一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法
【专利摘要】本发明涉及一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，属于高氮钢冶炼技术领域。其特征是：依据目标钢种成分冶炼自耗电极；铺设引弧剂，加入预熔渣起弧造渣；向熔炼室内充氮增压，同时提升冷却水压力开始冶炼；通过加料机按0.9～1.7kg/吨钢的比例将金属钙粒与铝粒混合加入熔渣中；加压电渣重熔补缩，抬升电极冶炼结束。本发明方法与未加钙相比电渣锭氮含量提高1～6％，且分布均匀，电渣锭中最终氧含量小于25ppm，操作方法独特、高效，成本较低。
【专利说明】
-种加压电渣重膝高氮钢过程中巧错増氮脱氧的方法
技术领域
[0001] 本发明设及高氮钢冶炼领域，具体设及一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮 脱氧的方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种重要的工程材料，高氮不诱钢在交通运输(如轮船、飞机）、建筑(如超高 强度钢筋）、电力、石油化工、原子能、医用植入材料和军事工业等领域具有广泛的应用前 景。氮作为钢中重要的合金元素，通过与其它合金元素（如Mn、Cr)的协同作用，可W显著改 善钢的强度、初性、蠕变抗力、耐磨性和耐腐蚀等多种性能。常压下钢中的氮溶解度有限，W MnlSCrlSN为例，常压下冶炼该钢时氮含量均低于0.65%，欲使氮含量超过0.8%且无气孔 等缺陷，必须采用加压冶金手段。加压电渣重烙是目前工业化生产高氮钢的有效方法，德国 开发了压力达4.2M化，利用添加 Si3N4等氮化合金的方法进行氮合金化的加压电渣炉，可生 产重达20t的铸锭。
[0003] 加压电渣重烙过程中，广泛采用的增氮方法有氮化合金法（如添加氮化儘、氮化 铭、氮化铭铁等)和复合电极法。氮化合金法操作简单，能提高氮含量，但电渣锭中氮分布不 均匀，有时须进行二次重烙，导致生产成本显著增加；日本NIMS研究所和国内东北大学采用 复合电极法成功制备出了氮含量为0.8~1.2%、成分均匀、组织致密的高氮奥氏体不诱钢， 但存在复合电极制备复杂、焊接复合电极过程中易使电渣锭增氧等缺点。
[0004] 研究表明，加压电渣重烙过程中采用气相渗氮法可连续增氮，保证铸锭中氮分布 均匀，易于通过压力调节电渣锭中的氮含量，适于冶炼娃含量要求严格的钢种，且成本较 低。但冶炼过程中通入的高纯氮气，不可避免地含有氧；随着压力的增加，炉内的氧必然会 富集，导致电渣锭中的氧含量增多。同时，自耗电极中的氧和渣料中带入的不稳定氧化物等 亦会引起电渣锭中氧含量增加，洁净度降低，影响电渣锭的质量。此外，加压电渣重烙过程 中高压操作会显著影响设备寿命，降低生产效率。因此，探索出一种在相对较低压力下冶炼 更高氮含量和较低氧含量电渣锭的方法，有益于降低生产成本和延长设备寿命。
[0005] 本发明所述的一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，不仅可W提 高渣池中氮的渗透率，增加电渣锭中氮的含量，还能够有效解决氧含量超标的问题，且本方 法具备安全、高效、易操作的优点。
【发明内容】
[0006] 本发明的核屯、思想是:在加压电渣重烙冶炼高氮钢过程中，采用气相渗氮的方式 提高铸锭中的氮含量，通过步进式加料机均匀添加巧粒和侣粒，提高了烙渣的氮渗透率和 氮容，显著提高了增氮效果，同时还有一定的脱氧能力，在相对较低压力下冶炼出同等氮含 量的电渣锭，且电渣锭中氮元素分布均匀，是一种安全、高效、经济的加压电渣重烙增氮脱 氧方法。
[0007] 本项发明公开了一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，其特征在 于，该种方法具体包括如下步骤：
[0008] (1)制备自耗电极:依据目标钢种的元素成分，通过下述公式计算常压下目标钢种 的氮溶解度[%N]，使用氮气保护的真空感应炉冶炼氮含量为(0.75~0.90) X [ %N]的自耗 电极母材，目标钢种的氮溶解度计算公式为：
[0009]
[0010] 式中：为氮压力，P?为标准大气压；
