CN114182161B - 一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法 - Google Patents

一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，步骤包括：熔炼；加氮化合金；底吹氮气；砂模准备；冷却水控制；冷钢控制；浇铸。相较于常规高锰钢的浇铸过程，本发明生产出来的高氮高锰钢含氮量明显增高，且表面质量比较平整。利用本发明生产出的高氮高锰钢，氮的质量分数控制在0.2‑0.4％之间，含氮量高，生产过程简单、快速，在不改变厂家原有的生产设备布局的前提下，大大提高了企业的产品竞争力。

Description

一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体的说涉及一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法。
背景技术
钢铁行业在我国重工业发展中一直都处于重要地位，随着行业的发展技术的进步，高氮高锰钢越来越受到钢铁行业的关注。高氮高锰钢是一种性能优越的特殊钢材，氮的加入不仅可以细化晶粒，还可以抑制碳化物的析出，其固溶强化作用不仅提高钢的强度硬度，耐腐蚀性能也特别突出，广泛应用于桥梁建造、铁路辙叉等各种对钢材性能有特殊要求的领域。但是，目前冶炼高氮高锰钢技术还不成熟，冶炼过程比较复杂，钢中氮含量不高，大大降低了高氮高锰钢的性能及使用范围。
因此，提供一种生产过程简单，能够有效提高钢中氮含量、改善钢材性能的高氮高锰钢生产方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，其生产过程简单，在原有生产设备的基础上，能够有效提高钢中氮含量，改善钢材性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，包括以下步骤：
S1：熔炼：将废钢原料放入电炉内进行高温熔炼，得到钢水；
S2：加氮化合金：向熔炼好钢水的电炉中加入过量的氮化合金，使氮化合金与钢水进行充分混合、反应；
S3：底吹氮气：将电炉中的钢水经出钢口放到钢包内，钢包加盖，并底吹氮气使钢液充分搅拌均匀；
此步骤中钢包加盖底吹氮气主要目的是为了搅拌钢液，均匀钢液成分，并在正压条件下进一步增氮，根据钢包吨位大小的不同，底吹气量或者气流速度均不相同，底吹气量以能充分搅拌钢液并不造成钢液大翻为宜。
S4：砂模准备：将砂模中的型砂更换成导热率高的镁砂，加速钢水凝固；
S5：冷却水控制：将砂模的冷却循环水打开促进钢液快速凝固；
S6：冷钢控制：在浇铸前将冷钢放到浇铸砂模内；
S7：浇铸：将钢包吊至浇铸车间，浇铸温度1500℃，缓慢将钢包出水口对准按照上述S6-S8提前准备好的浇铸砂模内进行浇铸，自然冷却至室温即制得高氮高锰钢。
进一步，步骤S1中所述熔炼温度为1500-1600℃，熔炼时间为4-8h。
采用上述进一步方案的有益效果在于：一般废钢的熔化温度在1500℃以上，故电炉熔炼温度必须高于此温度值，废钢才会完全熔化成钢水，且一般废钢的熔化温度不会高于1600℃，温度过高一方面浪费电力资源，增加生产成本，另一方面会降低电炉内衬耐火材料使用寿命。电炉炼钢熔化废钢除温度因素外，熔炼时间也很关键，废钢熔化需要一个过程，一般电炉熔炼时间在4-8h比较合理，时间太短，大块废钢不能完全熔化，时间太长，浪费资源。
进一步，步骤S2中所述氮化合金为氮化锰铁和/或氮化铬铁。
采用上述进一步方案的有益效果在于：钢中增氮的主要方法有气体增氮法和添加氮化合金法，气体增氮需要的时间太长，氮化合金可以快速增氮，氮化锰铁和氮化铬铁含氮量高，并且锰和铬元素可以增加溶液中的氮含量，加入氮化合金后，氮可以快速均匀的进入到钢液中使其达到饱和状态。
进一步，步骤S4中所述镁砂导热率为3.39～4.19W/(m·K)。
采用上述进一步方案的有益效果在于：一般砂模用型砂为普通硅砂，其导热率为1.38-1.4W/(m·K)，导热率较低，本发明将其更换成导热率更高的镁砂作为砂模用型砂，导热率为3.39～4.19W/(m·K)，在原来的基础上导热效率增加了2.45-3倍，可以使钢液快速降温凝固。
