CN111910117A

CN111910117A - 一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法

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Publication number: CN111910117A
Application number: CN202010680048.7A
Authority: CN
Inventors: 丁国旺
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Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-07-15
Also published as: CN111910117B

Abstract

本发明公开了一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，选用氮化铁合金作为加氮中间合金，碳化合金和高碳合金钢作为加碳中间合金，所有原材料粒度或口径为20～60mm；在常压下使用中频感应炉熔炼，按比例均匀分散装料、加料，控制加料速度和熔炼温度，本发明熔炼工艺减少了锰、碳等烧损与氧化，减少了氮的溢出。工业化熔炼浇铸出高氮不锈钢钢坯，奥氏体不锈钢氮含量可超过1wt％，马氏体不锈钢氮含量可达0.4wt％，碳氮强化耐热钢碳氮总含量可达1.1wt％，本发明。

Description

一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法。

背景技术

利用氮合金化熔炼不锈钢能以氮代镍,不但降低原材料成本，还能开发出高强度、高塑性、高耐腐蚀综合性能显著提升的新钢种。技术和市场价值重大。熔炼高浓度氮合金化不锈钢(以下简称高氮钢)面临的问题之一是氮难以加入、难以达到高浓度，熔体中溢出氮气，甚至导致钢液喷溅。

采用加压熔炼，设备及工艺复杂，熔炼成本高。通过吹氮气或氨气合金化常压熔炼难以达到高浓度且控制复杂；利用吹气再加入氮化铁合金增加氮含量合金化工艺，同样面临控制不便、氮气溢出的问题。

ZL200810050792.8专利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。CN 103146875 B提出了常压下将氮化锰加入Fe-Cr熔体冶炼高氮钢的方法。CN103436768 B专利提出了分别制备高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体，再将Fe-Cr-Mn熔体缓慢兑入高氮合金熔体的方法。CN 103451508 B专利提出了分别制备高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体后再将高氮合金熔体限流兑入Fe-Cr-Mn熔体的方法。CN 103451509 B专利提出了先熔炼高氮合金熔体再向高氮合金熔体中添加基础钢材的方法。201910439322.9专利申请提出了在炉底装入金属锰、铬铁、氮化铬铁直接熔炼Fe-Cr-Mn高氮熔体从而制备高氮钢的方法。这些工艺方案使高氮钢常压下熔炼成为可能。

然而，向Fe-Mn熔体加入高氮铬铁仍然有大量的氮逸出，控制困难，氮含量不稳定，钢锭杂质较多，成分不均匀，后续扩散固溶处理与热成型加工比较复杂。向Fe-Cr熔体加入氮化锰过程中大量锰被氧化，导致氮逸出，难以获得高浓度氮合金化高氮钢。分别熔炼高氮合金熔体和Fe-Cr-Mn熔体缓慢兑入，钢液兑入操作不便，难以控制，钢液氧化导致氮的溢出；熔炼高氮合金熔体，直接加入基础钢材，基础钢材熔化过程中，熔体氮浓度浓度差别大，也导致氮的溢出；集中将金属锰和氮化铬铁装入炉底，直接熔炼Fe-Cr-Mn高氮合金熔体，锰大量被氧化，也会导致大量氮气溢出。

试验研究表明，向Fe-Mn熔体、Fe-Cr熔体或Fe-Cr-Mn熔体加入固态氮化铬合金、氮化锰合金或基础钢材，熔炼过程中氮大量逸出，主要原因是：氮浓度比较高的氮化铁合金熔化，大量氮在固液界面快速被释放，熔体不能及时吸收，导致大量氮逸出为氮气，甚至导致钢液喷溅。另外，碳铁合金或增碳剂中碳在高温下氧化导致气体溢出，金属锰大量氧化，都会导致使熔体中氮的溢出。从而难以得到理想的高氮含量，熔炼过程难以控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术不足，现提出一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，步骤如下，

