CN112481447A - 一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，属于高氮钢铁冶金应用技术领域。其在初炼中用焦炭粉制造泡沫渣，采用留钢留渣的方式出钢；对流入钢包精炼炉的钢液进行造渣脱氧、脱硫、脱除杂物处理后得到炉渣，同时向钢包精炼炉中加入多种中间合金，在此过程中根据钢液脱氧和炉渣脱氧是否良好，来决定是否加入少量的Al块；将精炼后的钢液放入VD真空炉中进行真空处理，在真空度≤67Pa的状态下，吹入氩气；真空度＞98Pa时将氩气更换成氮气对钢液进行软吹搅拌；将得到的过饱和高氮钢液的温度控制在1525～1535℃时，浇注在电极棒磨具中，然后冷却红送；锻造加工成过饱和高氮不锈钢电极棒。

Description

一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺

技术领域

本发明属于高氮钢铁冶金应用技术领域，尤其涉及一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺。

背景技术

随着对含氮不锈钢的研究越来越深入，人类对于氮对不锈钢产生积极的影响有了越来越清晰的认识，高氮钢在力学及腐蚀性能方面远优于无氮钢。目前,高氮钢的研究主要集中于奥氏体钢或铁素体和马氏体钢；另外，氮对珠光体钢和双相钢等钢种均有益。氮作为钢中一种重要的合金元素有广泛的发展前景,高氮钢的研究及其应用日益受到重视。面对全球二氧化碳减排的环境规制的实行、油价的上升,汽车工业要求发动机高效化、车体轻量化以进一步提高汽车的燃烧效率,对高强度、耐热性能好的钢有强烈需求,高氮钢在汽车行业的应用具有很好的前景。为了充分发挥氮合金化能使钢的强度提高、耐腐蚀性增强的优点,各种新的高氮钢的冶炼工艺也不断被研究和开发。

现有30Cr15MoN电极棒的冶炼工艺，30Cr15MoN高氮钢是一种加压氮化、高耐腐蚀性（是1.4125奥氏体不锈钢的3倍）的马氏体冷处理钢，其拥有杰出的韧性（在洛氏硬度56-57时冲击韧性可达150j/cm2,是1.4125奥氏体不锈钢的3倍），硬度可达60洛氏硬度。通过PESR（加压电渣重熔）与一种精密锻造技术或轧制技术的结合，在精细和均匀的组织构成情况下，能达到一个高的组织纯度。此外， 30Cr15MoN拥有一个直到500摄氏度的高耐退火性。由于这一杰出的性状的结合，材料本身被用于航天和航空领域的主轴轴承和球轴承以及普通机器制造领域。这一材料的性能已被国内外用户反复验证。

其主要化学成分如下：

表1

但是，由于高氮钢是材料中的实际氮含量超过了在常压下（0.1MPa）制备材料，所能达到的极限值的钢。在常压下进行该材料的冶炼制备，是不能满足高氮钢的氮含量的要求。只是尽可能的为PESR加压电渣炉创造良好原始氮含量。但考虑到由于后续加压电渣炉的增氮方式的要求，加压电渣炉增氮设备的限制，且由于如后序加压电渣炉通过MnN和CrN进行增氮的话，由于MnN和CrN合金本身的氮含量低，且熔点高，存在增氮量有限，增氮不均匀、造成（异）金属夹杂等缺陷，影响钢的纯净度。后续加压电渣炉只能采取Si3N4合金的方式进行增氮操作，但使用Si3N4合金进行增氮的话，不可避免的会造成Si含量的增加，从而对金属自耗电极中Si提出了更严格的要求。经计算，因后续涨硅，金属自耗电极Si要求≤0.20%。但由于硅含量低，势必会造成钢液的脱氧不良。进而影响其金属自耗电极的氧含量达不到要求。

