一种用含碳铬铁制造高氮钢的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种冶炼高强度不锈钢的方法，是一种冶炼高氮不锈钢的方法，属于钢铁冶炼领域。
【背景技术】
[0002]高氮奥氏体不锈钢(以下称高氮钢)以其节镍、耐蚀、高强度、高塑性等优异性能受到制造行业和应用领域瞩目，已逐步扩大应用范围并可在更宽阔应用领域和更复杂环境条件中获得应用。
[0003]高氮钢主要由铁(Fe)、铬(Cr)、锰(Mn)、氮(N)等化学元素组成，其中氮含量一般在0.6wt%? 1.0wt%o在常压冶炼高氮钢时氮较难加入并易从熔体中逸出形成氮气，因此一般采用高压力下冶炼，限制了产量。一些文献提出了可在常压或近常压下冶炼高氮钢的方法，如CN103451508A提出了将高氮合金熔体限流兑入Fe-Cr-Mn熔体，CN103436768A提出了将Fe-Cr-Mn熔体缓慢兑入高氮合金熔体，CN103451509A提出了向高氮合金熔体中添加基础钢材料等，其加Cr加N的主原料都是氣化络铁及少量闻氣络铁，而这种氣化络铁和闻氮铬铁原料产量较小，价格较高，尤其是不能保证稳定的有用化学成分要求及杂质元素限制要求，不能适应高氮钢批量生产的需要，也不能保证高氮钢高质量大批量生产。
[0004]为保证高氮钢批量生产能力及质量，稳定的原料来源尤其是高氮钢生产过程化学成分及杂质元素的控制非常重要，试验表明，控制氮化铬铁和高氮铬铁中的碳含量、CrN和Cr2N含量，关系到高氮钢冶炼中N溶解稳定性及N逸出控制程度，如氮化铬铁和高氮铬铁中的CrN含量越高，钢液中的N就越不稳定，反之，氮化铬铁和高氮铬铁中的Cr2N含量越高，钢液中的N就越稳定，而现有的高氮铬铁和氮化铬铁原料中的Cr2N与CrN的含量与相对量波动都较大，因此直接采用氮化铬铁及高氮铬铁作为供氮原料难以保证高氮钢产品质量的稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种用含碳铬铁制造高氮钢的方法，即提供一种用含碳铬铁原料制备闻氣络铁中间体和用闻氣络铁中间体直接制造闻氣钢相结合的方法，可提闻并有效控制作为生产环节中间原料的高氮铬铁中间体的Cr2N含量，从而有效抑制高氮钢冶炼时的氮逸出，得到氮含量较高且稳定的高氮钢熔体，进而获得气泡少、氮含量高的高氮钢坯及铸件。
[0006]本发明提供的一种用含碳铬铁制造高氮钢的方法，其特征在于:先用含碳铬铁和用含碳铬铁焙烧获得的降碳氧化铬铁及渗氮气体制备高氮铬铁中间体，再用高氮铬铁中间体制取高氮钢，其具体步骤如下:
I)用含碳铬铁粉进行真空脱碳制备微碳铬铁:将150目?250目含碳铬铁粉与150?250目降碳氧化铬铁粉按碳与氧摩尔比1:1?1: 1.5进行配比计算，再添加粘结剂并进行均匀混合，然后将混合的粉体压成块状或球状体并低温干燥制成含碳铬铁料块；把含碳铬铁料块装入真空加热炉，开始升温到900?1200°C以上时，使炉内压力彡800Pa，再继续升温至1200?1500°C范围内，使炉内压力< 500Pa，保持含碳铬铁料块不发生熔化；经5?80小时，控制炉内压力降至< lOOPa，再停留O?5小时后，即完成脱碳工序，得到脱碳铬铁块；继续保持温度为1200?1500°C和炉内压力彡10Pa ；
2)用脱碳铬铁块直接制备高氮铬铁中间体:经脱碳工序得到的脱碳铬铁块，在保持炉温1200?1500°C和炉内压力彡10Pa下，直接向炉内通入渗氮气体对脱碳铬铁块进行渗氮，渗氮气体通入流量按每吨脱碳铬铁块0.01?2.0m3/min，渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?1200°C，渗氮过程的炉内压力由彡10Pa逐渐增加并保持渗氮炉内压力在0.1?0.5MPa范围内，渗氮时间为2?20小时，当不再补充渗氮气体情况下炉内压力稳定不变时，即完成渗氮工序，出炉得到高氮铬铁中间体；检测可获得的高氮铬铁中间体氮含量为7?13wt%、碳含量0.005?0.lwt%、铬含量为60?75wt% ；
3)用高氮铬铁中间体熔炼高氮合金熔体:将块状高氮铬铁中间体及氮化金属锰加入感应熔化炉内熔化为熔体，其中氮化金属锰的加入量为O?50wt%，保持熔体温度在1450?1650°C范围内使熔体中的氮部分逸出，当检验熔体氮含量降到2?6wt%时，得到高氮合金熔体，保持其熔体在1450?1600°C的能够维持熔体状态的较低温度范围；
