一種製備高強度不鏽鋼的方法

2023-10-04 15:46:44

一種製備高強度不鏽鋼的方法
【專利摘要】本發明涉及一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於：先分別製備高氮合金熔體和Fe-Cr-Mn熔體後，再將高氮合金熔體限流兌入Fe-Cr-Mn熔體，控溫並攪拌均勻後出爐澆注，其有利於有利於高氮合金與Fe-Cr-Mn平穩熔合，顯著減少氮逸出，從而獲得氣泡少、氮含量高的高氮鋼坯，檢測氮含量最高可≥1.0wt%。
【專利說明】一種製備高強度不鏽鋼的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種製備高強度不鏽鋼的方法，特別涉及常壓冶煉高氮不鏽鋼的方法，屬於鋼鐵冶煉領域。
【背景技術】
[0002]高氮不鏽鋼(以下稱高氮鋼)以其節鎳、耐蝕、高強度、高塑性等優異性能受到矚目，作為高強韌同時耐蝕不鏽的新型鋼種可在更寬闊更複雜的領域獲得廣泛應用。
[0003]高氮鋼主要化學元素組成為鐵(Fe)、鉻(Cr)、錳(Mn)、氮(N)及少量鑰(Mo)、銅(Cu)、矽(Si)、鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)等，其中氮元素的含量應0.6%wt。在高氮鋼冶煉時氮難加入並易從熔體中逸出形成氮氣，因此一般採用高壓力下冶煉，限制了產量。200810050792.8專利申請提出了常壓下將高氮鉻鐵加入Fe-Mn熔體冶煉高氮鋼的方法，201210458675.1專利申請也提出了常壓下將氮化錳加入Fe-Cr熔體冶煉高氮鋼的方法，使高氮鋼常壓下生產成為可能。但向Fe-Mn熔體加入高氮鉻鐵仍然有大量的氮逸出，需要快節奏操作，成錠後氮含量不穩定，需要較長時間固溶處理以消除氮化物和鐵素體；而向Fe-Cr熔體加入氮化錳過程會有大量錳被氧化使大量氮逸出，也難以得到氮含量較高的高氮鋼。
[0004]試驗研究表明，向Fe-Mn熔體和向Fe-Cr熔體加入固態高氮合金過程出現氮大量逸出的主要原因是:氮含量較高的含氮鉻鐵在Fe-Mn (Fe-Cr)熔體中快速熔化致使大量氮在固液界面快速被釋放，卻又不能及時被熔體吸收，導致大量氮逸出為氮氣，使熔體不能獲得理想的高氮含量，從而得不到理想氮含量的高氮鋼，而且未溶解的高氮鉻鐵在澆注凝固時還會因固液面溶氮能力不足而產生的大量氮氣泡不能在熔體凝固前及時逸出，滯留於鋼坯中形成氣泡缺陷。
[0005]採用液態兌入是減少高氮鋼熔體氮逸出的方法之一，200810300678.6專利申請提出將熔煉的鋼水加入到含氮合金液中製備高氮鋼，可以使高氮鋼的最高氮含量達到0.95wt%，但僅提供了 N0.47%的護環鋼及氮含量在0.15~0.4wt%含氮鋼的實施例。一般來說高氮鋼的氮含量(0.6~1.2wt%範圍內)越高，其性能就越優越，如隨著護環鋼的氮含量提高將顯著提高其各項性能指標並提高在電力發電設備中的應用級別，因此儘量提高高氮鋼的氮含量是必要的。而實驗表明，簡單地將低碳鋼水兌入含氮合金液中仍然會造成大量氮逸出而難以獲得氮含量較高的高氮鋼。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供一種製備高強度不鏽鋼的方法，其為採用高氮合金熔體製備較聞氣含量的聞氣鋼，是一種常壓液兌製備聞氣鋼的方法，可使加入到基礎鋼水的聞氣合金較快被吸收，顯著減少氮逸出，得到氮含量較高且穩定的高氮鋼熔體，從而可得到氣泡少、氣含量聞的聞氣鋼還。
