CN114107685B - 一种高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺，所述补缩工艺根据补缩总时间分为2个阶段，第一阶段电流以恒速率A₁降低；第二阶段电流以恒速率A₂降低，且A₂＜A₁，直至电流降低至1000A后关闭电源，冷却水保持开启状态，直至电渣锭完全凝固冷却；调整电流的同时，氮气流量及氩气流量与电流同步调整。本发明以固定的速率稳定而缓慢的降低电流，避免了渣池和熔池的波动，从而保障了高氮钢电渣锭头部质量，消除高氮奥氏体不锈钢电渣锭头部渣沟，减少缩孔深度。通过同步调整氮气流量和氩气流量，保障了电渣锭头部成分稳定性，避免氧含量与氮含量的异常变化。

Description

一种高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺

技术领域

本发明涉及一种电渣重熔技术，尤其是一种高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺。

背景技术

高氮钢打破了材料界中“氮为有害元素”的传统看法，材料中氮含量超过一定范围，还会在一定程度上优化材料性能。在奥氏体不锈钢中，氮元素的大量加入，可以通过固溶强化的方式提高材料的强度而韧性却不明显降低，同时，氮元素强化材料的耐点蚀性能的能力是铬元素的15-30倍。因为该元素比较常见，低廉，因此它的优点一经发现，便吸引了学者们的兴趣，经过近半个世纪的研究，科学家们已经开发出高氮奥氏体不锈钢、高氮马氏体不锈钢、高氮双相钢等材料。随着高氮钢研究的深入，它的应用领域也逐渐扩大，现已在核能、海洋、化工等各种领域看到它的身影。

当前，高氮钢冶炼方面的研究已经非常深入，工业上可以通入氮气或加入氮化合金的方式冶炼高氮钢，在电渣重熔精炼方面，也有学者进行了大量的试验，他们的研究主要集中稳定期的成分控制。而对于电渣锭的头部质量，却鲜有学者关注。高氮奥氏体不锈钢电渣锭的头部，因为补缩工艺的不适宜，使得缩孔、夹渣、渣沟、成分不均的现象无法杜绝，因此使用前只能大量切除电渣锭头部，降低成材率，造成材料及能源的浪费，生产成本增加。经统计，单根400kg电渣锭因头部质量缺陷而切掉的重量约为20-30kg，降低电渣锭成材率5%-7.5%。