步骤1：选用原材料并处理，使其粒度或口径为20～60mm；

步骤2：将原材料总重量的30～50％按比例装炉；

步骤3：加热熔炼，控制熔炼温度，温度范围为1450℃～1550℃，并按比例加入剩余原材料；

步骤4：待原材料完全熔化后，均匀搅拌5～20min，然后快速提高钢液温度至1550℃～1650℃后出炉浇注。

进一步而言，步骤1中，所述原材料包括加氮中间合金、加碳中间合金以及工业纯铁、微碳铬铁、金属锰块、镍板、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、稀土合金中的一种或多种。

其一，熔炼铬锰系奥氏体高氮不锈钢和碳氮强化耐热钢，选用高氮铬铁(N＝8wt％,Cr＝60wt％)、氮化铬铁(N＝4wt％,Cr＝60wt％)、氮化锰(N＝8wt％，Mn＝90％)作为加氮中间合金，选用高碳铬铁(C＝8wt％,Cr＝60wt％)、高碳合金钢作为加碳中间合金，根据合金成分，选用工业纯铁、微碳铬铁、金属锰块、镍板、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、稀土合金等其他原材料。原材料氮含量配比为1～1.5wt％，高氮铬铁和氮化铬铁任意比例选用，氮化锰重量为高氮铬铁与氮化铬铁合计重量的15～85％，氮化锰重量为金属锰块的30～95％。

其二，熔炼高氮马氏体不锈钢，选用高氮铬铁(N＝8wt％,Cr＝60wt％)、氮化铬铁(N＝4wt％,Cr＝60wt％)、氮化钼铁(N＝8wt％,Mo＝60wt％)、氮化钒铁(N＝10wt％,V＝50wt％)作为加氮中间合金，选用高碳铬铁(C＝8wt％,Cr＝60wt％)、高碳合金钢作为加碳中间合金，根据合金成分，选用工业纯铁、微碳铬铁、镍板、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、稀土合金等其他原材料。原材料氮含量配比为0.4～0.8wt％，氮化钼铁与钼铁、氮化钒铁与钒铁的重量配比1:1，高氮铬铁和氮化铬铁任意比例选用。

进一步而言，加氮中间合金选用高氮铬铁、氮化铬铁、氮化锰、氮化钼铁、氮化钒铁中的一种或多种。

进一步而言，加碳中间合金选用高碳铬铁、高碳合金钢中的一种或多种。

进一步而言，步骤2中，所述原材料对应所熔炼的高强不锈钢按比例分散装料。此处，铬合金、钨合金、钼合金、钒合金、铌合金等熔点较高的原材料50～80％均匀装在感应炉中部高温区，微碳铬铁装在贴近炉壁的地方，锰合金的50～80％装在底部低温区。

进一步而言，步骤3中，所述原材料的加料速度，以一吨炉计算，每10分钟加料在100KG以内。

另外，此处上述冶炼过程中按照常规炼钢操作工艺进行脱S、脱P、脱O、造渣、除渣。

(三)有益效果

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明提到的一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其中的碳、氮合金化熔炼工艺避免了集中熔化氮化铁合金导致熔体来不及吸收氮而导致氮的溢出，避免了熔炼操作控制不便而导致合金熔体浓度差别大、锰、碳等大量氧化而导致氮的溢出、甚至钢液喷溅。

按照所熔炼的高强度不锈钢的合金成分，选用多种氮化铁合金，选择或处理原材料，使得所有原材料的粒度或口径为20～60mm，按比例均匀分散装料、加料，增加原材料的接触面积，有利于碳、氮的平稳熔合与吸收，减少氮的溢出。利用感应炉加热特征控制合金化过程，将铬合金、钼合金、钨合金、钒合金、铌合金等50～80％均匀装在中部高温区，将微碳铬铁装在贴近炉壁的地方，锰合金50～80％装在感应炉底部低温区，使得有利于氮吸收的铁合金先行熔化，提高合金熔体的吸收氮的能力，同时减少锰的氧化，从而有利于氮的吸收，减少氮的溢出。利用高碳铬铁和高碳合金钢作为加碳中间合金，均匀分散装料、加料，控制碳的合金化速度，减少碳的烧损，减少氮的溢出。控制加料速度，以一吨炉计算，每10分钟投料总量不超过100KG，控制熔体温度1450℃～1550℃，控制碳、氮合金化的速度，提高氮、碳的吸收率，避免碳的氧化和氮的大量溢出。从而实现常压下熔炼浇铸出高浓度碳、氮合金化高强度不锈钢。