[0007]本發明的技術方案是這樣實現的:一種製備高強度不鏽鋼的方法，其特徵在於:分別製備高氮合金熔體和Fe-Cr-Mn熔體後，將高氮合金熔體限流兌入Fe-Cr-Mn熔體，控溫並攪拌均勻後出爐澆注，其中具體步驟如下:
1)製備高氮合金熔體，其高氮合金組成為高氮鉻鐵和氮化鉻鐵及氮化錳的混合物，混合比例為任意，控制氮含量為2~10wt% ;將高氮合金在熔化爐中快速熔化為熔體後，將熔體保持在能夠維持熔體狀態的較低溫度，溫度控制在1450°C~1600°C範圍內；
2)製備Fe-Cr-Mn熔體，選用或精煉碳含量較低的工業純鐵，將其熔化後加入金屬錳和微碳鉻鐵，使Mn含量佔熔體的5~40wt%，Cr含量佔熔體的O~20wt%，保持熔體碳含量(0.08wt%，保持熔體溫度在1500°C~1700°C範圍內；
3)製備高氮鋼熔體:將高氮合金熔體快速升溫至1550°C~1700°C，以單流束或多流束緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體，每單流束流量< 300kg/min，攪拌熔體使其混合均勻，混合攪拌過程溫度控制在1450°C~1600°C範圍內，混合攪拌時間為O~15min ；
4)混合攪拌後將高氮鋼熔體溫度快速調至1550°C~1650°C後出爐澆注。
[0008]上述冶煉過程的脫S、脫P、脫O及造渣、除渣方法為常規煉鋼操作方法。
[0009]所述熔化及保溫爐為中頻感應爐或LF爐(鋼包精煉爐)。
[0010]所述攪拌熔體方式可通過中頻感應爐運行過程中產生的電感攪拌方式。
[0011]所述高氮合金的材料為高氮鉻鐵，其氮含量為5~12wt%。
[0012]所述高氮合金的材料為氮化鉻鐵，其氮含量為3~5wt%。
[0013]所述高氮合金的材料為高氮鉻鐵和氮化鉻鐵及氮化錳的混合物，其氮化錳所佔比例< 50wt%o
[0014]所述的將高氮合金熔體以多流束緩慢兌入高氮合金熔體，是採用分流器分流為≤2流束後緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體，每單流束流量≤300kg/min。
[0015]所述的分流器為現有技術製作的可將流體由單流束大流量分流為多流束小流量的耐火材料件。
[0016]所述的將高氮合金熔體以單流束或多流束緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體的每單流束流量< 200kg/min。
[0017]所述的製備高氮鋼熔體的混合攪拌過程溫度控制在1450°C~1530°C範圍內。
[0018]所述的製備高氮鋼熔體的混合攪拌時間為O~5min。
[0019]本發明的積極效果是有利於高氮合金與Fe-Cr-Mn平穩熔合，顯著減少氮逸出，可得到氮含量較高且較穩定的高氮鋼熔體，從而獲得氣泡少、氮含量高的高氮鋼坯，檢測氮含量最聞可> 1.0wt% ;本發明的試驗結果表明，為保證聞氣合金溶體兌入基礎鋼水製備聞氣鋼熔體過程中氮逸出減少，需要採取如下措施:
1)對基礎鋼水的化學成分進行設計製備，兌入前添加高氮鋼所需的保氮元素Mn、Cr、Mo等並降低碳含量(排斥氮的元素)，形成Fe-Mn-Cr熔體或Fe-Mn-Cr-Mo熔體,從而提高熔體對氮的快速吸收能力；
2)兌入前也可向高氮合金熔體添加高氮鋼所需的保氮元素Mn、Cr等，降低其熔體中氮的百分含量；
3)採用多流束，每流束小流量兌入高氮合金熔體的方法，充分保證兩種不同成分的熔體相混合的接觸面積；也可以採用單流束小流量兌入高氮合金熔體的方法，但需延長兌入時間；4)儘量降低兌入過程和兌入後均勻攪拌的溫度並儘量減少過程所用時間。
