專利名稱：一種常壓下冶煉高氮鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別涉及一種常壓下冶煉高氮鋼的方法。
技術(shù)背景-高氮鋼生產(chǎn)起源于20世紀(jì)50年代，目的是為了節(jié)約資源，以氮代鎳。自80年代 以來(lái)，高氮鋼的生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前德國(guó)采用加壓電渣重熔工藝，保加利 亞用反壓鑄造工藝，日本采用VOD底吹氮?dú)夤に嚭头勰┮苯鸸に嚨瓤沙晒Φ厣a(chǎn)出 多種新型高氮鋼種，其含氮量最高可達(dá)1.0%以上。因此高氮鋼生產(chǎn)工藝的研究與開 發(fā)成為各國(guó)關(guān)注和發(fā)展的焦點(diǎn)。目前高氮鋼已經(jīng)被認(rèn)為是最有石開究和開發(fā)的價(jià)值的 新材料之一。隨著高氮鋼生產(chǎn)工藝不斷的改進(jìn)和完善，高氮鋼的品種和數(shù)量不斷的 增加。目前研制、生產(chǎn)高氮鋼的品種主要有高氮奧氏體不銹鋼、高氮鐵素體不銹鋼、 高氮雙相不銹鋼、高氮冷作或熱作模具鋼、高氮高速鋼等。其中高氮奧氏體不銹鋼 用得最多，應(yīng)用也最廣。這種鋼已被用于制造護(hù)環(huán)，此外高氮鋼的應(yīng)用還包括造船 和機(jī)械制造業(yè)中的重載荷部件，蒸汽透平機(jī)葉片、核反應(yīng)器緊固件和彈簧、模具、 高速鋼刀具、剪切機(jī)刀片；石油勘探儀器部件和電子儀器中的耐磨件、彈簧、輻條 以及高強(qiáng)度電纜組件、雪撬冰刀、特殊的軌道輪子等等，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展其用途還 在不斷地?cái)U(kuò)大，因此，高氮鋼的生產(chǎn)工藝的開發(fā)和研究勢(shì)在必行。目前高氮鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是氮的加入和保持。目前，從鋼液氮合金化工藝來(lái) 看，氮〔N〕的加入主要采用兩種方法添加氮化鐵合金和噴出氮?dú)?N2)。鋼液 中噴吹氮?dú)?N2)加氮雖然成本比較低廉，但由于氮?dú)?N2)進(jìn)入鋼液中需要經(jīng)過(guò) 吸附、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散三個(gè)環(huán)節(jié)，而且鋼液中(0) 、 〔S)等表面活性元素阻礙了 鋼液的吸氮過(guò)程，因此，加氮(N)效果不明顯。添加氮化鐵合金，不但生產(chǎn)成本 較高，而且氮化鐵合金中含有的雜質(zhì)元素會(huì)影響鋼液的純凈度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決高氮鋼在常壓下加氮效果不佳，生產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備裝置 昂貴的問(wèn)題。一種常壓下冶煉高氮鋼的方法其特征在于是以氨氣(NH3)作為噴吹和加氮 的介質(zhì)，向鋼液中噴吹氨氣(NH3)，在中頻感應(yīng)爐、電弧爐、AOD爐中冶煉高氮 鋼，合金成份適用范圍Cr: 1 25%， Mn:l 20%， Si: 0.1 2.0%;冶煉時(shí)鋼液 溫度控制在1500 165(TC，氨氣噴吹量為50 800L/miivt，鋼液中氧、硫含量的控 制范圍為0: 0.001 0.04; S: 0.002 0.08,噴吹氨氣的方式可采用頂吹、底吹或 頂?shù)讖?fù)合吹煉，并且可與氮?dú)饣蜓趸F粉狀物混和。技術(shù)原理1、噴吹N2時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式:<formula>formula see original document page 4</formula>反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)《=<formula>formula see original document page 4</formula>式中[%W —鋼液中氮含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù); 《一反應(yīng)平衡常數(shù)； 人 一氮的活度作用系數(shù)；-氮?dú)獾姆謮?