工业化熔炼实践表明，铬锰系奥氏体高强度不锈钢氮含量可超过1％、碳氮强化耐热钢碳氮总量可达1.1％、马氏体不锈钢氮含量可达0.4％。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此处，工业化熔炼试验在一台8吨中频感应炉或一台2吨中频感应炉上进行，所用原材料有：高氮铬铁(N＝8wt％,Cr＝60wt％)、氮化铬铁(N＝4wt％,Cr＝60wt％)、氮化锰(N＝8wt％，Mn＝90％)、金属锰块(C≤0.08％)、氮化钼铁(N＝8wt％,Mo＝60wt％)、氮化钒铁(N＝10wt％,V＝50wt％)、工业纯铁(C≤0.05％，φ30)、GCr15轴承钢棒(C＝1wt％,Cr＝1.5wt％,φ50)、微碳铬铁(C≤0.05％,Cr＝60wt％)、高碳铬铁(C＝8wt％,Cr＝60wt％)、钼铁(C≤0.1％,Mo＝60wt％)，钨铁(C≤0.2％,W＝75wt％)、铌铁(C≤0.1％,Nb＝65wt％)、钒铁(C≤0.4wt％,V＝50wt％)、镍板(Ni≥99％)等，所有原材料粒度或口径在20～60mm。

实施例1

熔炼铬锰系高氮奥氏体不锈钢，试验钢成分为：C≤0.08wt％，Cr＝18～20wt％，Mn＝18～20wt％，N＝0.7～1.0wt％。

熔炼步骤：

1)试验在8吨中频感应炉上进行，原材料总重量8200KG。

2)所用原材料为高氮铬铁574KG、微碳铬铁2025KG、氮化锰574KG、金属锰块1040KG、工业纯铁3987KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将3000KG原材料按比例装入感应炉，微碳铬铁、高氮铬铁的70％装在感应炉中部高温区，微碳铬铁贴近炉壁，氮化锰和金属锰块70％装在炉底部低温区，原材料均匀分散。

4)启炉加热，炉中原材料熔化后，按比例均匀分散加入剩下的原材料，控制加料速度为每10分钟总量为800KG以内。控制熔体温度范围为1450℃～1550℃。

5)熔炼中按照炼钢常规工艺进行脱S、脱P、脱O、造渣、除渣。炉中原材料完全熔化后，均匀搅拌5～20min，然后快速提高钢液温度至1550℃～1650℃后出炉浇注。

经检测，该试验钢主要成分为C＝0.04wt％,N＝0.91％，Cr＝18.8wt％,Mn＝18.6wt％

实施例2

熔炼铬锰系加钼高氮奥氏体不锈钢，试验钢成分为：C≤0.08wt％，Cr＝20～22wt％，Mn＝22～24wt％，Mo＝0.5～1.5wt％，N＝0.8～1.1wt％。

熔炼步骤：

1)试验在8吨中频感应炉上进行，原材料总重量8200KG。

2)所用原材料为氮化铬铁1296KG、微碳铬铁1640KG、氮化锰820KG、金属锰块1148KG、钼铁137KG、工业纯铁3159KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将3000KG原材料按比例装入感应炉，微碳铬铁、高氮铬铁、钼铁的70％装在感应炉中部高温区，微碳铬铁贴近炉壁，氮化锰和金属锰块70％装在炉底部低温区，原材料均匀分散。

