專利名稱：高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法

　　技術領域：

　　本發明涉及一種高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法，即高真空感應爐通過熔煉后期向爐內充入保護氣后添加增氮合金冶煉含氮鋼的方法。

　　背景技術：

　　氮元素由于產生固溶強化作用，不僅可以提高鋼材強度，提高耐磨性等，而且能改善其耐蝕性，所以不銹鋼、取向硅鋼、結構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。真空感應爐由于無頂吹、底吹系統，所以氣相滲氮方法目前不適用。另一種方法是真空感應爐充氬氣冶煉然后加入增氮合金，氮不能穩定回收，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間不宜過長等缺點。

　　發明內容

　　本發明目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種鋼水氧化程度小、氮回收率高而且穩定的高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法。

　　本發明在高真空感應爐冶煉含氮鋼時根據鋼中氮含量溶解原理，創造有利于增氮的工藝因素，在高真感應爐精煉后期充入氮氣，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間不受限制，使增氮合金充分熔化，氮完全溶解到鋼中，不發生真空下氮溢出。在氮氣氛下出鋼澆鑄，達到精確、低成本的增氮目的。

　　本發明方法是 (1)裝料把清潔干燥的廢鋼或純鐵、鐵合金裝入高真空感應爐；并按鋼中氮含量要求計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，當爐內壓強<10Pa時，送電加熱爐料； (3)爐料熔化熔化速度≤1/2爐最大容量/小時； (4)精煉真空度≤0.5Pa，在高真空下進行碳氧反應，充分脫除鋼中氧； (5)充氣向爐內充入氮氣，充氮壓力與一個大氣壓的比值PN2按下式計算 lgPN2＝2×(lg[％N]-lgKN+lgfN) 式中KN為氮溶解反應平衡常數，fN為氮的活度系數，無量綱；[％N]為氮在鋼中溶解度；KN、fN、[％N]根據冶煉鋼種成分、溫度等的不同，查相關文獻得出； (6)合金化在充氮氣保護氣氛下，調整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計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。

　　本發明中的含氮鋼指控制鋼中氮含量大于一定數值或控制一定范圍的鋼鐵材料。高真空感應爐所用氮氣的純度≥99％，氮氣含氧量小于0.1％。增氮合金采用符合國家標準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。為使爐料在熔化過程中充分去氣和熔化正常，不發生大噴濺，以保證爐內高的真空度，一般控制熔化速度≤1/2爐最大容量/小時。

　　在計算充氮壓力與一個大氣壓的比值PN2時，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％為標準態，可得[％N]＝KN*PN21/2/fN，因此lg[％N]＝lg KN-lgfN+1/2lg PN2。

　　出鋼澆注時為避免注溫下降和氧化膜混入注流中，通常采用帶電澆注。

　　根據不同鋼種成分和氮含量要求，計算出氮在鋼中活度系數和熔煉溫度下氮的飽和溶解度，根據目標氮含量確定充氮氣壓力和增氮合金加入量，使氮飽和溶解度高于目標氮含量，則氮回收率可達96％以上。

　　本發明適用于要求氮含量大于一定數值或控制范圍的鋼種冶煉。本發明通過選擇合適的充氮氣壓力，可提高氮的飽和溶解度，并采用合適的澆注溫度，使增氮合金充分溶解進入鋼中，氮回收率較高，成份控制精確。

　　具體實施例方式 實施例一設備采用200kg高真空感應爐，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(非標準鋼號)。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(％) 按公式lg PN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)計算得出，溫度1873K時，要使氮的飽和溶解度大于0.16％，充氮氣壓力應大于0.2個大氣壓。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。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉。

　　(2)合爐抽真空。抽真空16分鐘后，爐內真空度9Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。

　　(3)熔化速度≤65公斤/小時，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，進入精煉期，真空度0.2Pa。

　　(6)加入硅鐵，向爐內充氮氣0.3個大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。

　　(7)出鋼澆注。

　　表3、成品鋼的化學成分(％) 氮回收率達到100％。

　　實施例二設備采用200kg高真空感應爐，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ASTM標準中UNS代號為S31042的鋼號)。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(％) 按公式lg PN2＝2×(lg[％N]-lgKN+lgfN)計算得出，溫度為1873K時，要使氮的飽和溶解度大于0.20％，充氮氣壓力應大于0.4個大氣壓。

　　具體步驟如下 (1)將純鐵、微碳鉻鐵、鎳豆、鈮鐵裝入爐內。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉。

　　(2)合爐抽真空至爐內真空度8Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。

　　(3)熔化速度≤65公斤/小時，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，進入精煉期，真空度0.3Pa。

　　(6)加入硅鐵，并向爐內充氮氣至0.4個大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。

　　(7)出鋼澆注。

　　表6、成品鋼的化學成分(％) 氮的回收率達到97.5％。

　　實施例三設備采用200kg高真空感應爐極限真空度為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(％) 按公式lg PN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)計算得出，溫度為1873K時，要使氮的飽和溶解度大于0.03％，充氮氣壓力應大于0.2個大氣壓。

　　具體步驟如下 (1)將純鐵、微碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵裝入爐內。硅鐵、金屬錳、氮化鉻放入料倉。

　　(2)合爐抽真空，抽至爐內真空度7Pa，送電，功率40KW。逐步送入高功率120KW。

　　(3)熔化速度≤65公斤/小時，爐最大容量130公斤。

　　(4)爐料化清。

　　(5)開啟高真空泵，進入精煉期，真空度0.3Pa。

　　(6)加入硅鐵，并向爐內充氮氣0.3個大氣壓，加入金屬錳、氮化鉻鐵。

　　(7)出鋼澆注。

　　表9、成品鋼的化學成分(％) 氮回收率達到100％。

　　權利要求

　　1.一種高真空感應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爐；并按鋼中氮含量要求計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，當爐內壓強<10Pa時，送電加熱爐料；

　　(3)爐料熔化熔化速度≤1/2爐最大容量/小時；

　　(4)精煉真空度≤0.5Pa，在高真空下進行碳氧反應，充分脫除鋼中氧；

　　(5)充氣向爐內充入氮氣，充氮壓力與一個大氣壓的比值PN2按下式計算

　　lgPN2＝2(lg[％N]-lgKN+lgfN)

　　式中KN為氮溶解反應平衡常數，fN為氮的活度系數，無量綱；[％N]為氮在鋼中溶解度；所用氮氣的純度≥99％；

　　(6)合金化在充氮氣保護氣氛下，調整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計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.如權利要求1所述的高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是根據不同鋼種成分和氮含量要求，計算出氮在鋼中活度系數和熔煉溫度下氮的飽和溶解度，根據目標氮含量確定充氮氣壓力和增氮合金加入量，使氮飽和溶解度高于氮控制含量上限值。

　　3.如權利要求1所述的高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法，其特征是高真空感應爐所用氬氣的純度≥99％。

　　4.如權利要求1所述的高真空感應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

　　一種高真空感應爐冶煉含氮鋼增氮方法，適用于要求氮含量大于一定數值或控制范圍的鋼種冶煉，目的是鋼水氧化程度極小、氮回收率高而且穩定，本發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爐；并按鋼中氮含量要求計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、向爐內充入氮氣，在充氮氣保護氣氛下，調整氮成分之外的其它成分符合冶煉鋼種要求后，按計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C21C7/00GK101372721SQ200810079428

　　公開日2009年2月25日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日

　　發明者趙鴻燕 申請人:山西太鋼不銹鋼股份有限公司