控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法
技术领域
1.本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法。
背景技术：
2.氮作为一种廉价、环境友好的元素加入不锈钢中，能显著改善其力学和腐蚀等诸多性能。冶金工作者通常把氮含量超过0.40%的奥氏体不锈钢称为高氮钢。cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢因其不但具有高强度、高韧性、高耐磨性，而且具有优良的耐蚀性及无磁性，成为石油钻铤、无磁扶正器的首选材料。与普通钢材料相比，无磁材料的冶炼技术先进、价格昂贵。
3.随着石油勘探开发向着高深度及复杂地层的发展，超深井、大斜度井以及大位移井等钻井技术的应用，钻具产品在井下低温、腐蚀、高压等环境复杂、环境恶劣的条件下使用，其运输和装卸较为困难，因此要求其材料具备优良的力学性能及较高的质量稳定性，以保证钻具产品使用寿命。
4.经研究，钢中非金属夹杂物对材料的耐蚀性能、力学性能以及使用寿命有明显的影响，大尺寸非金属夹杂物是造成产品使用过程出现腐蚀开裂的主要因素之一。cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢材料要想获得高质量、高可靠性的综合性能，如何合理控制钢中的大尺寸非金属夹杂物是生产过程的重中之重。
技术实现要素：
5.本发明的目的旨在解决背景技术中的所述问题而提供一种控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法，采用“感应炉熔炼+氩氧炉熔炼+模铸电极坯+电渣重熔”的工艺路线生产，具体的冶炼步骤如下：步骤1）、感应炉熔炼时原材料精选低磷钢种返回料头400～600kg/t、铬铁200～300kg/t、钼铁5～10kg/t、镍板20～30kg/t，加料前向炉内加入钢水计划量1%～4%的石灰；步骤2）、氩氧炉熔炼时先氧化冶炼再还原冶炼，氧化期吹氧脱碳至碳含量低于0.02%，还原期加入萤石5～10kg/t、石灰30～50kg/t进行造渣，控制炉渣碱度1.5～2.5，加电解锰200～300kg/t调整锰含量，向炉内加入硅铁30～50kg/t、铝锭7～10kg/t进行吹氧升温及还原，根据取样化学分析结果及工艺目标成分补加合金微调成分，吹氮气及补加氮化合金20～40kg/t调整氮含量，成分满足要求出钢；步骤3）、兑钢至钢包内，底吹氮气100～300m
³
/h，钢包中钢液弱搅拌总时间控制7～11min，弱搅拌3～5min时采用专用喂线设备向钢包内喂入硅钙线0.8～1.5kg/t，硅钙线规格∮8～∮16mm，喂线速度控制在40～100m/min；步骤4）、吊包浇注成电极坯，脱模后沿冒口线切冒口，空冷后转电渣工序；
步骤5）、电极坯表面采用砂轮机打磨见光清理干净浮渣、浮尘及浮锈，焊接假电极，电渣重熔；步骤6）、电渣锭检验，下转锻造。
7.产品化学成分要求：c≤0.05%，si≤1.00%，mn 16.00%～22.00%，ni≤4.00%，cr 16.50%～20.00%，mo≤2.20%，s≤0.015%，p≤0.035%，n 0.45%～0.60%，余量为铁，冶炼过程对部分合金元素进行内控：si 0.40%～0.60%，al≤0.010%。
8.电渣重熔时假电极必须焊在电极坯冒口端，电渣过程采用氮气保护，氮气流量30～10nm3/h，电渣重熔所用渣系为60%-caf
2 +20%-al2o3+20%-cao全预熔渣。
9.电渣重熔过程采用“高电压低电流”供电制度，最高二次电压（单位：v）优选为结晶器直径（单位：mm）的k1倍（系数k1取0.09～0.12，小锭取大值，大锭取小值）,最高电流（单位：a）优选为结晶器直径（单位：mm）的k2倍（系数k2取20～25，小锭取小值，大锭取大值），电流波动范围控制
±
30%～
±
50%，结晶器循环水进出水温差控制30～55℃。
10.本发明技术方案产生的积极效果如下：所述一种控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法，控制si 0.40%～0.60%，钢中存在一定量的si保证脱氧良好，通过控制al≤0.010%，达到控制钢中较低的铝基非金属夹杂物。
11.感应炉熔炼前加入一定量的石灰，便于冶炼初期期形成高碱度的炉渣，同时减轻炉底及炉衬的冲蚀，避免外来夹杂物带入钢中。
