一种分阶段控制压力的加压感应冶炼高氮不锈钢的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高氮不锈钢冶炼技术领域，具体涉及一种分阶段控制压力的加压感应 冶炼高氮不锈钢的方法。
【背景技术】
[0002] 氮作为重要的合金元素已被广泛应用到奥氏体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈 钢中，通过与其它合金元素如Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等的共同作用，不但可以显著改善钢的 强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性和耐腐蚀性等多种性能，而且氮作为一种强奥氏体形成元素 加入奥氏体不锈钢中还可替代部分价格昂贵的Ni元素，因此高氮不锈钢已日益成为一种 重要的工程材料，将广泛应用于电力、造船、铁路、石油化工、医用人工骨骼材料等领域。但 是由于高氮钢制备技术及工艺的不够完善，高氮钢的发展也受到一定的限制，因此致力于 发展高氮钢制备技术，推动我国高氮钢大规模生产是目前急需解决的问题之一。
[0003] 对于氮含量超过常压氮溶解度的高氮不锈钢而言，在常压下难以制备获得，为保 证钢液获得更高的氮含量，其冶炼过程必须在加压气氛中进行，特别是在浇铸过程中需要 更高的环境压力，以避免氮在高氮不锈钢凝固过程中由于相变和偏析造成的成分不均、氮 析出和气孔形成的问题。目前，加压感应炉为高氮不锈钢的品种开发提供了重要的设备保 障。
[0004] 在利用加压感应炉冶炼高氮不锈钢过程中面临着两大难题，即如何快速增氮并实 现钢中氮含量的精确控制，同时如何确定合理的浇铸压力以避免氮在凝固过程中的严重偏 析、析出和气孔形成。由于氮在固相（S/γ相）和钢液中溶解度的差异，导致了加压感应 炉内的冶炼压力与浇铸压力的不同，增大冶炼压力可以有效提高钢液中的氮含量，提高浇 铸压力则有利于避免钢液凝固过程中氮的析出和气孔的形成。但在冶炼压力向浇铸压力 (高于冶炼压力）转变过程中，较高的浇铸压力在解决氮的析出和气孔的形成的同时，加速 了气相渗氮过程，导致高氮不锈钢中氮含量超标，从而加大了加压感应炉熔炼高氮不锈钢 过程中氮含量控制的难度。
【发明内容】
[0005] 在加压感应熔炼制备高氮不锈钢的过程中，如何有效、合理、低成本地控制氮化 合金加入量、感应炉内的冶炼压力和浇铸压力，是提高氮含量控制精确和避免凝固缺陷的 核心和关键。因此，本发明公开了一种分阶段控制压力的加压感应冶炼高氮不锈钢的方 法，该方法适用于冶炼各类高氮不锈钢钢种，例如，高氮不锈钢钢种的目标成分可以为：C : 彡 0· 2%，Μη :12 ~23%，Cr :15 ~24%，Si :彡 1%，Μο :0 ~4· 5%，Ν :0· 7 ~2%，Ni :0 ~ 4. 5%，Fe :为余量。本发明从控制氮合金加入量、感应炉内的冶炼压力和浇铸压力的角度入 手，通过优化氮化合金加入量和合理控制冶炼时的炉内压力和浇铸时的炉内压力，发明了 一种更合理、高效、经济的高氮不锈钢冶炼的氮合金化方法，有效地实现了利用加压感应炉 熔炼高氮不锈钢的成分控制，解决高氮不锈钢凝固过程中氮的严重偏析、析出和氮气孔等 问题。
[0006] -种加压感应冶炼高氮不锈钢的方法，该方法包括以下具体步骤：
[0007] (1)配料与压力参数确定：依据钢种目标成分，通过下述公式①计算出感应炉内 的冶炼压力P 1，并结合公式②计算出炉内的浇铸压力P2，同时根据公式③可得冶炼原料中 氮的实际加入重量百分比（Wt% )1;以此结合冶炼原料成分计算所需冶炼原料的重量百分 比，配制冶炼原料，添加 I. 0~2. Okg/t电解铝，用于脱氧，其中冶炼原料包括：工业纯铁、金 属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰、工业硅、氮化铬、石墨等。
[0008] 钢种目标成分（按重量百分比）为：C :彡0.2%，Mn :12~23%，Cr :15~24%， Si :彡 1%，Mo :0 ~4. 5%，N :0· 7 ~2%，Ni :0 ~4. 5%，Fe :余量。