申请号201910666451.1的发明专利公开了一种保护气氛电渣重熔高氮钢的方法，该专利结合高氮钢中影响氮吸收几种影响因素进行分析，总结出电渣过程中氮气随热量、结晶器直径等参数调整方法。但该方法的限制熔速范围为4.5-5kg/min，在该熔速下可以电渣锭可以得到稳定的氮元素。当熔速超出此范围，则电渣过程中氮元素的吸收便不受此规律控制，在电渣锭补缩阶段，熔速低于稳定阶段，呈逐渐降低趋势，因此使用该发明，则无法保障电渣锭头部的铸锭质量及成分稳定性。申请号为01136734.2的发明专利公开了一种电渣重熔补缩新工艺，该补缩工艺加入石墨电极，操作复杂，且容易增碳。申请号为201510002875.X的发明专利涉及一种均匀分布热源的大型钢锭电渣热封顶装置及方法，该发明通过添加石墨电极的装置，在熔炼后期加入石墨电极对熔池补温，使整个熔池温度趋于均匀，但因其在最后冷却阶段无自耗电极进行补缩，非常容易出现缩孔，且最后过程中补加热源，使得冷却过程延长，电渣锭组织容易异常长大，使得电渣锭头部组织与基体不均匀。同时，石墨电极的加入，增加了增碳的危险，对于低碳及超低碳不锈钢的生产，这是绝不允许的。同样，申请号为202010752468.1的发明专利公开了一种改善大钢锭结晶质量的电渣补缩方法，2根自耗电极熔炼过程中进行搅动，促进温度均匀，通过加入石墨电极在电渣熔炼末期进行补温，也容易使电渣锭头部增碳，破坏电渣锭成分均匀性，同时自耗电极的搅动使得渣界面不稳定，容易与空气接触，增加了吸氧、吸氢的可能性。申请号为201610471784.5的发明专利涉及一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的方法，其通过1-3MPa的氮气气氛，电渣高氮钢，在熔炼后期，熔速的降低，使得氮吸收增加，造成成分波动。申请号为201610485604.9“一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法”的专利，以及申请号为201611148257.7“一种加压感应与保护气氛电渣重熔双联制备高氮钢的方法”的专利，这2项专利均在生产高氮钢电渣锭中补缩过程采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在500A～1000A。然而，该方法并未提及电流控制频率、间隔时间，且单次电流调整过大，容易导致热量突变，进而影响电渣锭质量。申请号为200510024668.0的发明专利公开了一种电渣重熔精炼补缩自动控制工艺，该补缩工艺控制复杂，可操作性较差，对于含氮不锈钢原料成本很高，不能依靠多次试验摸索电渣控制。申请号为201810968696.5的专利公开了一种电渣重熔生产工艺，该发明在电渣补缩过程中的某一时间内突然增加电压，提高温度，进而改善冒端质量。但在实际生产中，异常改变热量输入，容易导致渣沟及表面凹凸的现象，恶化电渣锭质量，严重时出现夹渣的情况，因此该方法不可控。申请号为201710262674.2“一种电渣重熔快速自动补缩工艺”的发明专利，总结其生产的GCr15及镍基合金4169的经验，制定补缩功率随重熔期功率与补缩时间的变化的控制方法，减少缩孔，但该发明没有考虑气氛的影响，无法生产需要气体保护的材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够改善电渣锭头部质量的高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述补缩工艺根据补缩总时间分为2个阶段，第一阶段电流以恒速率A₁降低；第二阶段电流以恒速率A₂降低，且A₂＜A₁；直至电流降低至1000A后关闭电源，冷却水保持开启状态，直至电渣锭完全凝固冷却；

补缩总时间T_总=T₁+T₂； （1）

第一阶段电流I₁计算公式为：I₁=I_稳定-A₁T； （2）

第二阶段电流I₂计算公式为：I₂=I_稳定-A₁T₁-A₂*(T-T₁)； （3）

式（1）、（2）（3）中，

T₁为第一阶段的补缩时间，单位为min；

T₂为第二阶段的补缩时间，单位为min；

A₁为第一阶段的电流降低速率，单位为A/min；

A₂为第二阶段的电流降低速率，单位为A/min；

I_稳定为稳定期电流，取值7000A；

T为补缩持续时间，单位为min；

调整电流的同时，氮气流量及氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：

V_N=150-0.018*（I_稳定-I）， （4）

式（4）中，V_N为氮气流量，单位为L/min；

I_稳定为稳定期电流，取值7000A；

I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N， （5）

式（5）中，V_A为氩气流量，单位为L/min。

所述补缩总时间T为23-27min。

所述第一阶段的补缩时间T₁为9-11min，电流降低速率A₁为295-305A/min。

所述第二阶段的补缩时间T₂为14-16min，电流降低速率A₂为195-205A/min。

所述补缩工艺适用于直径200-220mm的自耗电极，并在自耗电极剩余65-70kg时开始补缩。

所述补缩工艺适用于氮含量为0.5～0.6wt%的高氮奥氏体不锈钢。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明以固定的速率稳定而缓慢的降低电流，避免了渣池和熔池的波动，从而保障了高氮钢电渣锭头部质量，通过同步调整氮气流量和氩气流量，保障了电渣锭头部成分稳定性。经过大量的实践检验，本发明可以改善电渣锭头部的冶金质量，提高材料成材率。

