CN114000037A - 一种熔炼含氮合金钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属冶炼技术领域，公开了一种熔炼含氮合金钢的方法，包括以下步骤：S1、原料准备；S2、原料进炉；S3、抽真空升温、充氮:对中频炉进行抽真空，并同时进行升温，当炉内温度达到200～1500℃左右时，向炉内充入氮气，并加压；S4、充氮保压加温:继续向炉内充氮保压和升温，将炉内温度提高到1500～1650左右；S5、出炉。本发明通过采用抽真空的同时进行升温，然后充氮的冶炼步骤，并且采用了智能控制系统，使得抽真空、升温和充氮更加精准，解决了合金材料固氮、合金元素晶粒均匀稳定的冶炼技术难关，使得冶炼工艺稳定可靠，可以冶金各种氮含量的合金钢，使得冶炼的合金具有优异的抗腐蚀性能、韧性和强度，且组织均匀细小，成分易于控制。

Description

一种熔炼含氮合金钢的方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，具体是一种熔炼含氮合金钢的方法。

背景技术

20世纪初，氮加入钢中的有利作用被认可，50年代，开始开发氮合金钢的潜在性能及工艺技术，60年代末期，国外首次实现了含氮不锈钢“Nitronic”及0.18N钢的工业化生产；近年来，高氮钢被认为是最有研究和开发价值的新材料之一；但含氮合金冶炼难度大，成为含氮合金特别是高氮合金材料应用的重要制约因素；随着含氮合金钢的开发和推广，含氮合金钢的用途和用量需求量在逐步增加，寻求更加经济高效、可靠的含氮合金钢生产工艺意义重大。

目前国外高氮钢的生产多采用增压等离子重熔、增压电渣重熔、粉末冶金、大炼钢熔池(BSB)等工艺，加压设备昂贵，生产成本较高；国内有多个在常压下冶炼高氮钢的专利技术，但是存在冶炼控制困难、元素分布不均匀及成分控制不稳定的技术难题。

中国专利公开了一种冶炼钒氮合金钢水的方法(授权公告号CN107760972A)，该专利技术钒的利用率高，与常规技术加入氮化钒进行微合金化相比能够大幅降低成品钢材的成本，且方法简单，易于实现，但是其在冶炼的过程中元素的分布不易控制，且产品的强度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔炼含氮合金钢的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种熔炼含氮合金钢的方法，包括以下步骤：

S1、原料准备：

a.将微碳铬铁、加碳中间合金、加氮中间合金、金属锰、锰铁、硅锰合金、氮化硅锰等破碎成颗粒状；

b.将工业纯铁、铁合金等加工到适合入炉的形态；

c.根据不同的钢种，准备好冶炼钢种需要的元素，包括碳、铁及各种合金材料；

S2、原料进炉：将S1步骤中的原料加入能够抽真空、充氮加压的中频炉内；

S3、抽真空升温、充氮:对中频炉进行抽真空，并同时进行升温，抽真空到真空度5KPa～10Pa左右，当炉内温度达到200～1500℃左右时，向炉内充入氮气，并加压至0.2MPa～2Mpa之间；

S4、充氮保压加温:继续向炉内充氮保压和升温，将炉内温度提高到1500～1650左右；

S5、出炉:当炉内金属完全液化成液体时，解除压力，控制炉内温度在1500～1650℃左右，按照炼钢常规工艺进行脱S、脱P、脱O、造渣、除渣，然后出炉浇铸。

作为本发明再进一步的方案：所述中频炉采用密封耐压型，且中频炉包括炉壳、中频线圈、磁轭、保温层、炉衬、真空机组、充氮口和防爆口，使其即可以真空冶炼，也可以加压冶炼。

作为本发明再进一步的方案：所述S1步骤中的原料还包括工业纯铁、金属镍、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、金属铝、铝合金、稀土合金中的一种或多种。

作为本发明再进一步的方案：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。

作为本发明再进一步的方案：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。

作为本发明再进一步的方案：所述S2步骤中的原料对应所熔炼的含氮合金钢按比例分散装料。

作为本发明再进一步的方案：所述中频炉采用智能控制系统，所述智能控制系统包括终端设备、PLC控制器、变压器、真空泵、压力调节器、压力变松器、温度调节器、温度变松器、通信控制器，所述终端设备用于参数设置、数据显示、参数变化曲线、趋势显示、数据存储，所述PLC控制器用于将终端设备的指令转换成可控信号，从而控制输出电流、电压、真空度，同时将中频炉的温度、压力、电流、电压发送给终端设备进行处理。

