一种用微碳铬铁制备高氮钢的方法
【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、高塑性等优异性能已逐步扩大应用范围并在更宽阔和更复杂条件环境中获得应用。高氮钢主要由铁(Fe)、铬(Cr )、猛(Mn)、氮(N)等化学元素组成,其冶炼高氮钢的难点是氮较难加入并易从熔体中逸出形成氮气，一些文献提出了可在常压或近常压下冶炼高氮钢的方法，使如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的主原料都是氮化铬铁及少量高氮铬铁，这种原料产量较小，价格较高，也难以保证稳定的化学成分要求，不适应高氮钢高质量大批量生产的需要。
[0003]本发明的目的在于提供一种用微碳铬铁制备高氮钢的方法，使高氮钢生产的原料得到保障，同时可提高对产品质量的控制及降低高氮钢制造成本。
【发明内容】
[0004]本发明提供的一种用微碳铬铁制备高氮钢的方法，其特征在于:先将微碳铬铁粉增氮制取高氮铬铁中间体，再用高氮铬铁中间体制取高氮钢，其具体步骤如下:
1)将微碳铬铁粉与碳酸盐粉及少量氧化物粉混合为混合粉体，其中碳酸盐粉含量(wt%)为5?20，氧化物粉含量(wt%)为O?5 ;碳酸盐粉由碳酸钙、碳酸镁混合组成，其中碳酸钙含量(wt%)为60?100，碳酸镁含量(wt%)为O?40 ;氧化物粉由氧化铬、氧化铁和氧化猛混合组成，其中氧化铬粉含量(wt%)为O?100,氧化铁粉含量(wt%)为O?100,氧化锰粉含量(wt%)为O?100 ;将混合粉体添加粘结剂后压成块状体并低温干燥制成微碳铬铁料块；加入氧化物的目的是进一步降低微碳铬铁中的碳元素，加入碳酸钙和碳酸镁是为增加微碳铬铁料块的孔隙率以有利于后序渗氮；
2)把微碳铬铁料块装入真空加热炉，升温到800?1200°C，控制炉内压力彡0.1MPa，停留I?10小时，再继续升温至1350?1500°C范围内，控制炉内压力彡500Pa，停留2?30小时后，控制炉内压力< lOOPa，再停留O?5小时后，即完成真空烧结工序，得到微碳铬铁块；继续保持温度为1200?1500°C和炉内压力彡10Pa ;上述在800?1200°C停留I?10小时主要是为了碳酸钙和碳酸镁分解为氧化物和CO2，形成均匀的孔隙，而在1350?1500°C停留2?30小时主要是为了微碳铬铁粉与氧化物粉反应，进一步去除微碳铬铁粉中的碳；
3)用微碳铬铁块直接制备高氮铬铁中间体:在保持炉温1350?1500°C和炉内压力(10Pa下，直接向炉内通入渗氮气体，渗氮气体通入流量按每吨微碳铬铁块0.001?
2.0mVmin，渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°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；检测获得的高氮铬铁中间体主要元素含量(Wt%)为:氮含量6?10，碳0.005?
0.1，铬 40 ?65 ；
4)熔炼高氮合金熔体:将制备的块状高氮铬铁中间体在熔化炉内熔化为熔体，保持熔体温度在1500?1750°C范围内，除去熔体表面的浮渣，当检验熔体氮含量(wt%)降到2?6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；
5)熔炼高氮钢与浇注:将金属锰、金属铁、微碳铬铁及其它合金元素分别或同时加入到高氮合金熔体中，其中高氮合金熔体量(wt%)占高氮钢熔体总量的20?50，金属锰含量(wt%)占高氮钢熔体总量的5?30，金属铁含量(wt%)占高氮钢熔体总量的25?60，微碳铬铁含量(wt%)占高氮钢熔体总量的O?6，其它合金元素含量(wt%)包括钥、铌、镍、铜、钛、钒、稀土等占高氮钢熔体总量< 10，加入各金属及合金过程中保持熔体温度为1400?1600°C;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。
[0005]所述的微碳铬铁粉的主要化学成分含量(wt%)为:铬52?75，碳0.03?0.15，硅
1.0?1.5，磷彡0.06，硫彡0.03，粉体粒度主要为150?250目。
[0006]所述的碳酸盐粉的粉体粒度为200?300目，氧化物粉的粉体粒度为150?250目。
[0007]所述的氧化锰粉为二氧化锰组成。
[0008]所述的粘结剂及其添加量为已知技术，常采用硅酸盐(如硅酸钠)、膨润土、纸浆坐寸ο
[0009]所述的渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°C是指:把微碳铬铁块在炉内自然降温。
[0010]所述的渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°C是指:把微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。
[0011]所述的渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°C是指:把微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。