但同时，为了进一步提高自耗电极的氮含量，满足后续电渣重熔对氮含量的要求。要采取合理的措施进行增氮。在控制硅、氧的情况下，进行增氮。不然，势必会造成，氮虽增涨上去了，但硅、氧不合格。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，通过合理匹配冶炼工艺参数，可将钢中氮含量升高至0.4～0.6％，且溶氮稳定、均匀；并同时满足Si≤0.20%，0≤0.0015%。

本发明解决上述问题本发明采用了以下技术方案：

一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，包括以下步骤：

S1、初炼：将待处理的钢材放入电弧炉中进行熔化，得到熔融态的钢液，在钢液中喷入焦炭粉使钢液顶部产生泡沫渣，采用留钢留渣的方式出钢，及时将泡沫渣流出，并在钢液中补加石灰，以降低出渣时钢液中的磷含量，将磷含量降低到≤0.010%；并且在出钢的同时使用碳粉进行预脱氧；

S2、精炼：初炼得到的钢液流入钢包精炼炉中，同时向所述钢包精炼炉中加入低碳铬铁、锰铁中间合金、钼中间合金，进行造渣脱氧、脱硫、脱除杂物得到炉渣；在此过程中根据炉渣颜色和钢液颜色的变化来判断钢液脱氧和炉渣脱氧是否良好，当钢液脱氧较好时，使用脱氧粉进行喷粉脱氧；当钢液脱氧和炉渣脱氧较差时，在使用脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧；

S3、真空脱气：将上述步骤精炼后得到的钢液进入VD工序，放入VD真空炉中的钢液进行真空处理，在真空度≤67Pa的状态下，对所述钢液持续吹入氩气；当VD真空炉真空度＞98Pa时进行测温、定氢取随炉样、定氧，同时将氩气更换成氮气对所述钢液进行软吹搅拌；

S4 浇注：经上述步骤处理后得到过饱和高氮钢液，将过饱和高氮钢液的温度控制在1525～1535℃时，浇注在电极棒磨具中，然后冷却红送；锻造加工成过饱和高氮不锈钢电极棒。

进一步的，所述步骤S1中泡沫渣的高度控制在550 mm～650mm。

优选的，所述步骤S1中留钢量为总出钢量的10%～15%。

优选的，所述步骤S2中的喷粉脱氧是指从所述精炼炉的底部向所述钢液中吹氩气，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并将脱氧粉对顶渣的钢液进行扩散脱氧。

优选的，所述特制的脱氧粉主要由电石粉、碳粉组成。

优选的，所述步骤S3中在真空度≤67Pa的状态下维持时间为15 min -20min。

优选的，所述步骤S3中的搅拌是指分别在炉内和炉外进行吹氮软搅拌。

优选的，所述步骤S3中氩气压力为0.2MPa，氮气压力为0.4MPa。

优选的，所述步骤S4中在浇注及冷却全过程中进行氮气全封闭保护。

备注：（1）、步骤S1中的电弧炉采用EBT型电弧炉。EBT（Eentrie Bottom Tapping）：偏心炉底出钢电炉。

（2）、步骤S2中的钢包精炼炉，简称LF（Ladle Refining Furnace）钢包炉，多采用埋弧精炼操作。其特点主要有：将初炼炉内熔炼的钢水送入钢包，再将电极插入钢包钢水上部炉渣内并产生电弧，加入合成渣，形成高碱度白渣，用氩气搅拌，使钢包内保持强还原性气氛，进行所谓埋弧精炼。

（3）、步骤S3中VD(Vacuum Degasser)是一种应用广泛的真空精练设备，具有很好的去气和脱氧效果，能有效地减少钢中氢氮含量，通过碳、氧反应去除钢中的氧，通过碱性顶渣与钢水的充分反应脱硫，此外还具有均匀成分和温度的功能。

（4）、本技术方案S2步骤中，LF的看渣技巧：

碱性渣随着炉渣氧化性的高低而呈现不同的颜色，所以渣色是炉渣与钢液脱氧程度的标志。炉渣氧化性强时，炉渣呈黑色，随着炉渣氧化性的减弱即渣的还原，颜色也逐渐变浅，由黑色→灰色→褐色→黄色→浅黄色→白色（此时FeO+MnO一般不大于1%）。