12.向钢包内喂入硅钙线，硅钙线起到两方面的作用：一方面对钢液进一步脱氧，去除钢中游离氧及不稳定氧化物。另一方面对钢中铝基夹杂物进行改性，生成易变形的硅酸盐夹杂物，从而达到控制电极坯中非金属夹杂物尺寸及数量的目的。
13.假电极焊在电极坯冒口端电渣，电极坯冒口朝上，避免了电极坯冒口端气体、夹杂物进入渣池以及金属熔池，污染渣液、钢液，且电极坯与电渣锭皆为v型偏析，有利于电渣过程夹杂物和气体的去除。
14.电渣过程氮气保护，有利于在电渣过程渣面上方形成惰性气氛，从而抑制渣面上方的电极坯表皮与大气中氧分子的氧化反应，避免生成的氧化物通过渣液进入钢中形成非金属夹杂物。
15.电渣渣系采用60%-caf
2 +20%-al2o3+20%-cao全预熔渣，高碱度预熔渣能有利于减少电渣过程增氢、增氧，且超大直径夹杂物更容易被熔渣吸附去除。
16.电渣采用高电压低电流供电制度，电流波动范围控制
±
30%～
±
50%，有利于在电极坯端部得到更小的熔滴，使得金属熔滴与渣液的接触比表面积更大，促进钢液熔化阶段非金属夹杂物的去除。
17.采用高电压低电流供电制度，结晶器循环水进出水温差控制30～50℃，电渣过程凝固速度较慢，结晶器内金属熔池相对较深，有利于钢中非金属夹杂物的上浮。
具体实施方式
18.实施例1：一种控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的冶炼方法，采用“5t感应炉熔炼+8t氩氧炉熔炼+模铸电极坯+3t炉电渣重熔”的工艺路线生产zynm7，产品技术标准中成分要求：c≤0.05%，si≤1.00%，mn 16.00%～22.00%，ni≤4.00%，cr 16.50%～
20.00%，mo ≤2.20%，s≤0.015%，p≤0.035%，n 0.45%～0.60%，余量为铁。对部分合金元素进行内控：si 0.40%～0.60%，al≤0.010%。
19.具体的冶炼步骤如下：步骤1）、感应炉熔炼原材料选用p≤0.010%返回料头4.5t、铬铁1.8t、钼铁50kg、镍板200kg，加原材料前向感应炉内加石灰100kg；步骤2）、氩氧炉熔炼时先氧化冶炼再还原冶炼，氧化期吹氧脱碳至0.016%，还原期加入萤石50kg、石灰300kg进行造渣，控制炉渣碱度2.0，加电解锰2000kg调整锰含量，向炉内加入350kg硅铁和70kg铝锭吹氧升温及还原，然后根据取样化学分析结果及工艺目标成分补加合金微调成分，加氮化合金200kg调整氮含量，成分满足要求出钢；步骤3）、兑钢至钢包内，底吹氮气流量230m
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/h，采用专用喂线设备向钢包内喂入硅钙线10kg，硅钙线规格∮13mm，喂线速度50m/min；步骤4）、吊包浇注成∮420mm*3200mm规格电极坯，脱模后沿冒口线切割冒口，空冷；步骤5）、电极坯表面采用砂轮机打磨清理浮渣、浮尘及浮锈等，假电极焊在电极坯冒口端，然后在∮580/620mm规格结晶器内电渣重熔电渣渣系采用60%-caf2+20%-al2o
3 +20%-cao全预熔渣，电渣过程采用氮气保护，氮气流量20nm3/h，采用“高电压低电流”供电制度，最高二次电压66v，最高电流12500a，电流波动范围控制
±
30%～
±
50%，结晶器循环水进出水温差控制32～47℃。
20.步骤6）、电渣锭检验，下转锻造。
21.分别采用常规工艺冶炼方法和根据本实施例的冶炼方法进行了两组冶炼，每组生产3支电渣锭，电渣锭锻后在尾冒两端取样检测非金属夹杂物，采用常规冶炼方法和本实施例冶炼方法生产高氮奥氏体不锈钢产品的非金属夹杂物检测统计结果见1：表1 非金属夹杂物
分类试样数量存在大尺寸非金属夹杂物的试样数量大尺寸非金属夹杂物平均直径常规方法30个8个18.75μm本实施例30个1个15μm
由表1可知：采用常规工艺所生产的产品30个试样中，存在大尺寸非金属夹杂物8个，占比26.67%,大尺寸非金属夹杂物平均直径为18.75μm。采用本实施例中的冶炼方法所生产的产品30个试样中，仅存在大尺寸非金属夹杂物2个，占比6.67%，大尺寸非金属夹杂物平均直径为15μm。
22.本实施例cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸非金属夹杂物占比较常规工艺降低20%，并且大尺寸非金属夹杂物的平均直径较常规工艺减小3.75μm。本发明对控制cr-mn-ni高氮奥氏体不锈钢中大尺寸夹杂物的数量及直径具有显著效果，为产品性能的提高提供了基础保障。