附图说明

图1为本发明补缩期间电流调整工艺；

图2为实施例1电渣锭头部质量图A；

图3为实施例1电渣锭头部质量图B；

图4为实施例2电渣锭头部质量图A；

图5为实施例2电渣锭头部质量图B；

图6为实施例3电渣锭头部质量图A；

图7为实施例3电渣锭头部质量图B；

图8为对比例1电渣锭头部质量图A；

图9为对比例1电渣锭头部质量图B；

图10为对比例2电渣锭头部质量图A；

图11为对比例2电渣锭头部质量图B。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明氮含量为0.5～0.6wt%的高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺，可以改善高氮奥氏体不锈钢电渣锭头部质量，适用于直径200-220mm的自耗电极，并在自耗电极剩余65-70kg时开始补缩。具体采用下述设计构思和工艺：

（1）本发明将补缩过程按时间分为2个阶段：第一阶段电流以恒速率A₁降低；第二阶段电流以恒速率A₂降低，且A₂＜A₁；

补缩总时间T_总=T₁+T₂；

第一阶段电流I₁计算公式为：I₁=I_稳定-A₁T；

第二阶段电流I₂计算公式为：I₂=I_稳定-A₁T₁-A₂*(T-T₁)；

式中，T₁为第一阶段的补缩时间，单位为min；

T₂为第二阶段的补缩时间，单位为min；

A₁为第一阶段的电流降低速率，单位为A/min；

A₂为第二阶段的电流降低速率，单位为A/min；

I_稳定为稳定期电流，取值7000A；

T为补缩持续时间，单位为min。

在稳定期功率稳定，熔速基本稳定在3.7-3.9kg/min，氮气稳定在145-155L/min时，电渣锭质量及成分比较稳定。而补缩时期的熔速的调整则影响电渣锭头部的质量，如果熔速下降过快，即冶炼功率快速下调，则单位时间内提供的热量骤然下降，导致熔池和渣池热稳定性遭到破坏，渣池流动性急剧恶化，熔池凝固条件改变，导致头部渣沟、夹杂；同时补缩时间缩短，心部凝固时无充足的金属液补充，形成较大的缩孔。而熔速过慢，则电渣锭头部组织长期处于高温，组织容易异常长大，对性能产生不利影响，同时增加电耗。因此，在补缩过程中，需要缓慢均匀的降低电流，适当而稳定降低热量输入，从而控制金属熔池缓慢降低温度，保障电渣锭头部质量。经研究发现，在补缩后期，补缩电流逐渐降低，渣池和熔池热量减少，流动性减弱，较大的能量波动容易影响凝固过程。因此在此时期，应更加缓和地降低功率。

基于此，本发明将补缩过程按时间分为2个阶段，第一阶段为补缩开始的前9-11min内，此阶段电流以295-305A/min的速率从稳定期的7000A缓慢而稳定的降低，从而降低补缩期功率，减缓自耗电极融化速率；第二阶段为补缩过程的后14-16min，此阶段电流降低至195-205A/min的速率降低调整功率，直至电流降低至1000A，然后关闭电源，冷却水保持开启状态，直至电渣锭完全凝固冷却。因此整个补缩总时间控制在23-27min。采用这种工艺可以避免熔池热量波动过大而影响电渣锭凝固质量，避免渣沟、夹渣、较大缩孔的产生，得到质量均匀的电渣锭。

（2）调整电流的同时，氮气流量及氩气流量与电流同步调整，保护气体中氮气流量调整方式为：V_N=150-0.018*（I_稳定-I），V_N为氮气流量，单位为L/min；I_稳定为稳定期电流，取值7000A；I为补缩持续时间T时的电流，单位为A。

为避免保护气氛中氮气流量对电渣锭氮含量产生影响，保护气氛的中氮气流量随着自耗电极的融化速率而变化，补缩期自耗电极的融化速率逐渐降低，氮气流量也随之减少，而融化速率与电流为正线性规律，随着电流降低，熔速降低。因此保护气氛的氮气流量也与电流为正线性关系。电流降低，氮气流量随之减少，经过多次的实验得出经验数值，随电流变化规律为V_N=150-0.018*（I_稳定-I）时，工艺稳定性及电渣锭氮含量稳定性最优，因此制定此调整工艺。