[0012]所述的渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°C是指:把微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?80(TC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。。。
[0013]所述的渗氮过程的炉温从1350?1500°C控制降温至300?500°C是指:把微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。。。
[0014]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。
[0015]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从任意高压降到任意低压再升到任意高压的压力变化，从而达到置换炉内渗氮气体的目的。
[0016]所述的渗氮气体可为氮气或氨气或两者的混合气，混合比例为任意。
[0017]所述的金属锰是碳含量(wt%) ( 0.1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(wt%) ( 7的含氮金属锰。
[0018]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将金属锰经真空熔炼的熔体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。
[0019]2)固态金属锰除电解金属锰外还包括:①将金属锰在无氧化气氛下重熔后浇注的固态金属锰；②将金属锰在无氧化气氛下重熔再吹入渗氮气体后浇注的固态含氮金属锰；③将金属锰经真空熔炼后浇注的固态金属锰；④将金属锰经真空熔炼再吹入渗氮气体后浇注的固态含氮金属锰。
[0020]所述的加入到高氮合金熔体的金属铁可以是金属铁熔体或是固态金属铁，其材质可以是工业纯铁，也可以是碳含量(wt%) ( 0.lwt%的铁基合金。
[0021]所述的将金属锰和金属铁加入到高氮合金熔体中的加入方法，可以是先一次或多次加入全部的金属锰，待金属锰熔化后再一次或多次加入全部的金属铁；也可以将金属锰和金属铁一次或多次混合加入到高氮合金熔体中。
[0022]所述的其它合金元素在高氮钢熔体中的含量(wt%)为:钥< 6.0，镍< 4.0，铜(3.0，铌彡0.5，钛彡0.5，钒彡0.5，硼彡0.2，稀土彡0.2 ;其它杂质元素总量在高氮钢熔体中的含量(wt%) ( 1.0wt%o
[0023]所述熔炼高氮钢熔体过程中进行脱氧、硫、磷及除渣为常规炼钢操作方法。
[0024]所述熔炼高氮钢熔体过程中进行脱氧、硫、磷是采用含镁、钙包芯线喂线方法。
[0025]本发明的积极效果是:用微碳铬铁粉自产高氮铬铁中间原料质量好且材质可控，有利于高氮合金及高氮钢熔体的的平稳冶炼，可有效地控制高氮钢的化学成分，获得高品质高氮钢坯及铸件；微碳铬铁粉作为制备高氮钢的主要原料来源广且质量可靠，与直接采用氮化铬铁及高氮铬铁原料相比，可降低高氮钢坯及铸件制造成本。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
制备100kg高氮钢，主要成分含量(wt%)为Crl9?21，Mnl8?20，N0.8?9.5，Mol.5 ?2.0，C 彡 0.03，Si 彡 1.5，S 彡 0.05，P 彡 0.05。
[0027]选用的原料为:
1)微碳铬铁粉:检测成分含量(wt%)为:铬65，碳0.15，硅1.0，磷0.03，硫0.025，余为铁，其粉体粒度分布为=150?250目占90%，彡250目占5%，彡150目占5% ；
2)碳酸盐粉体:由碳酸钙和碳酸镁混合组成，其含量(wt%)分别为80和20，检测其粉体粒度为250?300目占95%，其余为5% ；
3)氧化物粉体:由氧化铬、氧化铁和氧化锰混合组成，其含量(wt%)分别为65、20和15，检测其粉体粒度为150?250目占95%，其余为5% ；
4)选用的粘合剂为液态硅酸钠；
5)工业纯铁(碳含量(wt%)( 0.05);金属锰为碳含量(wt%) ( 0.1的经真空熔炼的金属锰熔体；钥铁为钥含量(wt%)为60的钥铁；少量其它合金元素。
[0028]步骤:
O制备微碳铬铁块和高氮铬铁中间体:在350kg微碳铬铁粉中加入30kg碳酸盐粉体和2kg氧化物粉体，再倒入硅酸钠20kg，混合后压制成50 X 100X200的砖形混合铬铁料块，低温干燥后装入真空加热炉内，升温到1000°C时，控制炉内压力在0.09MPa，停留5小时，再继续升温至1400?1480°C范围内，控制炉内压力在100?200Pa，停留10小时后，控制炉内压力彡lOOPa，再停留2小时视为得到微碳铬铁块；在炉温1450?1480°C和炉内压力< 10Pa下，向炉内通入渗氮气体进行渗氮，渗氮气体为氮气和氨气的混合气，体积流