一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮奥氏体不锈钢的渣系的制作方法
【专利摘要】本发明属于冶炼高氮钢技术领域，具体涉及一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系。本发明渣系的化学成分质量百分比为：CaF2：57～62％，CaO：16～20％，Al2O3：12～16％，MgO：3～6％，SiO2：0.5～1.5％，其余为杂质，杂质含量不超过0.8％；其中，CaO/Al2O3为1.00～1.67。通过控制CaO，调节CaO/Al2O3的比例关系，以及配置合理含量的CaF2、MgO和SiO2，提高了渣系的氮容和氮渗透性，可有效提升奥氏体不锈钢的氮含量，并可使氮沿锭身均匀分布，有利于获得高品质高氮奥氏体不锈钢。
【专利说明】
一种加压电渣重熔气相渗氮制备高氮奥氏体不锈钢的渣系
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于冶炼高氮钢的渣系，特别涉及一种用于加压电渣重熔过程中 利用气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系。
【背景技术】
[0002] 氮是强烈的奥氏体稳定化元素，可以促使不锈钢形成奥氏体组织。在镍当量计算 中，氮当量是镍的30倍，因而可以用廉价的氮来替换贵重金属镍，甚至全部取代镍，以获得 奥氏体不锈钢。一般情况下，将钢中氮含量在0.4%以上的奥氏体不锈钢称作高氮奥氏体不 锈钢。在高氮奥氏体不锈钢中，氮作为钢中的间隙元素，通过与其它合金元素(Mn、Cr、Mo、V、 Nb和Ti等）的协同作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性、耐腐蚀性等多种性能，因 此高氮奥氏体不锈钢被认为是近年来最有研究和开发价值的新材料。
[0003] 目前，冶炼高氮奥氏体不锈钢的方式主要分为添加氮化合金法和复合电极法。其 中，添加氮化合金法(如氮化铬铁、氮化锰、氮化硅等)虽方式简单、操作方便，但存在生产成 本高、易被氮化合金中杂质污染、采用Si 3N4容易使Si超标、氮含量均匀性差以及氮含量难以 控制等诸多难题;复合电极法具有电渣重熔过程平稳、表面质量好等优点，但复合电极制备 复杂，焊接复合电极易使电渣锭增氧。与上述两种方法相比，气相渗氮法具有成本低、可避 免产品被氮化合金污染等优点，因而是目前高氮奥氏体不锈钢的重点开发技术。
[0004] 加压电渣重熔是目前商业生产高氮奥氏体不锈钢的主要方法。在加压电渣重熔过 程中，渣系具有举足轻重的作用，直接影响气相渗氮的效果。氮容是表征渣系容纳氮的能 力，高氮容的渣系有利于气相渗氮。而目前广泛应用的传统电渣重熔渣系（如70%CaF 2+ 30 % AI2O3、60 % CaF2+20 % Ca0+20 % AI2O3 和 40 % CaF2+30 % Ca0+30 % AI2O3)的氮容均较低，在 加压电渣重熔高氮奥氏体不锈钢的过程中，气相中的氮不易通过熔渣进入到钢中，因而难 以获得高氮奥氏体不锈钢。
【发明内容】
[0005] 针对传统渣系存在的问题，本发明提供一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏 体不锈钢的渣系，通过调整渣系的成分，提高渣系的氮容和氮渗透性，从而保证在加压电渣 重熔高氮奥氏体不锈钢的过程中气相渗氮的高效性，减少氮化合金的加入量，在保证高氮 奥氏体不锈钢成分与性能的前提下，降低生产成本。
[0006] 本发明的一种用于加压电渣重熔冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的化学成分质量 百分比为<&卩2:57~62%，〇&0 :16~20%412〇3:12~16%，]\%0:3~6%^〇2:0.5~1.5%， 其余为杂质，杂质含量不超过〇. 8% ;其中，CaO/Al2〇3为1.00~1.67。
[0007] 上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的熔化温度为 1250~1325°C。
[0008] 上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系在1500°C的黏 度为0.028~0.035Pa · s。
[0009] 上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系在1500°C的电 阻率为 0.316 ~0.408 Ω .cm。
[0010] 上述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系在1500°C的氮 容为(0.906~1.309) X 10-13。
[0011] 本发明完成的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的制备 方法是:采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料，依照上述成分配比称取 原料后，混合均匀;在1550°C~1580°C下预熔并搅拌至少30分钟，然后将熔渣倒于钢槽内冷 却凝固至室温;最后破碎至粒度为0~l〇mm，从而制备出加压电渣重恪高氮奥氏体不锈钢用 渔系。
[0012] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的使用方法 为:将与所冶炼高氮奥氏体不锈钢相同材质的引弧环和〇.45±0.05kg引弧肩放到自耗电极 下面的加压电渣炉底水箱上;将制备出的预熔渣在500 °C~700°C下烘烤4h~6h后，全部加 入到加压电渣炉结晶器内；密闭熔炼室，充入氮气排空熔炼室内的空气，进行固态起弧造 渔；当造渔完成后，逐渐提尚恪炼室内的氣气压力，同步提升结晶器冷却水压力，并提尚电 流和电压，进行低恪速加压电渣重恪气相渗氮恪炼;通过步进式加料机按照〇. 4kg~0.7kg/ 吨钢的比例不断加入铝粒或硅钙合金脱氧;加压电渣重熔补缩结束后，打开加压电渣炉放 气阀泄压，同步降低冷却水压力至常压，待钢锭完全冷却后，脱出钢锭。