保护气体中氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N，V_A为氩气流量，单位为L/min。

氮气流量的控制也是保障电渣锭头部成分稳定的重要因素。在补缩过程中，氮气作为保护气氛之一，不但需要隔绝空气，避免氧和空气中水蒸气吸入，同时还需保障一定的氮分压，维持熔池中氮含量稳定。在稳定期功率稳定，熔速基本稳定在3.8kg/min左右，氮气流量控制在150L/min即可稳定熔池中氮含量的平衡，保障电渣锭的氮含量维持不变，但补缩过程是热量逐渐降低过程，因此熔速也呈现缓慢降低趋势，如果此时维持氮气充入量不变，单位熔速内吸入氮含量增加，在一定程度上增加电渣锭的氮元素。因此结合电渣实际规律，在补缩过程中随功率的变化而调整氮气流量，进而稳定氮元素的吸收。氮气流量降低，结晶器内压力出现波动，不利于补缩，因此补充惰性气体氩气用以维持保护气氛压力稳定，其充入流量随氮气流量变化而调整。

实施例1

本实施例自耗电极为φ220mm*1500mm的非真空铸锭，氮含量为0.50%，重量为450kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余65kg时，进入补缩阶段，补缩工艺为：

（1）补缩前10min内，电流按每分钟降低300A频率调整，直至降低至4000A，电压稳定在45V，之后电流按每分钟降低200A的频率调整，直至降低至1000A；

（2）调整电流的同时，氮气、氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：V_N=150-0.018*（I_稳定-I），

其中，V_N为氮气流量，单位为L/min；I_稳定为稳定期电流，取值7000A；I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

保护气氛中氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N，V_A为氩气流量，单位为L/min；

（3）电流降低至1000A后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表1所示。其头部质量如图2、3所示。

表1.实施例1不同位置气体成分含量

注：气体含量波动率=（腰部气体含量-头部气体含量）÷腰部气体含量*100%

实施例2

本实施例自耗电极为φ200mm*1700mm的非真空铸锭，其碳含量为0.02%，氮含量为0.54%，重量为505kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余67kg时，进入补缩阶段。补缩工艺为：

（1）补缩前9min内，电流按每分钟降低305A频率调整，电压稳定在45V，之后电流按每分钟降低205A的频率调整，直至降低至1000A；

（2）调整电流的同时，氮气、氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：V_N=150-0.018*（I_稳定-I），

其中，V_N为氮气流量，单位为L/min；I_稳定为稳定期电流，取值7000A；I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

保护气氛中氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N，V_A为氩气流量，单位为L/min；

（3）电流降低至1000A后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表2所示。其头部质量如图4、5所示。

表2.实施例2不同位置气体成分含量

实施例3

本实施例自耗电极为φ210mm*1550mm的非真空铸锭，其碳含量为0.02%，氮含量为0.60%，重量为460kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余70kg时，进入补缩阶段。补缩工艺为：

（1）补缩前11min内，电流按每分钟降低297A频率调整，电压稳定在45V，之后电流按每分钟降低195A的频率调整，直至降低至1000A；

（2）调整电流的同时，氮气、氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：V_N=150-0.018*（I_稳定-I），

其中，V_N为氮气流量，单位为L/min；I_稳定为稳定期电流，取值7000A；I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

保护气氛中氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N，V_A为氩气流量，单位为L/min；

（3）电流降低至1000A后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表3所示。其头部质量如图6、7所示。

表3实施例3不同位置气体成分含量

实施例4

本实施例自耗电极为φ220mm*1500mm的非真空铸锭，氮含量为0.55%，重量为480kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余70kg时，进入补缩阶段，补缩工艺为：