进一步，步骤S5中所述冷却循环水的水管直径为0.02m，冷却循环水的流速为0.1-0.3m/s。
采用上述进一步方案的有益效果在于：本发明在砂模中添加循环水装置，水与砂之间采用导热系数较高的紫铜管，冷却效果好，冷却水入口水温为25℃，出口水温为50-60℃，根据冷却水流速和散热量公式可以得出冷却水单位时间内带走的热量W＝C(T1-T2)Vρ，式中，C为水的比热容4.2×103J/(kg·℃),V为冷却水单位时间内流量，ρ为水的密度。
进一步，步骤S6中所述冷钢的加入量为浇铸模件质量分数的1-5％，所述冷钢的粒度范围为1-3cm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：上述方案中浇铸砂模内放的冷钢为该钢种后期加工型材切割剩下的边角料，冷钢成分与浇铸钢成分基本相同，不会造成成分偏析，及循环利用了原材料，又节约了成本。
关于冷钢加入量的计算，通过实验发现加入太少，冷却效果不好，冷钢加入太多，会堵塞浇铸管道，造成浇铸件成型性差，根据冷钢吸热量公式W＝CmΔT进行换算，冷钢温度由常温的25℃升至1325℃左右，即ΔT冷＝1300℃，钢液温度由1550℃降至1325℃左右，即ΔT液＝225℃由能量守恒可知，W冷＝W液，即Cm冷ΔT冷＝Cm液ΔT液，得出冷钢质量应小于钢液总质量的17.3％，同时考虑砂模和冷却水带走的热量，计算可知冷钢质量分数在1-5％之间最好。
另外，实验结果表面冷钢的粒度大小要适中。粒度太小，被前期浇铸的钢水冲到砂模末端，且接触钢水即熔化，造成铸模末端钢水冷却速率快，浇铸口处冷却速率慢，造成凝固不均匀，会有内应力产生，甚至铸件内部会产生裂纹造成铸件的报废。粒度太大，会出现浇铸钢液凝固为固相时冷钢还未熔化完全的现象，最终也会对铸件质量产生负面影响。
进一步，步骤S6中所述浇铸温度为1500℃。
本发明的有益效果在于：相较于传统的砂模浇铸过程，本发明生产出来的高氮高锰钢含氮量明显增高，且浇铸件质量较好，利用本发明生产出的高氮钢，氮的质量分数控制在0.2-0.4％之间，铸件含氮量高，生产过程简单、快速，且基本不改变厂家原有的生产设备布局，大大提高了企业的产品竞争力。另外，本方法使用的冷钢为后期加工切割下的边角料，原料易得，循环利用，降低了企业的生产成本。
附图说明
图1为本发明提供的冷钢粒度与冷却速率的关系图。
其中，A点为冷钢粒度的最小值，小于此粒度冷却速率基本不再增大；
B点为冷钢粒度最合适的值，大于此粒度冷却速率开始迅速下降；
C点为冷钢粒度的最大值，大于此粒度冷却速率缓慢下降，部分冷钢熔化不完全。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中实验钢为砂模浇铸成型高氮高锰钢，单体重量1吨，实验钢的主要成分为：C 0.7％、Mn 18.0％、Cr 6.0％、Al 0.2％、Si 0.3％、S＜0.02％、P＜0.02％、其余为Fe，采用本方法前钢中氮含量最大为0.18％。
实施例1
一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法：
S1：熔炼：将废钢原料放入电炉内进行高温熔炼，炉内温度为1500℃，熔炼时间为8h。
S2：加氮化合金：向熔炼好钢水的电炉中加入过量的氮化锰铁，使氮化合金与钢水进行充分混合、反应。
S3：底吹氮气：将电炉中的钢水经出钢口放到钢包内，钢包加盖，底吹氮气使钢液充分搅拌，成分更加均匀。
S4：砂模准备：将砂模导热率低的型砂更换成导热率导热率为3.39W/(m·K)的镁砂。
S5：冷却水控制：在砂模的抽气装置中添加循环冷却水装置，冷却水管直径0.02m，冷却水流速为0.1m/s，冷却水入口水温为25℃，出口水温为50℃，根据冷却水流速和散热量公式可以得出在该条件下冷却效应为每分钟可以使高锰钢降温0.40℃。
S6：冷钢控制：在浇铸前提前将质量分数为1％，粒度为3cm的冷钢放到浇铸砂模内。
S7：浇铸：用天车将钢包吊至浇铸车间，浇铸温度1500℃，缓慢将钢包出水口对准按照上述S6-S8提前准备好的浇铸模内进行浇铸，冷却至室温即制得高氮高锰钢。
实施例2：
一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法：