A、黑色:FeO+MnO>2%。说明炉渣脱氧不良，需要进一步脱除渣中的氧，在使用脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧。

B、灰色到褐色:FeO+MnO=1～2%。说明炉渣脱氧不良，此时进一步脱除渣中的氧时，在使用脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧。

C、黄色到白色:这种渣子还原得较好，说明炉渣脱氧较好，但是钢液的脱氧是否良好要根据白渣的好坏进行判断。评定白渣好坏首先要注意渣色，不仅要看炉渣白的程度，而且要看白渣的保持时间。白渣颜色稳定或白色稍带一点灰色，而保持时间长，说明钢液脱氧良好，使用脱氧粉进行喷粉脱氧。渣色反复变化，表明炉渣脱氧不良，此时需加入一定量脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用电石粉为主脱氧剂结合喷粉及真空脱氧来代替全部或大部分Al进行脱氧，这不仅做到了有效脱氧，还减少了氧化铝的大量差生，由于氧化铝会影响钢的韧性，同时在本发明中还避免了氮化铝的产生，众所周知氮化铝会沿晶界析出引起锻造横向裂纹，大大降低钢的抗疲劳性，影响使用寿命，所以制得的过饱和高氮电极棒具有抗疲劳性能搞、使用寿命长、韧性高的特点。

2、、本发明通过高氮不锈钢真空脱气后采用吹氮搅拌工艺增氮的方法，不仅增氮稳定且保证氮含量达到规定要求，同时还保证了氧含量不明显增加，继而制得的电极棒的力学性能和耐腐蚀性能大大增加。。

3、本发明通过采用碳预脱氧、扩散脱氧、喷粉脱氧、真空脱氧来降低氧含量，且在保证脱氧效果的同时减少了铝的使用，并有效减少了钢液中的硅含量，使其满足后续点电渣重熔要求，并减少了氧化铝和氮化铝的产生，有效降低铝的危害，提高了钢的抗疲劳性能。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

对比例1

包括以下步骤：

S1.初炼：将钢材放入EBT型电弧炉，待钢材熔化后加入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，及时流渣并补加石灰，以降低出渣时的磷含量，将磷降低到≤0.010%，采用留钢留渣方式出钢。

S2.精炼：在精炼炉中造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内加入低碳铬铁、锰铁中间合金、钼中间合金，期间不断加入铝块；向钢包中吹氩气，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用电石粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，然后进入VD工序。

S3.真空脱气：在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在真空度≤67Pa后保持≥15min，在真空过程中吹入氮气清洗及强化钢液；当罐侧真空度＞98Pa时进行测温、定氢取随炉样、定氧；同时用氮气进行软吹搅拌。

S4.浇铸：当钢液温度在1525～1535℃时开始进行浇铸，然后冷却红送；锻造加工成电极棒。

该对比例1实施后，所得数据如下表2：

表2

结论：只有氧含量符合要求。Si、N均不符合要求。根据对比例1进行分析，造成Si不合格原因是合金化中的Cr含有Si，由于该钢种含Cr高（14.5～16.0%）加入Cr铁数量大，并且用Al进行脱氧，不可避免的也会还原渣中的Si02，变成Si进入钢液中，特别是经过真空工序后，进行了强化脱氧，硅还会进一步增加。造成此硅含量严重超出要求。并造成N含量不合格的原因是虽真空进行了氮气替代氩气进行真空搅拌，但真空过程，本身就是一个真空脱气的过程，氮含量随着真空过程中真空度提高而不断减少。

对比例2

在对比例1的基础上，针对上述问题和结果进行了技术调整，进行了对比例2，包括以下步骤：

S1初炼：将钢材放入EBT型电弧炉，待钢材熔化后加入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，及时流渣并补加石灰，以降低出渣时的磷含量，将磷降低到≤0.010%，采用留钢留渣方式出钢。，在出钢过程中，用碳粉进行预脱氧，以减少精炼过程中用Al量，减少渣中Si02当中Si还原进入到钢液中。