经检测，该试验钢主要成分为C＝0.05wt％,N＝1.05wt％，Cr＝21.2wt％,Mn＝22.6wt％,Mo＝1.01wt％。

实施例3

熔炼铬锰系加镍、加钼高氮奥氏体不锈钢，试验钢成分为：C≤0.08wt％，Cr＝20～22wt％，Mn＝17～20wt％，Mo＝0.5～1.5wt％，Ni＝1.5～3wt％，N＝0.7～1.0wt％。

熔炼步骤：

1)试验在8吨中频感应炉上进行，原材料总重量8200KG。

2)所用原材料为高氮铬铁510KG、氮化铬铁510KG、微碳铬铁1918KG、氮化锰740KG、金属锰块810KG、钼铁137KG、镍板205KG、工业纯铁3370KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将3000KG原材料按比例装入感应炉，微碳铬铁、高氮铬铁、氮化铬铁、钼铁的70％装在感应炉炉中部高温区，微碳铬铁贴近炉壁，氮化锰和金属锰块70％装在炉底部低温区，原材料均匀分散。

经检测，该试验钢主要成分为C＝0.06wt％，N＝0.98wt％，Cr＝21.3wt％，Mn＝17.7wt％，Ni＝2.5wt％，Mo＝1.01wt％。

实施例4

熔炼碳氮强化耐热不锈钢无镍降碳型，试验钢成分为：C＝0.16～0.25wt％，N＝0.7～1.0wt％，Cr＝20～23wt％，Mn＝9～11wt％,，Mo＝0.75～1.5wt％，V＝0.75～1.5wt％，Nb＝0.75～1.5wt％。

熔炼步骤：

1)试验在2吨中频感应炉上进行，原材料总重量2050KG。

2)所用原材料为高碳铬铁53KG、氮化铬铁315KG、微碳铬铁366KG、氮化锰100KG、金属锰块115KG、钼铁34KG、铌铁31.5KG、钒铁41KG、工业纯铁994.5KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将750KG原材料按比例装入感应炉，微碳铬铁、高碳铬铁、高氮铬铁、氮化铬铁、钼铁、铌铁、钒铁的70％装在感应炉中部高温区，微碳铬铁贴近炉壁，氮化锰和金属锰块70％装在炉底部低温区，原材料均匀分散。

4)启炉加热，炉中原材料熔化后，按比例均匀分散加入剩下的原材料，控制加料速度为每10分钟总量为200KG以内。控制熔体温度范围为1450℃～1550℃。

经检测，该试验钢的主要成分为C＝0.22wt％，N＝0.83wt％，Cr＝21.2wt％，Mn＝9.8wt％，Mo＝0.99wt％，V＝1.06wt％，Nb＝0.97wt％。

实施例5

熔炼碳氮强化耐热钢无镍控碳型，试验钢成分为：C≤0.14wt％，N＝0.8～1.1wt％，Cr＝20～23wt％，Mn＝9～11wt％,，Mo＝0.75～1.5wt％，V＝0.75～1.5wt％，Nb＝0.75～1.5wt％，W＝0.75～1.5wt％。

熔炼步骤：

1)试验在2吨中频感应炉上进行，原材料总重量2050KG。

2)所用原材料为高氮铬铁105KG、氮化铬铁308KG、微碳铬铁321KG、氮化锰100KG、金属锰块115KG、钼铁34KG、铌铁31.5KG、钒铁41KG、钨铁27KG、工业纯铁967.5KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将750KG原材料按比例装入感应炉，微碳铬铁、高氮铬铁、氮化铬铁、钨铁、钼铁、铌铁、钒铁的70％装在感应炉炉中部高温区，微碳铬铁贴近炉壁，氮化锰和金属锰块70％装在炉底部低温区，原材料均匀分散。