[001U 将母材加热到1150~1200°C保溫2~3小时，控制终锻溫度不低于1050°C，将母材 锻造成适合加压电渣炉电渣重烙尺寸的自耗电极，然后空冷;清除自耗电极表面的氧化皮， 然后将其焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接；
[0012] (2)准备渣料并造渣:将与所冶炼高氮奥氏体不诱钢相同材质的引弧环、0.45± 0.05kg引弧屑放到位于自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上;将适于高氮奥氏体不诱钢气 相渗氮用的预烙渣在500~700°C溫度下经4~6小时的烘烤后，全部加入到加压电渣炉结晶 器内；安装加压电渣炉上部的炉壳，将烙炼室密闭；向加压电渣炉烙炼室中按10~15L/min 的流量通入氮气，通气时间为5~IOmin，将烙炼室内的空气全部排出，同时向加压电渣炉结 晶器内通入常压冷却水；闭合交流电源，采用固态起弧方法在电压35~40V、电流2000~ 2500A的条件下化渣20~25min，完成造渣；
[0013] (3)加压电渣冶炼:造渣完成后，逐渐向加压电渣炉烙炼室内充入氮气至压力为1 ~3M化，并同步提升加压电渣炉结晶器内的冷却水压力，使加压电渣炉结晶器铜壁两侧压 力基本保持一致，并将电压调整至40~45V、电流3000~4200A，进行加压电渣重烙气相渗氮 烙炼，烙速控制方程为V = (0.35~0.45) XD kg/h，其中D为电渣炉结晶器尺寸，单位为mm; 冶炼过程中控制电流波动< ± 3%、电压波动< ±0.5%、烙速波动< ±0.化g/h;将混匀的 金属巧粒和侣粒加入到烙渣中；
[0014] (4)出钢:加压电渣重烙补缩后，抬升电极，冶炼结束;关闭交流电源5min后，打开 加压电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力至常压，在钢锭 溫度降至室溫后，脱出钢锭。
[0015] 本发明提供了一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤（1)所述的目标钢种成分为C:《0.2% ,Mn: 12~30%，吐：15~30% ,Si:《1 % ,Mo :0 ~4.5%，N:0.7 ~2%，Ni:0 ~4.5%，5:《0.015%，口：《0.05%，尸6:余量。
[0016] 本发明提供了一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤（2)所述的预烙渣组成按重量百分比为：CaF2:61%，Al2〇3:13%，CaO:20%，MgO: 5%，Si〇2:l%。
[0017] 本发明提供了一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤(3)所述金属巧粒和侣粒加入方式为:将混匀的金属巧粒与侣粒，通过步进式加料 机按0.9~1.化g/吨钢的比例加入烙渣中，加入速度为(0.4~0.7) X D gA，其中D为电渣炉 结晶器尺寸，单位为mm。
[0018] 本发明提供了一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方法，其特征在
[0019] 于，步骤(3)所述的巧粒用量为0.5~1.0kg/吨钢，粒度为O~3mm，其化学成分W重量百分数 计如下表所示：
[0020] H正在 于，步疆 3分数 计如下；
[0021]
[0022] 理论分析与研究结果表明：
[0023] 1)在电渣重烙过程中，向渣池中添加金属巧有利于氮从气相经烙渣向钢液传质。 此外，氮分子与渣中的金属巧形成Ca3N2，增加渣的氮溶解度，其反应式如下：
[0024] 3化+{化} 一（Ca3 化）
[0025] 另外，由于巧蒸气压较高W及与氧有很强的亲和力，因此可有效降低气相和金属 烙池中的氧含量，促进了氮经烙渣向金属烙池的传质过程。
[0026] 2)研究表明，化与Al复合脱氧效果极佳，添加化粒与Al粒进行脱氧的反应式如下：
[0027] Ca(l)+[0]一（CaO)
[002引 2Al(l)+3[0] 一 (Al2〇3)
[0029] 基于W上分析，本发明所述的一种加压电渣重烙高氮钢过程中巧侣增氮脱氧的方 法，其最大特点是：
