[发明专利]等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种金属冶炼方法，具体是一种用等离子弧冶炼含氮金属材料的方法。

背景技术

氮是炼钢的合金元素，添加氮可以扩大奥氏体（γ）范围，起到的作用类似于碳、镍、锰。然而，不锈钢中碳的含量不宜超过一定限度，否则会降低钢的耐腐蚀性能。锰是有力的奥氏体元素，但是它会限制铬的含量，不能过高，否则就不能形成奥氏体结构。钢的成分中铬含量过高就会掺杂甚至变成铁素体（σ相）。所以最经济的获得高级奥氏体不锈钢的途径，就是用氮替代一部分镍，0.1%氮相当于1.5～2.5%镍。

在钢中增加氮的含量会降低甚至完全去除铁素体成分，这就提高了奥氏体不锈钢抗腐蚀性能和牢固度，同时不会降低其塑性。

当前高氮钢等金属材料冶炼技术方法主要是利用昂贵的含氮铁合金将氮加入熔炼的不锈钢中，或者采用高压氮气合金化两种方式，所加入氮的含量不会超过氮在那种钢中的溶解度（液相线温度条件下）。其中，加入含氮铁合金的方式价格昂贵，且金属材料所获得的氮含量有限，最高氮含量均≤0.85%，同时，采用加入含氮铁合金的方法使合金中的碳过高，降低钢的耐腐蚀性能；高压氮气合金化由于真空室中充氮的压力有限，在液相线温度条件下溶解度有限，得到的最高含氮量均≤0.7%。 

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种等离子弧加氮冶炼金属材料的方法，采用该方法得到的氮的含量提高一倍的高氮钢和高氮合金，其具有优异的机械性能，牢固度高、塑性好、抗冲击性强、耐腐蚀性强。

本发明的技术方案是：

用等离子弧加氮冶炼含氮金属材料的方法，有以下步骤：

1）将钢坯安装于冶炼设备的电极夹持臂上，使钢坯位于结晶器的上方，抽真空使熔炼炉内为真空的气氛，真空度达到0.5Pa以下；

2）至少3个所用气体为氩氮混合气体的等离子枪呈辐射状均匀分布在坯料的底部，调节等离子枪的角度与水平方向的角度为30°～60°，等离子枪与坯料之间有距离；

3）启动等离子发生器开关，熔炼，钢坯熔化并呈熔滴状落入结晶器的金属熔池中；

4）结晶器中的钢液冷却为钢锭，得到加氮的铸锭材料。

进一步的技术方案是，步骤3）所述的产生等离子气体用氩—氮混合气体中氮含量为10～90wt%。

进一步的技术方案是，结晶器直径的2/3≤钢坯的直径≤结晶器直径。

进一步的技术方案是，步骤2）所述等离子枪与坯料之间的距离为2mm～15mm。

进一步的技术方案是，步骤4）所述的等离子枪个数为3～6个，氮氩气压力范围0.3～1MPa。

进一步的技术方案是，步骤4）所述加氮的铸锭材料的氮含量为0～1.2wt%。

采用本发明技术方案，可以不使用含氮铁合金，用等离子枪向熔化的钢水滴直接添加廉价的气态氮，充分发挥等离子气的作用。采用本发明方法向熔化的钢水滴直接加氮具有以下优点：1.是可以避免铁素体成分，提高奥氏体钢抗腐蚀性和牢固度；2.氮的含量可以提高一倍作用；3.冶炼过程中气体成分、炉内压力、熔炼速度和钢水温度可以调节，可以炼出任何化学成分的钢与合金。

采用本发明所述方法，将等离子枪呈辐射状分布在消耗性坯料周围，可以均匀地熔化钢坯的下端，并通过调整等离子枪的位置、角度，以保证结晶器内的金属熔池均匀受热。由于钢坯的底部熔化的金属以点滴状落入下方金属熔池，形成了极为丰富的能与含氮等离子弧相互作用的表面。等离子弧中含有被激化的氮分子，与熔池中大面积的液态金属表面相接触，很快就使金属充满氮。

采用本发明所述方法，按计算规定的量直接添加氩—氮等离子，不使用含氮合金材料，使金属材料氮合金化，因此，金属材料中氮的浓度可以超过其标准溶解度，为制备资源节约经济型含氮金属材料开拓了广泛的前景。

本发明所述方法仅涉及金属冶炼阶段，因此，其成本低，所获得的经济效益就能占到吨钢价值的5%到8%。

采用本发明所述方法得到的高氮钢和高氮合金钢锭，没有表层下的孔隙和疏松结构，得到的是高氮奥氏体不锈钢，具有优异的机械性能，牢固度高、塑性好、抗冲击性强、耐腐蚀性强。本方法可按需冶炼各种含氮量的金属。

本发明具有以下特点和效果：

1）实现快速在坯料下端的熔滴和熔池大面积表面渗入氮的目的；

2）等离子弧兼具熔炼坯料和等离子化氩—氮气体作用，能量利用率高；

3）可使熔炼的含氮金属材料氮含量在一定宽度的范围内调节，氮含量分布均匀；