S2精炼：在精炼炉中造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内加入低碳铬铁、锰铁中间合金、钼中间合金，期间根据渣况，减少Al块的加入量甚至不用Al脱氧；并用特制的脱氧粉进行喷粉脱氧，代替或减少Al脱氧。向钢包中吹氩气，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用电石粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，然后进入VD工序。并在此工序中，预留1%的Cr含量，在真空后，在返回到进行二次精炼钢液，用CrN进行二次精炼钢液增氮。

S3.真空脱气：在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在真空度≤67Pa后保持仅15min，避免长时间过度真空，减少氮在真空过程中的损失。在真空过程中吹入氩气清洗及强化钢液；当罐侧真空度＞98Pa时进行测温、返回LF进行二次精炼。

S4 二次精炼：二次精炼过程中，用CrN进行合金化增氮，并使Cr达到成分范围。后温度达到浇铸温度，取随炉气体样。

S5 浇注：当钢液温度在1525～1535℃时开始进行浇铸，然后冷却红送；锻造加工成电极棒。

对比例2实施后，所得数据如下表3：

表3

结论：根据对比例2的结果的出，只有氧含量不符合要求。根据对比例2分析，造成氧含量不符合要求的原因是真空后进行了二次精炼，未进行真空处理。在二次精炼过程中，造成了氧含量的增加。

本发明具体实施例

根据对比例1和对比例2的问题和结果做出技术调整，

一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，包括以下步骤：

S1、初炼：将待处理的钢材放入电弧炉中进行熔化，得到熔融态的钢液，在钢液中喷入焦炭粉使钢液顶部产生泡沫渣，采用留钢留渣的方式出钢，及时将泡沫渣流出，并在钢液中补加石灰，以降低出渣时钢液中的磷含量，将磷含量降低到≤0.010%；并且在出钢的同时使用碳粉进行预脱氧；

S2、精炼：初炼得到的钢液流入钢包精炼炉中，同时向所述钢包精炼炉中加入低碳铬铁、锰铁中间合金、钼中间合金，进行造渣脱氧、脱硫、脱除杂物得到炉渣；在此过程中根据炉渣颜色和钢液颜色的变化来判断钢液脱氧和炉渣脱氧是否良好，当钢液脱氧较好时，使用脱氧粉进行喷粉脱氧；当钢液脱氧和炉渣脱氧较差时，在使用脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧；

S3、真空脱气：将上述步骤精炼后得到的钢液进入VD工序，放入VD真空炉中的钢液进行真空处理，在真空度≤67Pa的状态下，对所述钢液持续吹入氩气；当VD真空炉真空度＞98Pa时进行测温、定氢取随炉样、定氧，同时将氩气更换成氮气对所述钢液进行软吹搅拌；

S4 浇注：经上述步骤处理后得到过饱和高氮钢液，将过饱和高氮钢液的温度控制在1525～1535℃时，浇注在电极棒磨具中，然后冷却红送；锻造加工成过饱和高氮不锈钢电极棒。

其中，所述步骤S1中泡沫渣的高度控制在550mm～650mm。

其中，所述步骤S1中留钢量为总出钢量的10%～15%。

其中，所述步骤S2中的喷粉脱氧是指从所述精炼炉的底部向所述钢液中吹氩气，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并将特制的脱氧粉对顶渣的钢液进行扩散脱氧。