作为本发明再进一步的方案：所述中频炉在冷炉状态下的极限真空度为6.7×102Pa，压升率≤1.6Pa/h，极限真空度采用以下公式计算：

上式(1)中，P为冷炉的极限真空度Pa；S_e为抽真空速度L/s；Q₁为炉体的漏气率Pa·L/s，Q₂为炉体的表面放气流量Pa·L/s；真空泵的极限真空度Pa。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过采用抽真空的同时进行升温，然后充氮的冶炼步骤，并且采用了智能控制系统，使得抽真空、升温和充氮更加精准，解决了合金材料固氮、合金元素晶粒均匀稳定的冶炼技术难关，使得冶炼工艺稳定可靠，可以冶金各种氮含量的合金钢，使得冶炼的合金具有优异的抗腐蚀性能、韧性和强度，且组织均匀细小，成分易于控制。

附图说明

图1为一种熔炼含氮合金钢的方法中智能控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，一种熔炼含氮合金钢的方法，包括以下步骤：

S1、原料准备：

a.将微碳铬铁、加碳中间合金、加氮中间合金、金属锰、锰铁、硅锰合金、氮化硅锰等破碎成颗粒状；

b.将工业纯铁、铁合金等加工到适合入炉的形态；

c.根据不同的钢种，准备好冶炼钢种需要的元素，包括碳、铁及各种合金材料；

S2、原料进炉：将S1步骤中的原料加入能够抽真空、充氮加压的中频炉内；

S3、抽真空升温、充氮:对中频炉进行抽真空，并同时进行升温，抽真空到真空度5KPa～10Pa左右，当炉内温度达到200～1500℃左右时，向炉内充入氮气，并加压至0.2MPa～2Mpa之间；

S4、充氮保压加温:继续向炉内充氮保压和升温，将炉内温度提高到1500～1650左右；

S5、出炉:当炉内金属完全液化成液体时，解除压力，控制炉内温度在1500～1650℃左右，按照炼钢常规工艺进行脱S、脱P、脱O、造渣、除渣，然后出炉浇铸。

优选的，中频炉采用密封耐压型，且中频炉包括炉壳、中频线圈、磁轭、保温层、炉衬、真空机组、充氮口和防爆口，使其即可以真空冶炼，也可以加压冶炼。

优选的，S1步骤中的原料还包括工业纯铁、金属镍、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、金属铝、铝合金、稀土合金中的一种或多种。

优选的，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。

优选的，加碳中间合金选用高碳铬铁、高碳合金钢中的一种或多种。

优选的，S2步骤中的原料对应所熔炼的含氮合金钢按比例分散装料。

在图1中，中频炉采用智能控制系统，智能控制系统包括终端设备、PLC控制器、变压器、真空泵、压力调节器、压力变松器、温度调节器、温度变松器、通信控制器，终端设备用于参数设置、数据显示、参数变化曲线、趋势显示、数据存储，PLC控制器用于将终端设备的指令转换成可控信号，从而控制输出电流、电压、真空度，同时将中频炉的温度、压力、电流、电压发送给终端设备进行处理。

优选的，中频炉在冷炉状态下的极限真空度为6.7×102Pa，压升率≤1.6Pa/h，极限真空度采用以下公式计算：

上式(1)中，P为冷炉的极限真空度Pa；S_e为抽真空速度L/s；Q₁为炉体的漏气率Pa·L/s，Q₂为炉体的表面放气流量Pa·L/s；真空泵的极限真空度Pa。

为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述试验进行阐述：

采用本发明冶炼的增氮钢作为实施例；采用常规手段冶炼的原形钢作为对比例一；采用专利网公开的一种冶炼钒氮合金钢水的方法(公开日：2018-03-06，公开号CN107760972A)冶炼的钒氮合金钢作为对比例二，实施例和对比例一、对比例二的元素成分见下表1；

表1：实施例和对比例一、对比例二的成分分析表

从表1可以得出：实施例和对比例二的成分基本相同，变化在合理的范围之内，属于同一钢种，对比例一与实施例和对比例二的成分差别仅在氮元素的含量，其余成分基本相同，变化在合理的范围之内，因此，实施例和对比例一、对比例二具有可对比性。

一、在纯水、弱酸、弱碱条件下，对实施例和对比例一、对比例二钢材的抗腐蚀性能进行对比试验，将质量为100g未生锈的实施例和对比例一、对比例二钢材的试块分别放入纯水(PH＝7.0)、弱酸(PH＝7.0)、弱碱(PH＝7.0)中，30d后，分别测量实施例和对比例一、对比例二钢材在纯水、弱酸、碱性下的生锈后质量(单位：g)，并计算净增重(单位：g)和锈蚀率(单位：％)，净增重＝生锈后质量-生锈前质量，锈蚀率＝(生锈后质量-生锈前质量)/锈前质量×100％,并把结果记录到下表2中。

