[发明专利]一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高氮钢冶炼领域，具体涉及一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法。

背景技术

作为一种重要的工程材料，高氮不锈钢在交通运输(如轮船、飞机)、建筑(如超高强度钢筋)、电力、石油化工、原子能、医用植入材料和军事工业等领域具有广泛的应用前景。氮作为钢中重要的合金元素，通过与其它合金元素(如Mn、Cr)的协同作用，可以显著改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性和耐腐蚀等多种性能。常压下钢中的氮溶解度有限，以Mn18Cr18N为例，常压下冶炼该钢时氮含量均低于0.65％，欲使氮含量超过0.8％且无气孔等缺陷，必须采用加压冶金手段。加压电渣重熔是目前工业化生产高氮钢的有效方法，德国开发了压力达4.2MPa，利用添加Si₃N₄等氮化合金的方法进行氮合金化的加压电渣炉，可生产重达20t的铸锭。

加压电渣重熔过程中，广泛采用的增氮方法有氮化合金法(如添加氮化锰、氮化铬、氮化铬铁等)和复合电极法。氮化合金法操作简单，能提高氮含量，但电渣锭中氮分布不均匀，有时须进行二次重熔，导致生产成本显著增加；日本NIMS研究所和国内东北大学采用复合电极法成功制备出了氮含量为0.8～1.2％、成分均匀、组织致密的高氮奥氏体不锈钢，但存在复合电极制备复杂、焊接复合电极过程中易使电渣锭增氧等缺点。

研究表明，加压电渣重熔过程中采用气相渗氮法可连续增氮，保证铸锭中氮分布均匀，易于通过压力调节电渣锭中的氮含量，适于冶炼硅含量要求严格的钢种，且成本较低。但冶炼过程中通入的高纯氮气，不可避免地含有氧；随着压力的增加，炉内的氧必然会富集，导致电渣锭中的氧含量增多。同时，自耗电极中的氧和渣料中带入的不稳定氧化物等亦会引起电渣锭中氧含量增加，洁净度降低，影响电渣锭的质量。此外，加压电渣重熔过程中高压操作会显著影响设备寿命，降低生产效率。因此，探索出一种在相对较低压力下冶炼更高氮含量和较低氧含量电渣锭的方法，有益于降低生产成本和延长设备寿命。

本发明所述的一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，不仅可以提高渣池中氮的渗透率，增加电渣锭中氮的含量，还能够有效解决氧含量超标的问题，且本方法具备安全、高效、易操作的优点。

发明内容

本发明的核心思想是：在加压电渣重熔冶炼高氮钢过程中，采用气相渗氮的方式提高铸锭中的氮含量，通过步进式加料机均匀添加钙粒和铝粒，提高了熔渣的氮渗透率和氮容，显著提高了增氮效果，同时还有一定的脱氧能力，在相对较低压力下冶炼出同等氮含量的电渣锭，且电渣锭中氮元素分布均匀，是一种安全、高效、经济的加压电渣重熔增氮脱氧方法。

本项发明公开了一种加压电渣重熔高氮钢过程中钙铝增氮脱氧的方法，其特征在于，该种方法具体包括如下步骤：

(1)制备自耗电极：依据目标钢种的元素成分，通过下述公式计算常压下目标钢种的氮溶解度[％N]，使用氮气保护的真空感应炉冶炼氮含量为(0.75～0.90)×[％N]的自耗电极母材，目标钢种的氮溶解度计算公式为：

式中：为氮压力，p^Θ为标准大气压；

将母材加热到1150～1200℃保温2～3小时，控制终锻温度不低于1050℃，将母材锻造成适合加压电渣炉电渣重熔尺寸的自耗电极，然后空冷；清除自耗电极表面的氧化皮，然后将其焊接到假电极上，并与加压电渣炉的电极夹持器相连接；

(2)准备渣料并造渣：将与所冶炼高氮奥氏体不锈钢相同材质的引弧环、0.45±0.05kg引弧屑放到位于自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上；将适于高氮奥氏体不锈钢气相渗氮用的预熔渣在500～700℃温度下经4～6小时的烘烤后，全部加入到加压电渣炉结晶器内；安装加压电渣炉上部的炉壳，将熔炼室密闭；向加压电渣炉熔炼室中按10～15L/min的流量通入氮气，通气时间为5～10min，将熔炼室内的空气全部排出，同时向加压电渣炉结晶器内通入常压冷却水；闭合交流电源，采用固态起弧方法在电压35～40V、电流2000～2500A的条件下化渣20～25min，完成造渣；