從上式中可以看出氮(N〕在鋼液中的溶解度加加必須提高氮?dú)獾姆謮?；減 少氮的活度作用系數(shù)；提高反應(yīng)平衡常數(shù)；在常壓下， 一定的合金成分的體系中，鋼液的/w、 pj值是一定的，唯一可以改變的是反應(yīng)平衡常數(shù)i:，因此只有提高了K值，才能提高氮在鋼液中的溶解度。從上式可以看出當(dāng)溫度越低時(shí)，AGe越小，越有利于提高K值，從而提高了氮的溶解度。但是由于氮?dú)釴2是由氣體分子變?yōu)?氮原子進(jìn)入鋼液中需要經(jīng)過(guò)吸附、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散三個(gè)限制環(huán)節(jié)，因此在一定供氮 強(qiáng)度下的氮?dú)庠阡撘褐械娜芙庑枰臅r(shí)間比較長(zhǎng)，而且鋼液中的(O〕 、 (S)等表 面活性元素嚴(yán)重阻礙了氮的溶解。因此多個(gè)環(huán)節(jié)的影響，限制了氮?dú)庠阡撘褐械娜?解。2、噴吹NH3時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式<formula>formula see original document page 4</formula> ②
<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>對(duì)于式②，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí):〖xr船 乂 &可得<formula>formula see original document page 5</formula>廣P、^對(duì)于式③，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí):<formula>formula see original document page 5</formula>可得<formula>formula see original document page 5</formula>式中闊V & 乂—鋼液中氮含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù); 《一反應(yīng)平衡常數(shù)； 厶 一氮的活度作用系數(shù)；aM—鋼液中的氮的活度;--X。1 .VX尸總X尸X戶總尺p5afsl—鋼液中的硫的活度;鋼液中的氧的活度;氮?dú)獾姆謮?一水蒸汽的分壓;H2S的分壓;通過(guò)上式②、③可以看出，在一定的氨氣壓力下在一定的合金體系的鋼液中， 如果溫度一定，增加鋼液中的^j、 ^可以提高氮(N〕在鋼液中的溶解度，因此，從理論上講，鋼液中(0) 、 (S)含量不再是鋼液中加氮(N〕的限制環(huán)節(jié)，相反， 提高鋼液中的(0) 、 (S〕含量有利于提高氮(N)在鋼液中的溶解度。此外由于 氨氣本身在高溫下能分解成活性〔N〕原子直接進(jìn)入鋼液中，因此噴吹氨氣更有利 于提高鋼液中氮(N)的溶解度?；谝陨系匿撘褐袊姶档?dú)釴2和氨氣NH3的加氮基理的對(duì)比分析研究，我們不 難看出，噴吹氮?dú)釴2加氮時(shí)除了受三個(gè)限制性的環(huán)節(jié)制約外，同時(shí)還受到鋼液中 (0) 、 (S〕等活性元素的制約，而噴吹氨氣(NH3)加氮時(shí)從理論上講不受其因 素的制約，這就是噴吹氨氣加氮技術(shù)的獨(dú)到之處。因此，從冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上 講，噴吹氨氣(NH3)加氮不但能提高鋼液中的氮〔N)的溶解度，而且能縮短冶煉 時(shí)間。與已有的技術(shù)比較，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)-(1) 本方法比噴吹氮?dú)?N2)時(shí)加氮具有更好的效果，在供給鋼液相同摩爾數(shù)的 氮原子的前提下，吹氨氣的加氮比吹氮?dú)饧拥乃俣雀欤?2) 本發(fā)明有效的利用了鋼液中的活性元素((0) 、 (S)等)，增加了鋼液 的表面張力，減少了氮進(jìn)入鋼液的限制性環(huán)節(jié)，同時(shí)避免了因添加脫氧劑而產(chǎn)生的 夾物；(3) 本發(fā)明經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向鋼液中加氧和硫時(shí)增氮效果更佳。 