[0030] (1)本发明介绍的加压电渣重烙过程中巧侣增氮脱氧的方法能够有效地提高电渣 锭中的氮含量，与未加巧相比电渣锭氮含量提高1~6%，使电渣锭中最终氧含量小于 25卵m，适用于冶炼的钢种目标成分为C:《0.2% ,Mn: 12~30%，吐：15~30%，Si :《1 %， Mo:0~4.5%，N:0.7~2%，Ni:0~4.5%，S:《0.015%，P:《0.05%，Fe:余量。
[0031] (2)本发明介绍的加压电渣重烙过程中巧侣增氮脱氧的方法，将巧粒与侣粒混匀 后通过步进式加料机添加，可在较低压力下冶炼更高氮含量的电渣锭，操作简单，方法高 效，成本较低，易于实现。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例详细说明本发明的【具体实施方式】，但本发明的【具体实施方式】不局 限于下述的实施例。
[0033] 实施例一
[0034] 采用加压电渣重烙气相渗氮冶炼200kg目标钢种18Crl4Mn3Mo0.7N，其成分 (wt. % )如下表：
[0035]
[0036]
[0037]
[003引式中:脚:为氮压力，p?为标准大气压。
[0039] 氮溶解度[%^的计算结果为0.607%，确定真空感应炉冶炼高氮奥氏体不诱钢自 耗电极母材氮含量约为0.5%。
[0040] 依据目标钢种的元素成分，使用真空感应炉，在冶炼过程中通入氮气保护，添加氮
化铭冶'停但至Il気金吾兩n 47的白投由械巧?材-成Afm下.
[0041]
[0042] 随后将母材加热到1200°C保溫2小时，开始锻造，采用较小的压下量，控制终锻溫 度不低于1050°C，将母材锻造成直径O 130mm的两个自耗电极，之后空冷。车削掉自耗电极 表面的氧化皮，将两个自耗电极分别焊接到假电极上，并将假电极装卡到电极夹持器上，分 别用W下两种方式进行加压电渣重烙。
[0043] 方式1:仅加侣粒进行脱氧
[0044] 将与所冶炼18Crl4Mn3Mo0.7N相同材质的引弧环、0.43kg引弧屑放在自耗电极下 面的加压电渣炉底水箱上，将9kg预先在600°C烘烤5小时的预烙渣均匀倒入直径为D = 220mm的加压电渣炉结晶器内，预烙渣组成按重量百分比为：CaF2:61%，Al2〇3:13%，CaO: 20 %，MgO: 5 %，Si〇2:1 %。安装加压电渣炉上部的炉壳，将烙炼室密闭；向烙炼室中通入流 量为lOL/min氮气8min，使结晶器内空气排出，同时向加压电渣炉结晶器内通入常压冷却 水，采用固态起弧方法进行起弧造渣，控制电压37V、电流2400A，化渣20min，完成造渣。
[0045] 造渣结束后，将烙炼室压力和冷却水压力同步提升至1.3MPa，调整电压和电流分 别为43V和3800A，烙速控制为91kg/h，进行加压电渣重烙冶炼，冶炼过程中控制电流波动< ± 3 %、电压波动< ± 0.5 %、烙速波动< ± 0.化gA;同时利用步进式加料机加入总重1 IOg 的侣粒进行脱氧。在补缩完毕后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流电源5min后，同步降低烙炼 室氮气压力和冷却水压力至常压，待钢锭冷却到室溫后，脱出钢锭，成分如下：
[0046]
[0047] 方式2:加巧侣进行增氮脱氧
[004引将与所冶炼18Crl4Mn3Mo0.7N相同材质的引弧环、0.43kg引弧屑放在自耗电极下 面的加压电渣炉底水箱上。将9kg预先在600 °C烘烤5小时的预烙渣均匀倒入直径为D = 220mm的结晶器内，预烙渣组成的重量百分比为：CaF2:61%，Al203:13%，Ca0:20%，MgO: 5%，5102:1%。安装上部的炉壳，将烙炼室密闭；向烙炼室中通入1017111111氮气8111111，使结晶 器内空气排出，同时向结晶器内通入常压冷却水，采用固态起弧方法进行起弧造渣，控制电 压37V、电流2400A，化渣20min，完成造渣。
[0049] 造渣结束后，将烙炼室压力和冷却水压力同步提升至1.3MPa，调整电压和电流分 别为43V和3800A，烙速控制为91kg/h，进行加压电渣重烙冶炼，冶炼过程中控制电流波动< ± 3 %、电压波动< ±0.5%、烙速波动< ±0.化g/h;将105g金属巧粒与1 IOg侣粒混匀，通过 步进式加料机W 105g/h的速度加入烙渣中。在补缩完毕后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流 电源5min后，同步降低烙炼室氮气压力和冷却水压力至常压，待钢锭冷却到室溫后，脱出钢 锭，成分如下：