S1：熔炼：将废钢原料放入电炉内进行高温熔炼，炉内温度为1550℃，熔炼时间为6h。
S2：加氮化合金：向熔炼好钢水的电炉中加入过量的氮化铬铁，使氮化合金与钢水进行充分混合、反应。
S3：底吹氮气：将电炉中的钢水经出钢口放到钢包内，钢包加盖，底吹氮气使钢液充分搅拌，成分更加均匀。
S4：砂模准备：将砂模导热率低的型砂更换成导热率导热率为3.8W/(m·K)的镁砂。
S5：冷却水控制：在砂模的抽气装置中添加循环冷却水装置，冷却水管直径0.02m，冷却水流速为0.2m/s，冷却水入口水温为25℃，出口水温为55℃，根据冷却水流速和散热量公式可以得出在该条件下冷却效应为每分钟可以使高锰钢降温0.95℃。
S6：冷钢控制：在浇铸前提前将质量分数为3％，粒度为2cm的冷钢放到浇铸砂模内。
S7：浇铸：用天车将钢包吊至浇铸车间，浇铸温度1500℃，缓慢将钢包出水口对准按照上述S6-S8提前准备好的浇铸模内进行浇铸，冷却至室温即制得高氮高锰钢。
实施例3：
一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，具体步骤如下：
S1：熔炼：将废钢原料放入电炉内进行高温熔炼，炉内温度为1600℃，熔炼时间为4h。
S2：加氮化合金：向熔炼好钢水的电炉中加入过量的氮化锰铁，使氮化合金与钢水进行充分混合、反应。
S3：底吹氮气：将电炉中的钢水经出钢口放到钢包内，钢包加盖，底吹氮气使钢液充分搅拌，成分更加均匀。
S4：砂模准备：将砂模导热率低的型砂更换成导热率导热率为4.19W/(m·K)的镁砂。
S5：冷却水控制：在砂模的抽气装置中添加循环冷却水装置，冷却水管直径0.02m，冷却水流速为0.3m/s，冷却水入口水温T2为25℃，出口水温T1为60℃，根据冷却水流速和散热量公式可以得出在该条件下冷却效应为每分钟可以使高锰钢降温1.66℃。
S6：冷钢控制：在浇铸前提前将质量分数为5％，粒度为1cm的冷钢放到浇铸砂模内。
S7：浇铸：用天车将钢包吊至浇铸车间，浇铸温度1500℃，缓慢将钢包出水口对准按照上述S6-S8提前准备好的浇铸模内进行浇铸，冷却至室温即制得高氮高锰钢。
试验例
对实施例1-3中的技术方案以及产品进行数据检测，结果如表1所示。
表1高氮高锰钢中氮含量
Figure BDA0003367359770000071
实验结果表明，本发明有效提高高锰钢中的氮含量，扩大高锰钢的使用范围，生产过程简单、快速，使用的冷钢原料易得，大大降低了生产成本，提高了企业的产品竞争力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：熔炼：将废钢原料放入电炉内1500-1600℃高温熔炼4-8h，得到钢水；
S2：加氮化合金：向熔炼好钢水的电炉中加入过量的氮化合金，使氮化合金与钢水进行充分混合、反应；所述氮化合金为氮化锰铁和/或氮化铬铁；
S3：底吹氮气：将电炉中的钢水经出钢口放到钢包内，钢包加盖，并底吹氮气使钢液充分搅拌均匀；
S4：砂模准备：将砂模中的型砂更换成导热率高的镁砂，加速钢水凝固；
S5：冷却水控制：将砂模的冷却循环水打开促进钢液快速凝固；
S6：冷钢控制：在浇铸前将冷钢放到浇铸砂模内；冷钢的加入量为钢水质量分数的1-5%，冷钢的粒度为1-3cm；
S7：浇铸：将钢包吊至浇铸车间，缓慢将钢包出水口对准按照上述提前准备好的浇铸砂模内进行1500℃浇铸，自然冷却至室温即制得高氮高锰钢。
2.根据权利要求1所述一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，其特征在于，步骤S3中所述镁砂导热率为3.39〜4.19W/(m•K)。
3.根据权利要求1所述一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，其特征在于，步骤S4中所述冷却循环水的水管直径为0.02m，冷却循环水的流速为0.1-0.3m/s。
4.根据权利要求1所述一种钢水快速凝固抑制氮逸出的高氮高锰钢生产方法，其特征在于，步骤S7中所述冷钢的加入量为浇铸模件质量分数的1-5%，所述冷钢的粒度范围为1-3cm。
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