附表說(shuō)明圖l為中頻感應(yīng)爐中冶煉Crl8Mnl8N時(shí)噴吹氨氣和氮?dú)饧拥Ч膶?duì)比； 圖2為中頻感應(yīng)爐中冶煉Cr23Mnl7N時(shí)噴吹氨氣和氮?dú)饧拥Ч膶?duì)比；圖3為中頻感應(yīng)爐中冶煉Cr23Mnl7N時(shí)噴吹氨氣的同時(shí)向鋼液中加(0) 、 〔S〕 加氮效果的對(duì)比。
具體實(shí)施例方式1 、在中頻感應(yīng)爐中冶煉Crl8Mnl8N時(shí)噴吹氨氣和氮?dú)饧拥Ч膶?duì)比合金成份:化學(xué)成分CrMnSi0s百分量(％)5170.40.030.04溫度調(diào)。C;噴吹量NH3: 65.13L/mirvt， N2: 33.67L/min.t，時(shí)間60min。 2、在中頻感應(yīng)爐中冶煉Cr23Mnl7N時(shí)和氮?dú)饧拥Ч膶?duì)比 合金成份-化學(xué)成分CrMnSiOS百分量(％)23171.00.0050.06溫度160(TC;噴吹量NH3: 65. 13L/mhvt， N2: 33.67L/miirt，時(shí)間50min 3、在中頻感應(yīng)爐中冶煉Cr23Mnl7N時(shí)噴吹氨氣的同時(shí)向鋼液中加(0) 、 (S)時(shí) 加氮效果合金成份加氧、硫化學(xué)成分CrMnSiOS百分量(％)19181.20.040.08合金成份未加氧、硫化學(xué)成分CrMnSiOs鵬 '陽(yáng)19181.2o德0.002溫度誦。C;噴吹量NH3: 65. 13L/min't;時(shí)間50min在同種鋼液成份中噴吹氨氣，從圖中可以看出在32 50分鐘向鋼液中添加氧、 硫，鋼液中氮含量不但沒(méi)有降低，反而升高，說(shuō)明噴吹氨氣加氮時(shí)，氧、硫等活性 原子能增加氮在鋼液中的溶解度，這與理論計(jì)算的結(jié)果相符合。
權(quán)利要求
1.一種常壓下冶煉高氮鋼的方法，其特征在于是以氨氣作為噴吹和加氮的介質(zhì)，向鋼液中噴吹氨氣，在中頻感應(yīng)爐、電弧爐、AOD爐中冶煉高氮鋼，合金成份適用范圍Cr1～25％，Mn1～20％，Si0.1～2.0％；冶煉時(shí)鋼液溫度控制在1500～1650℃，氨氣噴吹量為50～800L/min·t；鋼液中氧、硫含量的控制范圍為O0.001～0.04；S0.002～0.08。
2. 如權(quán)利要求1所述一種常壓下冶煉高氮鋼的方法，其特征在于噴吹氨 氣的方式采用頂吹、底吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉；氨氣吹入時(shí)與氮?dú)饣蜓趸F粉狀 物混和。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別涉及一種常壓下冶煉高氮鋼的方法。其特征在于是以氨氣作為噴吹和加氮的介質(zhì)，向鋼液中噴吹氨氣，在中頻感應(yīng)爐、電弧爐、AOD爐中冶煉高氮鋼，合金成份適用范圍Cr1～25％，Mn1～20％，Si0.1～2.0％；冶煉時(shí)鋼液溫度控制在1500～1650℃，氨氣噴吹量為50～800L/min·t；鋼液中氧、硫含量的控制范圍為O0.001～0.04；S0.002～0.08。噴吹氨氣的方式采用頂吹、底吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉；氨氣吹入時(shí)與氮?dú)饣蜓趸F粉狀物混和。本方法比噴吹氮?dú)?N₂)時(shí)加氮具有更好的效果，在供給鋼液相同摩爾數(shù)的氮原子的前提下，吹氨氣的加氮比吹氮?dú)饧拥乃俣雀欤煌瑫r(shí)避免了因添加脫氧劑而產(chǎn)生的新夾雜。
文檔編號(hào)C22C33/00GK101235461SQ20071012127
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月3日
發(fā)明者儲(chǔ)少軍, 季愛(ài)兵, 馬紹華 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)