[0013] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系以CaF2为基， 含量为57~62%，不但有利于降低熔渣熔点，且有助于提高渣系的氮容和氮的渗透性;为保 证有较高的碱度，获得良好的电渣重熔脱硫效果，并提高氮容，向渣中加入16~20 %的CaO; 为了进一步促进渣系溶氮，调整CaO/Al2〇3为1.00~1.67,令Al 2〇3的加入量为12~16%;为 了保障渣系的氮容和渗氮效果，渣中Si02的含量需控制在0.5~1.5%;同时渣中加入3~ 6%的MgO,以代替部分CaO。
[0014] 理论分析与研究结果表明：
[0015] 氮在熔渣中的主要存在形式为自由氮(N3-)和非连桥氮0-〇,这两种形式的氮会与 渣中的铝和硅形成如下的网状结构：
[0017] 添加 CaO可以解聚上述网状结构，有助于氮以Ν31ΡΓΓ的形式溶解，并扩散至钢液 中。同时，当CaO/Al 2〇3较低时添加 CaF2有助于渣系溶氮。
[0018] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的氮容定义 式为：
[0020] 其中，CN是氮容；（％N)是熔渣与氮气达到平衡时熔渣中的氮含量;私2是氧分压； 爲 2是氮分压。
[0021] 本发明提供一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系，其特征在 于所述渣系为高氮容渣系。在1500°C下，渣系氮容的计算公式如下所述：
[0022] l〇gCN=7.442A-19.05
[0023] 式中：Λ = ( Σ χαπαΔ A+x咖 Α Β+· · · ·)/( Σ χΑηΑ+ΧΒΠΒ+· · · ·) ;xi为渣系中各组元的摩 尔分数;m为渣系中各组元的摩尔数；渣系中各组元的光学碱度;CN为渣系的氮容。
[0024] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系与传统电渣 重熔渣系的氮容计算结果如表1所示。从表中可以看出，与传统渣系相比，本发明的一种加 压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的氮容较高，有利于加压电渣重熔过程 中气相渗氮的顺利进行。
[0025] 表1本发明渣系与传统电渣重熔渣系的氮容对比，wt. %
[0026]
[0027] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系中添加了少 量的Si〇2。由于低恪速加压电渣重恪易造成电渣锭表面缺陷，加入少量的Si〇2可避免渣系黏 度随温度下降而发生突变，并使渣系具有良好的强度和高温塑性，从而改善了高氮奥氏体 不锈钢电渣锭的表面质量。但较高含量的Si〇2易导致钢中Al、Ti等易氧化元素烧损，并大幅 度降低渣系的氮容和渗氮效果，故而本渣系将Si0 2限定在0.5~1.5 %之间。
[0028] 本发明的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系中添加了 3~ 6%的MgO，替代部分CaO，以防止CaO过高而导致渣系回潮，增加渣的含水量，造成加压电渣 炉冶炼高氮奥氏体不锈钢中氢、氧含量超标。
[0029] 本发明提出的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系，在传统 渣系的基础上，通过控制CaO来调节CaO/Al 2〇3的比例关系，并且配置合理含量的CaF2、MgO和 Si02,从而得到了一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系，该渣系具有 合理的物理特性、更高的氮容以及优异的氮渗透性，可以有效提升奥氏体不锈钢的氮含量， 并可使氮沿锭身分布均匀，有利于获得高品质高氮奥氏体不锈钢。
【具体实施方式】
[0030] 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。
[0031] 实施例1
[0032] 本实施例的加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的化学成分质 量百分比为<3?2:59.3%41 203:15%，030:18%，]\%0:6%，3丨02:1%，其余为杂质。该渣系 的熔化温度为1270°(：;在1500°(：温度下，该渣系的电阻率为0.3810.〇11，黏度为0.033? &· s，氮容为 1.046X10-13。
[0033] 该渣系的制备方法为:采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料， 依照上述成分配比称取原料后，混合均匀;利用三相化渣炉在1560Γ下预熔35分钟，熔炼电 流为1500A，电压为35V，然后将恪渣倒于钢槽内冷却凝固至室温;最后破碎至0~10mm，从而 制备出加压电渣重熔高氮奥氏体不锈钢用渣系。
[0034] 采用上述预熔渣加压电渣重熔200kg的18Cr2Mo0.5N钢（目标氮含量为0.4~ 0.6 % )。自耗电极母材由氮气保护的真空熔炼炉冶炼获得，并锻造成直径Φ 130mm的自耗电 极，其成分如下：
[0035]
