配料,将所需的石墨碳平分两份。
冶炼步骤如下:
1、将上述称重的合金料进行布料,其中铬、镍、钼、钴、工业纯铁 和一半碳,随炉加入,而另外一半碳、硅、钒、铌、硼铁和锰依次放入 料仓中。
2、在熔化过程中将功率缓慢增加至52kW左右并逐级开启三级真空 泵,抽至真空度为0.1Pa左右,保证在熔清过程中的脱氢脱氮和脱氧。在 钢液出现喷溅时,降低真空度(甚至开始冲入氩气进行保护,以防止钢 液喷溅严重),或者降低功率以保证熔化过程的顺行。
3、在钢液完全熔清后,加入另外一半碳,并开始抽真空至真空度为 5Pa左右(逸出的CO尽快排走),时刻观察钢液面状况直至钢液面稳定, 则碳脱氧完成。
4、在碳脱氧完成后,先加入合金料硅,再加入钒、铌,每次加入后 稳定5min保证熔化完全并分布均匀。
5、在合金化后开始通入氮气进行氮的合金化,渗氮压力为5000Pa, 在渗氮压力达到预设值后开始计时,渗氮时间为15min,在渗氮时间为 10min时加入硼铁,在渗氮时间为13min时加入锰,14min时通入氩气至 气体总压力为10kPa。在渗氮时间为15min时进行加压浇铸,浇铸30min 后可以破真空取出铸锭。
6、将所得铸锭进行直读光谱仪ARL 4460和氮氧联合气体分析仪 TC-500检测成分,如表6。
表6:冶炼的FB2钢的典型成分(wt/%)
实施例3
本实施例采用100kg真空感应炉冶炼质量为76kg的目标钢种,氮含量 控制在0.02%,其余成分见表3。使用的镁铝坩埚内径为210mm,内深为 560mm,公称冶炼质量为85kg,炉子极限真空度为1.2Pa,最高功率为200kW。 根据式(8),渗氮压力为2200Pa,渗氮时间为24min。
冶炼步骤如下:
1、根据表4和表3确定需要每种合金料的质量,并进行称重配料,将 所需的碳平分两份。
2、将上述称重的合金料进行布料,其中铬、镍、钼、钴、工业纯铁和 一半碳,随炉加入,而另外一半碳、硅、钒、铌、硼铁和锰依次放入料仓中。
3、在熔化过程中将功率缓慢增加至130kW左右并逐级开启三级真空泵, 抽至真空度为2Pa左右,以保证在熔清过程中的脱氢脱氮和脱氧。在钢液出 现喷溅时,降低真空度(甚至开始充入氩气进行保护,以防止钢液喷溅严重), 或者降低功率以保证熔化过程的顺行。
4、在钢液完全熔清后,加入另外一半碳,并开始抽真空至真空度为5Pa 左右,时刻观察钢液面状况直至钢液面稳定,则碳脱氧完成。
5、在碳脱氧完成后,依次加入合金料硅(硅易被氧化,故在脱氧后加 硅,但硅不利氮溶解),然后加入钒、铌,每次加入后稳定5min保证熔化完 全并分布均匀。
6、在合金化后开始通入氮气进行氮的合金化,渗氮压力为2200Pa,在 氮压达到预设值后开始计时,渗氮时间为24min,在渗氮时间为15min时加 入硼铁,在渗氮时间为19min时加入锰,22min时开始通入氩气至压力为 10kPa。在渗氮时间为24min时进行加压浇铸,浇铸30min后可以破真空取 出铸锭。
将所得铸锭进行直读光谱仪ARL 4460和氮氧联合气体分析仪TC-500 检测成分,如表7。
表7:冶炼的FB2钢的典型成分(wt/%)
Claims (9)
1.一种在负压条件下气相渗氮冶炼COST-FB2钢的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1配料:称量低氧低硫纯铁、金属铬、金属钼、金属钴、电解锰、工业硅、金属钒、石墨碳、金属镍、金属铌和硼铁,使前述各原料重量按照COST-FB2钢所含铁、铬、钼、钴、锰、硅、钒、镍、铌、硼的目标含量配料,其中石墨碳的成分按照COST-FB2钢所含碳的目标含量上调1%~5%配料;
S2:熔炼及碳脱氧:将低氧低硫纯铁、金属铬、金属钼、金属钴、金属镍和一部分石墨碳随炉加热升温熔清后得到钢液;保持钢液温度为1550~1600℃,向所述钢液中加入另一部分石墨碳进行脱氧,抽真空保持真空度3-6Pa进行碳脱氧,直至钢液面平静,脱氧完成;
S3:合金化及气相渗氮:脱氧完成后先向钢液中加入硅熔化后,再加入促进N溶解的合金元素铌和钒,待钒、铌熔化后开始气相渗氮,气相渗氮的条件为:渗氮压力为1280~6000Pa、钢液温度保持在1550-1600℃,在低氧低硫条件下,气相渗氮是一级反应,渗氮时间按照下述公式计算:
其中:[N]t为t时刻钢液中的氮含量;t为时间,s;F为钢液的表面积,mm2;V为钢液体积,mm3;[N]eq为气相渗氮时的平衡氮含量;kr为一定温度下界面处化学反应速率常数,mm/s;
在气相渗氮后期加入硼铁,在气相渗氮快要结束时,加入锰,待硼铁和锰合金化后,准备浇铸;
S4:带压浇铸:在正式浇铸开始前充入高纯氩气将气压提高到10kPa以上、保持氮分压在1280-6000Pa条件下浇铸和带压凝固,钢液完全凝固后,破真空、取出铸锭。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,熔炼使用的炉体或坩埚材质为镁铝尖晶石。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,碳脱氧时真空度为4-5Pa。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3中,气相渗氮时钢液温度保持在1550℃。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3中,气相渗氮快要结束是指距离气相渗氮设定的时间终止前2~5min。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4中,充入高纯氩气升压的时间点是指距离气相渗氮设定的时间终止前0.5-3min,以将气压提高到10kPa以上且保持氮分压不变;在气相渗氮设定的时间终止后进行加压浇铸。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3中,加入硼铁的时间点是指气相渗氮时间已进行大半的某一时刻。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3中,渗氮压力的计算方式为使用热力学计算软件Factsage计算高温下COST-FB2钢的氮分压与平衡氮含量之间关系,从而确定目标氮含量下对应的氮分压,结合在气相渗氮前加入促进N溶解的合金元素铌、钒和硼,从而将钢铸锭氮含量控制在目标范围内。
9.一种超超临界临界转子用钢COST-FB2,其是采用权利要求1-8任一项方法冶炼得到。
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