[(K)加 ]
[0051]在电渣锭的=个不同高度(上、中、下）W及每个高度处沿着径向的=个不同位置 (边缘、中径、中屯、)取样检测氮含量。检测结果如下：
[00521
[
[0054]上表中的氮含量和氧含量结果表明，加巧侣的方式与仅加侣的方式相比，氮含量 提高了 4.2%，氧含量由28ppm降到18ppm，且所得到的高氮奥氏体不诱钢电渣锭氮含量达到 目标钢种18化14Mn3Mo0.7N标准要求，氮含量在高度和径向分布均匀。
[00对实施例二
[0化6] 采用加压电渣重烙气相渗氮冶炼200kg目标钢种18Crl8Mn3Mol .0N，其成分 (wt. % )如下表：
[0化7]
[0化引通过下述公式计算18化18Mn3Mol.0N在1500。(：、常压下的氮溶解度[%^:
[0化9]
[0060] 式中：雌为氮压力，p?为标准大气压。
[0061 ]氮溶解度[%N]的计算结果为0.87 %，确定真空感应炉冶炼高氮奥氏体不诱钢自 耗电极母材氮含量为0.67%。
[0062] 使用真空感应炉，依据目标钢种的元素成分，在冶炼过程中充入氮气保护，添加氮 化铭冶炼得到氮含量为0.66 %的自耗电极母材，成分如下(Wt. % :
[0063]
[0064] 其他工艺和实施例一相同，不同之处是：引弧屑用量为0.42kg，预烙渣量为8.8kg， 预先在550°C烘烤6小时，造渣过程中控制电压37V、电流2300A，化渣20min。冶炼氮气压力为 2.11?3，烙炼电压为41￥，烙炼电流为36004，烙速控制为871^/11。方式1利用步进式加料机加 入总重120g的娃巧合金进行脱氧;方式2利用步进式加料机将130g金属巧粒与120g侣粒混 匀，通过步进式加料机Wl30g/h加入烙融的液态渣内。方式1电渣锭成分如下：
[00 化]
[0068] 在电渣锭的上、中、下S个不同高度W及每个高度处沿着径向的边缘、中径、中屯、 =个不同位置取样检测氮含量。检测结果如下：
[0069]
[0070] 上表中的氮含量和氧含量结果表明，加巧侣的方式与仅加娃巧的方式相比，氮含 量提高了 5.1%，氧含量由27ppm降到19ppm，且所得到的高氮奥氏体不诱钢电渣锭氮含量达 到目标钢种18化18Mn3Mol .ON标准要求，氮含量在高度和径向分布均匀。
[0071 ] 实施例S
[0072] 采用加压电渣重烙气相渗氮冶炼200kg目标钢种24Cr28Mn3Mo2Nil.9N，其成分 (wt.%)如下表：
[0073]
[
[
[0076] 式中：为氮压力，P?为标准大气压。
[0077] 氮溶解度[%N]的计算结果为1.674%，确定真空感应炉冶炼高氮奥氏体不诱钢自 耗电极母材氮含量为1.4%。
[0078] 使用真空感应炉，依据目标钢种的元素成分，在冶炼过程中充入氮气保护，添加氮 化铭冶炼得到氮含量为1.37 %的自耗电极母材，成分如下(Wt. % :
[00791
[0080]其他工艺和实施例一相同，不同之处是：引弧屑用量为0.46kg，预烙渣量为9.化g， 预先在700°C烘烤4小时，造渣过程中控制电压36V、电流2100A，化渣25min。烙炼电压均为 40V，烙炼电流均为3400A，烙速控制均为8 IkgA。方式1冶炼氮气压力为2.9MPa，利用步进式 加料机加入总重120g的侣进行脱氧;方式2冶炼氮气压力为2.75MPa，利用步进式加料机将 混匀的160g金属巧粒与120g侣粒Wl45g/h加入烙融的液态渣内。
[0081 ] 方式1电渣锭成分如下：
[0085] 对电渣锭上、中、下=个不同高度W及每个高度处沿着径向的边缘、中径、中屯、=
[on?9l
[i
[i 个不同位置取样检测氮含量。检测结果如下：
[OORAl
[0087]上表中的氮含量和氧含量结果表明，加巧侣的方式与仅加侣的方式相比，化渣后 冶炼氮气压力虽由2.9M化降至2.75MPa，但氮含量仍提高了 4.40 %，氧含量由3 Ippm降到 20ppm，且所得到的高氮奥氏体不诱钢电渣锭氮含量达到目标钢种24化28Mn3Mo2Nil .9N标 准要求，氮含量在电渣锭的高度和径向分布均匀。
【主权项】