表2：实施例和对比例一、对比例二的锈蚀情况分析表

从表2可以得出：实施例和对比例一、对比例二试块在弱酸环境下的腐蚀率最大，纯水环境下次之，弱碱环境下的腐蚀率最小，同时，不管在纯水、弱酸环境下，还是在弱碱下，实施例试块的腐蚀率均小于对比例一、对比例二试块的腐蚀率，而对比例一的腐蚀率最大，进而可以得出：本发明冶炼的含氮合金钢具有优异的抗腐蚀性能。

二、将实施例和对比例一、对比例二试块轧制成长65mm，直径5mm的棒材试样进行拉伸试验和标准V口横向冲击试验，测试其温室力学性能,通过拉伸试验测试其屈服强度(单位：MPa)、抗拉强度(单位：MPa)和断面纤维率(单位：％)，通过标准V口横向冲击试验测试其冲击功(单位：J)和断口处形貌；并把结果记录到下表3中。

表3：实施例和对比例一、对比例二的能分析表

从表3可以得出：实施例的屈服强度和抗拉强度均高于对比例一、对比例二的屈服强度和抗拉强度，实施例的冲击功显著高于对比例一、对比例二的冲击功，实施例的断面纤维率也显著高于对比例一、对比例二的断面纤维率，通过观察冲击断口形貌，对比例一的断口处呈现出解理断裂状，晶粒分布不均，组织粗大、聚集，对比例二的断口处呈现出韧性断裂，晶粒分布较均匀，组织较细，呈现一定离散现象，而实施例的断口处呈现出韧性断裂状，断面上以蜂窝状的韧窝为主，晶粒交错分布，组织细小、离散，进而可以得出：本发明冶炼的含氮合金钢具有优异的韧性和强度，组织均匀细小，成分易于控制。

其中，屈服强度采用晶界强化效应Hall-Petch方程描述，

其中上式(2)中，R_po.2为应变0.2％时的屈服强度，σ₀为流变应力，k_γ为强化效应系数(表明含氮量和温度对晶粒尺寸强化效应的影响)；d为晶粒尺寸。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、原料准备：

a.将微碳铬铁、加碳中间合金、加氮中间合金、金属锰、锰铁、硅锰合金、氮化硅锰等破碎成颗粒状；

b.将工业纯铁、铁合金等加工到适合入炉的形态；

c.根据不同的钢种，准备好冶炼钢种需要的元素，包括碳、铁及各种合金材料；

S2、原料进炉：将S1步骤中的原料加入能够抽真空、充氮加压的中频炉内；

S3、抽真空升温、充氮：对中频炉进行抽真空，并同时进行升温，抽真空到真空度5KPa～10Pa左右，当炉内温度达到200～1500℃左右时，向炉内充入氮气，并加压至0.2MPa～2Mpa之间；

S4、充氮保压加温：继续向炉内充氮保压和升温，将炉内温度提高到1500～1650左右；

S5、出炉：当炉内金属完全液化成液体时，解除压力，控制炉内温度在1500～1650℃左右，按照炼钢常规工艺进行脱S、脱P、脱O、造渣、除渣，然后出炉浇铸。

2.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，所述中频炉采用密封耐压型，且中频炉包括炉壳、中频线圈、磁轭、保温层、炉衬、真空机组、充氮口和防爆口，使其即可以真空冶炼，也可以加压冶炼。

3.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，所述S1步骤中的原料还包括工业纯铁、金属镍、钼铁、钨铁、钒铁、铌铁、钛铁、金属铝、铝合金、稀土合金中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，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。

5.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，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。

6.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，所述S2步骤中的原料对应所熔炼的含氮合金钢按比例分散装料。

7.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，所述中频炉采用智能控制系统，所述智能控制系统包括终端设备、PLC控制器、变压器、真空泵、压力调节器、压力变松器、温度调节器、温度变松器、通信控制器，所述终端设备用于参数设置、数据显示、参数变化曲线、趋势显示、数据存储，所述PLC控制器用于将终端设备的指令转换成可控信号，从而控制输出电流、电压、真空度，同时将中频炉的温度、压力、电流、电压发送给终端设备进行处理。

8.根据权利要求1所述的一种熔炼含氮合金钢的方法，其特征在于，所述中频炉在冷炉状态下的极限真空度为6.7×102Pa，压升率≤1.6Pa/h，极限真空度采用以下公式计算：

上式(1)中，P为冷炉的极限真空度Pa；S_e为抽真空速度L/s；Q₁为炉体的漏气率Pa·L/s，Q₂为炉体的表面放气流量Pa·L/s；真空泵的极限真空度Pa。

Images