[0009] 冶炼压力P1的计算公式①：
【主权项】
1. 一种分阶段控制压力的加压感应冶炼高氮不锈钢的方法，其特征在于所述方法包括 以下步骤： (1) 配料与压力参数确定：依据高氮不锈钢钢种的目标成分，通过下述公式①计算出 加压感应炉内的冶炼压力P1，通过公式②计算出加压感应炉内的浇铸压力P 2，根据公式③ 计算出冶炼原料中氮的实际加入重量百分比（Wt% ，结合冶炼原料的成分确定所需冶炼 原料的重量百分比，从而配制冶炼原料，并且添加 1.0 ~2. Okg/t的用于脱氧的电解铝，其 中，冶炼原料包括工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰、工业硅、氮化铬 和石墨， 冶炼压力PjA计算公式①，
式①中，？1表示冶炼压力，P θ表示标准大气压，T表示冶炼温度，A通过下述公式计算 得到， A = O. 13[% N]+0. 118[% C]+0. 043[% Si]+0. 011[% Ni]+3. 5X10_5[% Ni]2 -0. 024[% Μη]+3. 2X10_5[% MnJ2-0.0 1 [% Μο]+7. 9Χ 10_5[% Mo]2 -0. 048 [ % Cr] +3. 5 X IO-4 [ % Cr]2 浇铸压力己的计算公式②， P2= [(0. 25 ~0. 40)P 15 ~0. 65)]MPa ② 式②中，？2表示浇铸压力， 冶炼原料中氮的实际加入重量百分比（wt% \的计算公式③，
式③中，（wt% )肩示冶炼原料中氮的实际加入重量百分比，（wt% )肩示高氮不锈钢 钢种的目标成分中氮的重量百分比； (2) 装料：将金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、工业纯铁与金属镍放入加压感应炉中的坩 埚内，将易氧化或挥发的金属锰、工业硅、氮化铬、电解铝和石墨置于加料仓中； (3) 炉料熔化：将加压感应炉内的压力抽真空至IOPa以下，并通电升温至坩埚内的炉 料全部熔化； (4) 合金化：待加压感应炉的坩埚中的炉料充分融化达到熔清之后，向加压感应炉内 充入纯度多99. 999%的高纯氮气至压力为P1，然后通过加料仓向加压感应炉内的坩埚中 依次加入工业硅、金属锰、氮化铬、石墨进行合金化，同时添加电解铝脱氧，并在1530~ 1600°C温度下保温10~15min ; (5) 浇铸：向加压感应炉内充入纯度多99. 999%的高纯氮气至炉内压力为P2，然后进 行浇铸，浇铸结束后，冷却泄压，取出铸锭，其中，浇铸温度为1530~1580°C，增压和浇铸时 间共为8~15min。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述高氮不锈钢钢种的目标成分按重量百 分比为：不超过0. 2%的C、12~23%的Mn、15~24%的Cr、不超过1%的Si、不超过4. 5% 的Mo、0. 7~2%的N、不超过4. 5%的Ni、余量的Fe。
【专利摘要】本发明公开了一种分阶段控制压力的加压感应冶炼高氮不锈钢的方法，属于高氮不锈钢冶炼技术领域。该方法适用于冶炼的高氮不锈钢钢种成分为：C：≤0.2％，Mn：12～23％，Cr：15～24％，Si：≤1％，Mo：0～4.5％，N：0.7～2％，Ni：0～4.5％，Fe：余量，具体包括：配料与分阶段加压参数的确定；装料；抽真空至10Pa后通电升温；原料熔清后充纯度为≥99.99％氮气至冶炼压力，然后合金化并保温10～15min；充高纯氮气至浇铸压力后进行浇铸。本发明通过优化氮化合金加入量和合理控制冶炼及浇铸压力，进而有效地解决了高氮不锈钢凝固过程中氮的严重偏析、析出和氮气孔的形成等问题。
【IPC分类】C21C5-52, C22C38-58, C22C33-04
【公开号】CN104862609
【申请号】CN201510112337
【发明人】姜周华, 朱红春, 李花兵, 冯浩, 张树才, 刘国海, 刘福斌, 李阳, 任翠东, 王 琦
【申请人】东北大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月13日