（1）补缩前10min内，电流按每分钟降低295A频率调整，电压稳定在45V，10min后，电流按每分钟降低202A的频率调整，直至降低至1000A；

（2）调整电流的同时，氮气、氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：V_N=150-0.018*（I_稳定-I），

其中，V_N为氮气流量，单位为L/min；I_稳定为稳定期电流，取值7000A；I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

保护气氛中氩气流量调整方式为：V_A=150-V_N，V_A为氩气流量，单位为L/min；

（3）电流降低至1000A后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表4所示。

表4.实施例4不同位置气体成分含量

对比例1

本对比例自耗电极为φ220mm*1750mm的非真空铸锭，其碳含量为0.02%，氮含量为0.50%，重量为520kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余65kg时，进入补缩阶段。补缩工艺为：

电流每5min降低1500A，直至电渣结束，补缩时间为20min，电压稳定在45V，氮气流量维持在150L/min，补缩结束后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表5所示。其头部质量如图8、9所示。

表5.对比例1不同位置气体成分含量

对比例2

本对比例自耗电极为φ200mm*1550mm的非真空铸锭，氮含量为0.56%，重量为460kg。使用结晶器直径φ300mm。电渣稳定期电流控制在7000A，电压为45V，当自耗电极重量剩余70kg时，进入补缩阶段。补缩工艺为：

电流每5min降低1000A，直至电渣结束，补缩时间为30min，电压稳定在45V，氮气流量维持在150L/min，补缩结束后，关闭电源，保持冷却水，待电渣锭完全凝固冷却后脱模。

为检测气体成分波动情况，在距离电渣锭头部5mm位置及腰部位置横截面方向取样，分别在边部、1/4处及心部切取试样，进行检测，结果如表6所示。其头部质量如图10、11所示。

表6.对比例2不同位置气体成分含量

上述对比可知，本发明可以改善电渣锭头部质量，彻底消除高氮奥氏体不锈钢电渣锭头部渣沟，减少缩孔深度。同时可以均匀电渣锭头部气体含量，避免氧含量与氮含量的异常变化。

Claims (1)

1.一种高氮奥氏体不锈钢的电渣重熔补缩工艺，其特征在于：所述补缩工艺根据补缩总时间分为2个阶段，第一阶段电流以恒速率A₁降低；第二阶段电流以恒速率A₂降低，且A₂＜A₁；直至电流降低至1000A后关闭电源，冷却水保持开启状态，直至电渣锭完全凝固冷却；

补缩总时间T_总＝T₁+T₂；(1)

第一阶段电流I₁计算公式为：I₁＝I_稳定-A₁T；(2)

第二阶段电流I₂计算公式为：I₂＝I_稳定-A₁T₁-A₂*(T-T₁)；(3)式(1)、(2)(3)中，

T₁为第一阶段的补缩时间，单位为min；

T₂为第二阶段的补缩时间，单位为min；

A₁为第一阶段的电流降低速率，单位为A/min；

A₂为第二阶段的电流降低速率，单位为A/min；

I_稳定为稳定期电流，取值7000A；

T为补缩持续时间，单位为min；

调整电流的同时，氮气流量及氩气流量与电流同步调整，氮气流量调整方式为：

V_N＝150-0.018*(I_稳定-I)， (4)

式(4)中，V_N为氮气流量，单位为L/min；

I_稳定为稳定期电流，取值7000A；

I为补缩持续时间T时的电流，单位为A；

氩气流量调整方式为：V_A＝150-V_N，(5)式(5)中，V_A为氩气流量，单位为L/min；

所述补缩总时间T_总为23-27min；所述第一阶段的补缩时间T₁为9-11min，电流降低速率A₁为295-305A/min；所述第二阶段的补缩时间T₂为14-16min，电流降低速率A₂为195-205A/min；

所述补缩工艺适用于直径200-220mm的自耗电极，并在自耗电极剩余65-70kg时开始补缩；所述补缩工艺适用于氮含量为0.5～0.6wt％的高氮奥氏体不锈钢。