4)启炉加热，炉中原材料熔化后，按比例均匀加入剩下的原材料，控制加料速度为每10分钟总量为200KG以内。控制熔体温度范围为1450℃～1550℃。

经检测，该试验钢的主要成分为C＝0.07wt％，N＝1.02wt％，Cr＝21.3wt％，Mn＝9.7wt％,Mo＝1.02wt％，V＝1.01wt％，Nb＝0.98wt％

实施例6

熔炼高氮马氏体不锈钢，试验钢成分为：C＝0.36～0.45wt％，N＝0.16～0.4wt％，Cr＝15～17wt％，Mo＝1.6～2.5wt％，V＝0.35～0.65wt％。

熔炼步骤：

1)试验在2吨中频感应炉上进行，原材料总重量2050KG。

2)所用原材料为GCr15棒材820KG、氮化铬铁200KG、微碳铬铁326KG、氮化钒铁10KG、钒铁10KG、氮化钼铁34KG、钼铁34KG、工业纯铁616KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将750KG原材料按比例装入感应炉。将微碳铬铁70％装在感应炉中部高温区，并贴近炉壁，原材料均匀分散。

经检测，该试验钢的主要成分为C＝0.41％，N＝0.29wt％，Cr＝15.9wt％，,Mo＝1.98wt％，V＝0.48wt％

实施例7

熔炼高氮马氏体不锈钢高钼型：试验钢目标成分为：C＝0.16～0.25wt％，N＝0.26～0.4wt％，Cr＝14～16wt％，Mo＝2.6～3.5wt％，V＝0.36～0.65wt％，Nb＝0.36～0.65wt％，配料总重量为2050KG

熔炼步骤：

1)试验在2吨中频感应炉上进行，原材料总重量2050KG。

2)所用原材料为GCr15棒材410KG、高氮铬铁100KG、微碳铬铁412KG、氮化钒铁10KG，钒铁10KG、氮化钼铁51KG、钼铁51KG、铌铁16KG、工业纯铁990KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

3)将原材料750KG按比例均匀装入感应炉；将微碳铬铁70％装在感应炉中部高温区，并贴近炉壁，原材料均匀分散。

经检测，该试验钢的主要成分为C＝0.21％，N＝0.36wt％，Cr＝15.1wt％，,Mo＝2.9wt％，V＝0.48wt％，Nb＝0.5wt％

实施例8

熔炼高氮马氏体不锈钢控碳加镍型，验钢目标成分为：C≤0.15wt％，N＝0.16～0.4wt％，Cr＝16～18wt％，Ni＝1.6～2.5wt％,，Mo＝0.75～1.5wt％。

熔炼步骤：

1)试验在2吨中频感应炉上进行，原材料总重量2050KG。

2)所用原材料为高氮铬铁80KG、氮化铬铁80KG、微碳铬铁430KG、镍板41KG、氮化钼铁17KG、钼铁17KG、工业纯铁1385KG。所有原材料粒度或口径为20～60mm。

经检测，该试验钢的主要成分为C＝0.08wt％，N＝0.39wt％，Cr＝17.1wt％，Ni＝1.98wt％Mo＝0.97wt％。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：步骤如下，

步骤1：选用原材料并处理，使其粒度或口径为20～60mm；

步骤2：将原材料总重量的30～50％按比例装炉；

2.根据权利要求1所述的熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：步骤1中，所述原材料包括加氮中间合金、加碳中间合金以及工业纯铁、微碳铬铁、金属锰块、镍板、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、稀土合金中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：所述加氮中间合金选用高氮铬铁、氮化铬铁、氮化锰、氮化钼铁、氮化钒铁中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：所述加碳中间合金选用高碳铬铁、高碳合金钢中的一种或多种。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：步骤2中，所述原材料对应所熔炼的高强不锈钢按比例分散装料。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的熔炼高强度不锈钢的碳、氮合金化的方法，其特征在于：步骤3中，所述原材料的加料速度，以一吨炉计算，每10分钟加料在100KG以内。