1. 一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在于，该种方法具体 包括如下步骤： (1) 制备自耗电极:依据目标钢种的元素成分，通过下述公式计算常压下目标钢种的氮 溶解度[%N]，使用氮气保护的真空感应炉冶炼氮含量为(0.75~0.90) X [ %N]的自耗电极 母材，目标钢种的氮溶解度计算公式为：式中：i7%为氮压力，Ρθ为标准大气压； 将母材加热到1150~1200°C保温2~3小时，控制终锻温度不低于1050°C，将母材锻造 成适合加压电渣炉电渣重熔尺寸的自耗电极，然后空冷;清除自耗电极表面的氧化皮，然后 将其焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接； (2) 准备渣料并造渣:将与所冶炼高氮奥氏体不锈钢相同材质的引弧环、0.45±0.05kg 引弧肩放到位于自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上;将适于高氮奥氏体不锈钢气相渗氮 用的预熔渣在500~700°C温度下经4~6小时的烘烤后，全部加入到加压电渣炉结晶器内； 安装加压电渣炉上部的炉壳，将熔炼室密闭；向加压电渣炉熔炼室中按10~15L/min的流量 通入氮气，通气时间为5~lOmin，将熔炼室内的空气全部排出，同时向加压电渣炉结晶器内 通入常压水；闭合交流电源，采用固态起弧方法在电压35~40V、电流2000~2500A的条件下 化渣20~25min，完成造渣； (3) 加压电渣冶炼：造渣完成后，逐渐向加压电渣炉熔炼室内充入氮气至压力为1~ 3MPa，并同步提升加压电渣炉结晶器内的冷却水压力，使加压电渣炉结晶器铜壁两侧压力 基本保持一致，并将电压调整至40~45V、电流3000~4500A，进行加压电渣重熔气相渗氮熔 炼，熔速控制方程为v= (〇.35~0.45) XD kg/h，其中D为电渣炉结晶器尺寸，单位为mm;冶 炼过程中控制电流波动< ± 3 %、电压波动< ± 0.5 %、熔速波动< ± 0.5kg/h;将混匀的金 属钙粒和铝粒加入到熔渣中； (4) 出钢:加压电渣重熔补缩后，抬升电极，冶炼结束;关闭交流电源5min后，打开加压 电渣炉放气阀泄压至常压，同步降低加压电渣炉结晶器内冷却水压力至常压，在钢锭温度 降至室温后，脱出钢锭。2. 根据权利1所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤（1)所述的目标钢种成分为C:彡0·2%，Μη:12~30%，Cr:15~30%，SK1%，M〇:0 ~4.5%，Ν:0·7~2%，Ni:0~4.5%，S:彡0.015%，P:彡0.05%，Fe:余量。3. 根据权利1所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤（2)所述的预熔渣组成按重量百分比为：CaF2 :61%，Al2〇3:13%，CaO:20%，MgO: 5%，Si〇2:l%〇4. 根据权利1所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤(3)所述的金属钙粒和铝粒的加入方式为:将混匀的金属钙粒与铝粒，通过步进式 加料机按〇.9~1.7kg/吨钢的比例加入熔渣中，加入速度为(0.4~0.7) XD g/h，其中D为电 渣炉结晶器尺寸，单位为_。5. 根据权利1所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤(3)所述的钙粒用量为0.5~1.0kg/吨钢，粒度为0~3mm，其化学成分以重量百分数 计如下表所示：6. 根据权利1所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在 于，步骤(3)所述的铝粒用量为0.4~0.7kg/吨钢，粒度为3~8_，其化学成分以重量百分数 计如下表所示：
【文档编号】C21C7/06GK105925916SQ201610472064
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】李花兵, 姜周华, 朱红春, 冯浩, 张彬彬, 刘福斌, 耿鑫, 丁伟
【申请人】东北大学