[0036]该渣系的使用方法为:将与18Cr2M〇0.5N钢相同材质的引弧环和0.44kg引弧肩放 到自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上;将制备出的预熔渣在600°C下烘烤5h后，全部加入 到直径D为220mm结晶器内，渣量为9kg;密闭加压电渣炉熔炼室，充入氮气排空;进行固态起 弧造渣，化渣电压为38V，化渣电流为2300A，化渣时间为24分钟，完成造渣；当造渣完成后， 逐渐提高熔炼室内的氮气压力至1.6MPa，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力至 1.6MPa，进行加压电渣重熔气相渗氮熔炼，冶炼电流和电压分别为3800A和42V，熔速为 89kg/h;同时利用步进式加料机加入总重110g的铝粒进行脱氧。加压电渣重熔补缩结束后， 打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低冷却水压力至常压，待钢锭完全冷却后，脱出钢锭。
[0037] 加压电渣重熔18Cr2MoO. 5N钢锭成分如下：
[0038]
[0039] 冶炼结束后对不同部位的氮含量进行分析，结果如下表所示：
[0040]
[0041 ] 从上表可以看到，此例所得到的电渣锭达到目标钢种18Cr2M〇0.5N的氮含量要求， 氮沿锭身分布均匀，电渣锭表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣等缺陷。
[0042] 实施例2
[0043] 本实施例的加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的化学成分质 量百分比为：CaF2:61.7%，Al 2〇3:12%，Ca0:20%，Mg0:5%，Si02:0.5%，其余为杂质。该渣 系的熔化温度为1260°(：;在1500°(：温度下，该渣系的电阻率为0.318〇.( ；111，黏度为 0.030Pa · s，氮容为 1.288 X 10-13。
[0044] 该渣系的制备方法为:采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为原料， 依照上述成分配比称取原料后，混合均匀;利用三相化渣炉在1570Γ下预熔40分钟，熔炼电 流为1500A，电压为35V，然后将恪渣倒于钢槽内冷却凝固至室温;最后破碎至0~10mm，从而 制备出加压电渣重熔高氮奥氏体不锈钢用渣系。
[0045] 采用上述预熔渣加压电渣重熔200kg的23Cr4Ni2Mo0.75N钢（目标氮含量为0.6~ 0.8 % )。自耗电极母材由氮气保护的真空熔炼炉冶炼获得，并锻造成直径Φ 130mm的自耗电 极，其成分如下：
[0046]
[0047] 冶炼结束后对不同部位的氮含量进行分析，结果如下表所示：
[0048]
[0049] 从上表可以看到，此例所得到的电渣锭达到目标钢种23Cr4Ni2M〇0.75N的氮含量 要求，氮沿锭身分布均匀，电渣锭表面质量良好，无渣沟、结瘤、重皮、褶皱、夹渣。
【主权项】
1. 一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系，其特征在于，该渣系的 成分按重量百分比为CaF 2:57~62%，CaO:16~20%，Al2〇3:12~16%，MgO:3~6%，Si〇2: 0.5~1.5%，其余为杂质，杂质含量不超过0.8% ;其中，CaO/Al2〇3为1.00~1.67;渣系的熔 化温度为1250~1325°C。2. 根据权利要求1中所述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣 系，其特征在于，渣系在1500°C的黏度为0.028~0.035Pa · s。3. 根据权利要求1中所述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣 系，其特征在于，渣系在1500°C的电阻率为0.316~0.408Ω · cm。4. 根据权利要求1中所述的一种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣 系，其特征在于，渣系在1500°C的氮容为(0.906~1.309)X10_ 13。5. -种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢渣系的制备方法，其特征在于， 所述方法包括:采用高纯萤石、石灰、工业氧化铝、电熔镁砂和硅石为主要原料，按重量百分 比为CaF 2:57~62%，CaO:16~20%，Al2〇3:12~16%，MgO:3~6%，Si02:0.5~1.5%，其余 为杂质的成分配比称取原料后，混合均匀;在1550 °C~1580°C下预熔并搅拌至少30分钟，然 后将熔渣倒于钢槽内冷却凝固至室温;最后破碎至粒度为0~l〇mm制备出加压电渣重熔高 氮奥氏体不锈钢用渣系。6. -种加压电渣重熔气相渗氮冶炼高氮奥氏体不锈钢的渣系的使用方法，其特征在 于，所述方法包括:将与所冶炼高氮奥氏体不锈钢相同材质的引弧环和〇.45±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;将制备出的预熔渣在500°C~700°C下烘 烤4h~6h后全部加入到加压电渣炉结晶器内；密闭熔炼室，充入氮气排空熔炼室内的空气， 进行固态起弧造渣；当造渣完成后，逐渐提高熔炼室内的氮气压力，同步提升结晶器冷却水 压力，并提高电流和电压，进行低熔速加压电渣重熔气相渗氮熔炼。
【文档编号】C22C33/06GK105936978SQ201610485525
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】李花兵, 姜周华, 冯浩, 张彬彬, 张树才, 刘福斌, 耿鑫, 罗毅
【申请人】东北大学