4)熔炼高氮钢与浇注:将金属锰和金属铁及其它合金元素加入到高氮合金熔体中，其金属锰占高氮钢熔体总量的5?30wt%，金属铁占高氮钢熔体总量的30?60wt%，高氮合金熔体量占高氮钢熔体总量的20?50wt%,其它合金元素包括钥、银、镍、铜、钛、I凡、稀土等共占高氮钢熔体总量不大于10wt%，加入各金属及合金过程中保持熔体温度为1400?1600 0C ;待熔体中固态物完全熔化后继续加热O?30min并保持熔体温度为1400?1600°C，进行脱氧、硫、磷及除渣，再升温至1500?1680°C出炉浇注。
[0007]所述的含碳铬铁粉是铬含量50?75 wt%的高碳铬铁粉(碳含量4?10 wt%)或为中碳铬铁粉(碳含量0.5?4wt%)或为低碳铬铁粉(碳含量0.15?0.5 wt%)或为上述三种含碳铬铁粉的混合粉体。
[0008]所述的降碳氧化铬铁粉是采用高碳铬铁粉经氧化降碳焙烧获得，为已知技术，如用碳含量9?10wt%的含碳铬铁制备降碳氧化铬铁粉体的工艺为:将含碳铬铁粉碎为150-250目粉体，再进入焙烧炉进行氧化焙烧，温度为200?1200°C，时间为0.5?10小时后出炉，检测获得的降碳氧化铬铁粉氧含量为11?15wt%，碳含量为2.5?5wt%，再次粉碎得到150?250目降碳氧化铬铁粉体。
[0009]所述的碳与氧摩尔比1:1?1: 1.5是根据含碳铬铁粉中的实际碳含量和降碳氧化铬铁中的实际O含量及C含量，可简化用2C + O2 = 2 CO反应式中C与O的摩尔质量进行计算。
[0010]所述的粘结剂为已知技术，常采用硅酸盐、膨润土、纸浆等。
[0011]所述的渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?1200°C是指:把脱碳铬铁块在炉内自然降温。
[0012]所述的渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?1200°C是指:把脱碳铬铁块在炉内自然降温至800?1250°C并在该温度区任意温度下保温不超过5小时，然后再自然降温至300?500°C。
[0013]所述的渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?1200°C是指:把脱碳铬铁块在炉内自然降温至500?800°C并在该温度区任意温度下保温不超过8小时，然后再自然降温至300?500°C。
[0014]所述的渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?1200°C是指:把脱碳铬铁块在炉内自然降温至800?1250°C并在该温度区任意温度下保温不超过5小时，然后再自然降温至500?800°C并在该温度区任意温度下保温不超过8小时，然后再自然降温至300 ?500。。。
[0015]所述的渗氮过程的炉温从1200?1500°C控制降温至300?500°C是指:把脱碳铬铁块在炉内自然降温至500?800°C并在该温度区任意温度下保温不超过8小时，然后再升温至800?1250°C并在该温度区任意温度下保温不超过5小时，然后再自然降温至300?500。。。
[0016]试验得出，脱碳铬铁块在渗氮过程中，在800?1250°C内任意温度保温可以大量增加高氮铬铁中间体中Cr2N的数量，而Cr2N的高温稳定性及在高氮合金熔体中的抗熔解能力明显好于CrN，从而可提高高氮钢熔炼时的保氮能力，而渗氮过程中将脱碳铬铁块在炉内500?800 °C内任意温度保温可以明显加快渗氮速度。
[0017]所述的保持渗氮炉内压力在0.1?0.5MPa范围内是指该范围内的炉内压力在一任意压力一直保持不变。
[0018]所述的保持渗氮炉内压力在0.1?0.5MPa范围内是指炉内压力在该范围内一次或多次调整变化为从高压降到低压再升到高压的压力变化。从而达到置换炉内渗氮气体的目的。
[0019]所述的渗氮气体可为氮气或氨气或两者的混合气。
[0020]所述的金属锰是碳含量< 0.lwt%金属锰或锰铁合金，包括电解金属锰、电解重熔法金属锰、电硅热法金属锰、微碳锰铁及氮含量< 7wt%的含氮金属锰。
[0021]所述的金属锰可以是熔化态金属锰或者是固态金属锰，其中:
I)熔化态金属锰包括:①将金属锰在无氧化气氛下重熔的熔体；②将金属锰在无氧化气氛下重熔再吹入渗氮气体后得到的含氮金属锰熔体；③将金属锰经的真空熔炼的熔体；④将金属锰经真空熔炼再吹入渗氮气体后得到的含氮金属锰熔体。
[0022]2)固态金属锰除电解金属锰外还包括: