專利名稱：高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，即高真空感應(yīng)爐通過熔煉后期向爐內(nèi)充入保護(hù)氣后添加增氮合金冶煉含氮鋼的方法。

背景技術(shù)：
氮元素由于產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，不僅可以提高鋼材強(qiáng)度，提高耐磨性等，而且能改善其耐蝕性，所以不銹鋼、取向硅鋼、結(jié)構(gòu)鋼甚至一些新型工模具鋼中也加入少量氮，以改善其性能。高真空感應(yīng)爐由于真空度較高，氮分壓非常低，冶煉含氮不銹鋼和其它含氮鋼種難度大。目前冶煉含氮鋼的主要方法有氣相滲氮和加入增氮合金兩種方法。真空感應(yīng)爐由于無(wú)頂吹、底吹系統(tǒng)，所以氣相滲氮方法目前不適用。另一種方法是真空感應(yīng)爐充氬氣冶煉然后加入增氮合金，氮不能穩(wěn)定回收，平均回收率在80％以下，且存在成分不易精確控制、加增氮合金后熔煉時(shí)間不宜過長(zhǎng)等缺點(diǎn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鋼水氧化程度小、氮回收率高而且穩(wěn)定的高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法。
本發(fā)明在高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼時(shí)根據(jù)鋼中氮含量溶解原理，創(chuàng)造有利于增氮的工藝因素，在高真感應(yīng)爐精煉后期充入氮?dú)?，提高鋼中氮飽和溶解度高于氮控制含量上限值，控制合適的熔煉溫度，加入氮化鉻鐵、氮化硅鐵等增氮合金增氮，加增氮合金后的熔煉時(shí)間不受限制，使增氮合金充分熔化，氮完全溶解到鋼中，不發(fā)生真空下氮溢出。在氮?dú)夥障鲁鲣摑茶T，達(dá)到精確、低成本的增氮目的。
本發(fā)明方法是 (1)裝料把清潔干燥的廢鋼或純鐵、鐵合金裝入高真空感應(yīng)爐；并按鋼中氮含量要求計(jì)算出所需增氮合金重量； (2)合爐抽真空合爐抽真空約15分鐘后，當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)<10Pa時(shí)，送電加熱爐料； (3)爐料熔化熔化速度≤1/2爐最大容量/小時(shí)； (4)精煉真空度≤0.5Pa，在高真空下進(jìn)行碳氧反應(yīng)，充分脫除鋼中氧； (5)充氣向爐內(nèi)充入氮?dú)猓涞獕毫εc一個(gè)大氣壓的比值PN2按下式計(jì)算 lgPN2＝2×(lg[％N]-lgKN+lgfN) 式中KN為氮溶解反應(yīng)平衡常數(shù)，fN為氮的活度系數(shù)，無(wú)量綱；[％N]為氮在鋼中溶解度；KN、fN、[％N]根據(jù)冶煉鋼種成分、溫度等的不同，查相關(guān)文獻(xiàn)得出； (6)合金化在充氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，調(diào)整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計(jì)算出的增氮合金量加入氮化鉻鐵、氮化錳鐵或其它增氮合金； (7)出鋼澆注采用直接澆注方式。
本發(fā)明中的含氮鋼指控制鋼中氮含量大于一定數(shù)值或控制一定范圍的鋼鐵材料。高真空感應(yīng)爐所用氮?dú)獾募兌取?9％，氮?dú)夂趿啃∮?.1％。增氮合金采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的氮化錳鐵和氮化鉻鐵，或其它增氮合金。
爐料在熔化過程中由于真空的作用可以去除一部分氣體、高蒸氣壓的微量有害元素和硫等。為使?fàn)t料在熔化過程中充分去氣和熔化正常，不發(fā)生大噴濺，以保證爐內(nèi)高的真空度，一般控制熔化速度≤1/2爐最大容量/小時(shí)。
在計(jì)算充氮壓力與一個(gè)大氣壓的比值PN2時(shí)，鋼液中氮的溶解過程可表示為1/2N2＝[％N]，取氮溶于鋼液中濃度1％為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，可得[％N]＝KN*PN21/2/fN，因此lg[％N]＝lg KN-lgfN+1/2lg PN2。
出鋼澆注時(shí)為避免注溫下降和氧化膜混入注流中，通常采用帶電澆注。
根據(jù)不同鋼種成分和氮含量要求，計(jì)算出氮在鋼中活度系數(shù)和熔煉溫度下氮的飽和溶解度，根據(jù)目標(biāo)氮含量確定充氮?dú)鈮毫驮龅辖鸺尤肓?，使氮飽和溶解度高于目?biāo)氮含量，則氮回收率可達(dá)96％以上。
本發(fā)明適用于要求氮含量大于一定數(shù)值或控制范圍的鋼種冶煉。本發(fā)明通過選擇合適的充氮?dú)鈮毫Γ商岣叩娘柡腿芙舛?，并采用合適的澆注溫度，使增氮合金充分溶解進(jìn)入鋼中，氮回收率較高，成份控制精確。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例一設(shè)備采用200kg高真空感應(yīng)爐，極限真空度為6.67×10-2Pa，電源功率為250KW，頻率為2500HZ，裝爐量130kg。鋼種為雙相不銹鋼00Cr22Ni9Mo3N(非標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào))。冶煉一爐雙相不銹鋼00Cr24Ni9Mo3N需要的原料加入量見表1，雙相不銹鋼00Cr24Ni9Mo3N成分控制范圍及冶煉控制目標(biāo)見表2。 表1、冶煉一爐雙相不銹鋼00Cr24Ni9Mo3N需要純鐵及合金重量 表2、雙相不銹鋼00Cr24Ni9Mo3N成分控制范圍及控制目標(biāo)(％) 按公式lg PN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)計(jì)算得出，溫度1873K時(shí)，要使氮的飽和溶解度大于0.16％，充氮?dú)鈮毫?yīng)大于0.2個(gè)大氣壓。其中氮化鉻鐵含氮量7.33％。
具體步驟如下 (1)將純鐵、金屬鉻、鎳豆、鉬鐵裝入爐內(nèi)。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉(cāng)。
(2)合爐抽真空。抽真空16分鐘后，爐內(nèi)真空度9Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。
(3)熔化速度≤65公斤/小時(shí)，爐最大容量130公斤。
(4)爐料化清，真空度逐步降低。
(5)開啟高真空泵，進(jìn)入精煉期，真空度0.2Pa。
(6)加入硅鐵，向爐內(nèi)充氮?dú)?.3個(gè)大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。
(7)出鋼澆注。
表3、成品鋼的化學(xué)成分(％) 氮回收率達(dá)到100％。
實(shí)施例二設(shè)備采用200kg高真空感應(yīng)爐，極限真空度為6.67×10-2Pa，電源功率為250KW，頻率為2500HZ，裝爐量130kg。鋼種為奧氏體不銹鋼310HNbN(美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中UNS代號(hào)為S31042的鋼號(hào))。冶煉一爐奧氏體不銹鋼310HNbN需要的原料加入量見表4，310HNbN成分控制范圍及冶煉控制目標(biāo)見表5。
表4、冶煉一爐奧氏體不銹鋼310HNbN需要的純鐵及合金重量表5、310HNbN成分控制范圍及控制目標(biāo)(％) 按公式lg PN2＝2×(lg[％N]-lgKN+lgfN)計(jì)算得出，溫度為1873K時(shí)，要使氮的飽和溶解度大于0.20％，充氮?dú)鈮毫?yīng)大于0.4個(gè)大氣壓。
具體步驟如下 (1)將純鐵、微碳鉻鐵、鎳豆、鈮鐵裝入爐內(nèi)。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉(cāng)。
(2)合爐抽真空至爐內(nèi)真空度8Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。
(3)熔化速度≤65公斤/小時(shí)，爐最大容量130公斤。
(4)爐料化清，真空度逐步降低。
(5)開啟高真空泵，進(jìn)入精煉期，真空度0.3Pa。
(6)加入硅鐵，并向爐內(nèi)充氮?dú)庵?.4個(gè)大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。
(7)出鋼澆注。
表6、成品鋼的化學(xué)成分(％) 氮的回收率達(dá)到97.5％。
實(shí)施例三設(shè)備采用200kg高真空感應(yīng)爐極限真空度為6.67×10-2Pa，電源功率為250KW，頻率為2500HZ，裝爐量130kg。鋼種為熱作模具鋼。冶煉一爐熱作模具鋼需要的原料加入量見表7，熱作模具鋼成分控制范圍及冶煉控制目標(biāo)見表8。 表7、冶煉一爐熱作模具鋼需要的純鐵及合金重量 其中，氮化鉻鐵的氮含量為6.82％。表8、熱作模具鋼成分控制范圍及控制目標(biāo)(％) 按公式lg PN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)計(jì)算得出，溫度為1873K時(shí)，要使氮的飽和溶解度大于0.03％，充氮?dú)鈮毫?yīng)大于0.2個(gè)大氣壓。
具體步驟如下 (1)將純鐵、微碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵裝入爐內(nèi)。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉(cāng)。
(2)合爐抽真空，抽至爐內(nèi)真空度7Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。
(3)熔化速度≤65公斤/小時(shí)，爐最大容量130公斤。
(4)爐料化清。
(5)開啟高真空泵，進(jìn)入精煉期，真空度0.3Pa。
(6)加入硅鐵，并向爐內(nèi)充氮?dú)?.3個(gè)大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。
(7)出鋼澆注。
表9、成品鋼的化學(xué)成分(％) 氮回收率達(dá)到100％。
權(quán)利要求
1.一種高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是
(1)裝料把清潔干燥的廢鋼或純鐵、鐵合金裝入高真空感應(yīng)爐；并按鋼中氮含量要求計(jì)算出所需增氮合金重量；
(2)合爐抽真空合爐抽真空約15分鐘后，當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)<10Pa時(shí)，送電加熱爐料；
(3)爐料熔化熔化速度≤1/2爐最大容量/小時(shí)；
(4)精煉真空度≤0.5Pa，在高真空下進(jìn)行碳氧反應(yīng)，充分脫除鋼中氧；
(5)充氣向爐內(nèi)充入氮?dú)猓涞獕毫εc一個(gè)大氣壓的比值PN2按下式計(jì)算
lgPN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)
式中KN為氮溶解反應(yīng)平衡常數(shù)，fN為氮的活度系數(shù)，無(wú)量綱；[％N]為氮在鋼中溶解度；所用氮?dú)獾募兌取?9％；
(6)合金化在充氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，調(diào)整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計(jì)算出的增氮合金量加入氮化鉻鐵、氮化錳鐵或其它增氮合金；
(7)出鋼澆注采用直接澆注方式。
2.如權(quán)利要求1所述的高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是根據(jù)不同鋼種成分和氮含量要求，計(jì)算出氮在鋼中活度系數(shù)和熔煉溫度下氮的飽和溶解度，根據(jù)目標(biāo)氮含量確定充氮?dú)鈮毫驮龅辖鸺尤肓?，使氮飽和溶解度高于氮控制含量上限值?br> 3.如權(quán)利要求1所述的高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是高真空感應(yīng)爐所用氬氣的純度≥99％。
4.如權(quán)利要求1所述的高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是出鋼澆注采用帶電澆注。
全文摘要
一種高真空感應(yīng)爐冶煉含氮鋼增氮方法，適用于要求氮含量大于一定數(shù)值或控制范圍的鋼種冶煉，目的是鋼水氧化程度極小、氮回收率高而且穩(wěn)定，本發(fā)明方法是先把清潔干燥的廢鋼或純鐵、鐵合金裝入高真空感應(yīng)爐；并按鋼中氮含量要求計(jì)算出所需氮化合金量；再合爐抽真空，送電加熱爐料；爐料熔化、精煉、向爐內(nèi)充入氮?dú)?，在充氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，調(diào)整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計(jì)算出的增氮合金量加入氮化鉻鐵、氮化錳鐵或其它增氮合金，然后出鋼澆注。
文檔編號(hào)C21C7/00GK101372721SQ200810079428
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者趙鴻燕 申請(qǐng)人:山西太鋼不銹鋼股份有限公司