其中，所述特制的脱氧粉主要由电石粉、碳粉组成。

其中，所述步骤S3中在真空度≤67Pa的状态下维持时间为15 min -20min。

其中，所述步骤S3中的搅拌是指分别在罐内和罐外进行吹氮软搅拌增氮。

其中，所述步骤S3中氩气压力为0.2MPa，氮气压力为0.4MPa。为了增大搅拌强度，进行增氮操作。

其中，所述步骤S4中在浇注及冷却全过程中进行氮气全封闭保护。为了进一步增加浇注过程中的吸氮过程。

本发明具体实施例实施后，所得数据如下表4：

表4

现有技术中，冶炼过程多采用铝脱氧，会产生大量氧化铝，影响钢的韧性，对于高氮钢，还会产生氮化铝，而氮化铝会沿晶界析出引起锻造横向裂纹，大大降低钢的抗疲劳性，影响使用寿命。并且该钢种对硅含量有限制，过多使用会造成硅含量超标。本发明首先采用出钢过程碳预脱氧、精炼扩散脱氧、和特制喷粉脱氧、真空脱氧结合强化脱氧效果，将氧含量降至12ppm以下，减少或甚至不用Al，使用量大大减少，有效减少氧化铝和氮化铝的产生，降低铝的危害，进一步提高钢的抗疲劳性能。并通过真空后吹氮，即有效对钢液进行了增氮，又保证氧含量符合要求。

综上可得，按本发明一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，在满足对自耗电极硅含量、氧含量的基础上，体现出良好的溶氮效果。

社会效益与经济效益：

按本发明生产的高氮钢，再经过加压电渣重熔及锻造或轧制成材，经国家权威机构检测，全面达到目前国际最先进的同类产品质量水平，可全面替代进口，为国家填补了相关产品的空白；并预防了国外封锁的风险。目前我们的有效年产量为2000吨，高氮不锈钢的进口价格为20多万/吨，这就相当于我们每年为国家节省3亿元人民币的外汇，社会效益和经济效益都非常可观。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初炼：将待处理的钢材放入电弧炉中进行熔化，得到熔融态的钢液，在钢液中喷入焦炭粉使钢液顶部产生泡沫渣，采用留钢留渣的方式出钢，及时将泡沫渣流出，并在钢液中补加石灰，以降低出渣时钢液中的磷含量，将磷含量降低到≤0.010%；并且在出钢的同时使用碳粉进行预脱氧；

S2、精炼：初炼得到的钢液流入钢包精炼炉中，同时向所述钢包精炼炉中加入低碳铬铁、锰铁中间合金、钼中间合金，进行造渣脱氧、脱硫、脱除杂物得到炉渣；在此过程中根据炉渣颜色和钢液颜色的变化来判断钢液脱氧和炉渣脱氧是否良好，当钢液脱氧较好时，使用脱氧粉进行喷粉脱氧；当钢液脱氧和炉渣脱氧较差时，在使用脱氧粉进行喷粉脱氧的同时还加入相应少量的Al进行脱氧；

S3、真空脱气：将上述步骤精炼后得到的钢液进入VD工序，放入VD真空炉中的钢液进行真空处理，在真空度≤67Pa的状态下，对所述钢液持续吹入氩气；当VD真空炉真空度＞98Pa时进行测温、定氢取随炉样、定氧，同时将氩气更换成氮气对所述钢液进行软吹搅拌；

S4 浇注：经上述步骤处理后得到过饱和高氮钢液，将过饱和高氮钢液的温度控制在1525～1535℃时，浇注在电极棒磨具中，然后冷却红送；锻造加工成过饱和高氮不锈钢电极棒。

2.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S1中泡沫渣的高度控制在550 mm～650mm。

3.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S1中留钢量为总出钢量的10%～15%。

4.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S2中的喷粉脱氧是指从所述精炼炉的底部向所述钢液中吹氩气，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并将脱氧粉对顶渣的钢液进行扩散脱氧。

5.根据权利要求5所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述特制的脱氧粉主要由电石粉、碳粉组成。

6.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S3中在真空度≤67Pa的状态下维持时间为15 min -20min。

7.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S3中的搅拌是指分别在炉内和炉外进行吹氮软搅拌。

8.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S3中氩气压力为0.2MPa，氮气压力为0.4MPa。

9.根据权利要求1所述的一种过饱和高氮不锈钢电极棒冶炼工艺，其特征在于：所述步骤S4中在浇注及冷却全过程中进行氮气全封闭保护。