【具體實施方式】
[0020]試驗用材料為工業純鐵(C ( 0.05wt%)、高氮鉻鐵(N=8wt%，Cr=60wt%)、氮化鉻鐵(N=3wt%, Cr=60wt%)、氮化猛(氮化金屬猛 N=7wt%, Mn=90wt%)、電解金屬猛(Mn≥ 98wt%)、微碳鉻鐵(C ≤0.06wt%, Cr=60wt%);試驗用熔化爐採用一臺5T中頻感應爐和一個2T中頻感應爐，分別熔化基礎鋼水和高氮合金；試驗主要設計成分為:C ( 0.05wt%,Cr=18-20wt%，Mn=15-18wt%，N=0.7-1.lwt%，Mo、S1、S、P等其它元素≤3wt%，餘量為Fe ;每次試驗製備高氮鋼重量約5000kg。
[0021]實施例1
以氮化鉻鐵為主要加氮合金製備高氮鋼:
材料準備總重量為5030kg，其中:
製備Fe-Cr-Mn熔體材料組成為:電解金屬錳950kg，微碳鉻鐵10kg，工業純鐵2400kg ； 製備高氮合金熔體材料組成為:高氮鉻鐵10kg，氮化鉻鐵1650kg，氮化錳10kg。
[0022]I)用5T中頻感應爐製備Fe-Cr-Mn熔體:先向爐內加入全部工業純鐵和微碳鉻鐵後升溫加熱，待部分熔化後加入全部電解金屬錳，繼續加熱直至全部熔化，保持其熔體溫度1550。。-1580°C 之間。
[0023]2)用2T中頻感應爐製備高氮合金熔體:將高氮鉻鐵、氮化鉻鐵和氮化錳全部加入爐內升溫加熱直至全部熔化，保持其熔體溫度1580°C-1600°C之間。
[0024]3)把高氮合金熔體溫度升至1670°C後倒入保溫澆包，再以流量為300kg/min的單流束兌入Fe-Cr-Mn熔體，兌入過程將5T中頻感應爐調至O功率並輕輕搖擺保溫澆包來改變高氮合金熔體流入Fe-Cr-Mn熔體中的位置，兌入過程所用時間約6min。
[0025]4)兌入完成後，測定熔體溫度為1540°C，調整中頻感應爐功率，保持熔體溫度為1520°C-1550°C，同時利用中頻電磁作用進行攪拌2min後，將熔體溫度升至1650°C並脫氧出渣後進行取樣和出爐澆注。
[0026]檢測獲得高氮鋼4958kg，檢測其主要化學成分為:C=0.045wt%, Cr=19.9wt%，Mn=17.8wt%, N=0.83wt%, Fe=58.5wt%，餘為其它元素。
[0027]實施例2
以高氮鉻鐵為主要加氮合金製備高氮鋼:
材料準備總重量為5050kg，其中:
製備Fe-Cr-Mn熔體材料組成為:電解金屬錳950kg，微碳鉻鐵60kg，工業純鐵2420kg ； 製備高氮合金熔體材料組成為:高氮鉻鐵1600kg，氮化鉻鐵10kg，氮化錳10kg。
[0028]I)用5T中頻感應爐製備Fe-Cr-Mn熔體方法與實施例1相同。
[0029] 2)用2T中頻感應爐製備高氮合金熔體:將高氮鉻鐵、氮化鉻鐵和氮化錳全部加入爐內升溫加熱直至全部熔化，保持其熔體溫度1580°C-1600°C之間，由於高氮鉻鐵中的CrN不穩定，在熔化保溫期間會分解伴有大量氮氣飛濺逸出，因此需要延長保溫時間，直至飛濺明顯減少(只剩下穩定的Cr2N和少量CrN)，再將其兌入Fe-Cr-Mn熔體。
[0030]3)把高氮合金熔體溫度升至1650°C後倒入保溫澆包，再用I分4流束分流器將高氮合金熔體分為4束分流兌入Fe-Cr-Mn熔體，每單流束流量控制約為150kg/min，兌入過程將5T中頻感應爐調至O功率並輕搖擺保溫澆包來改變高氮合金熔體流入Fe-Cr-Mn熔體中的位置，兌入過程所用時間約3min。
[0031]4)兌入完成後，測定熔體溫度為1550°C，調整中頻感應爐功率，保持熔體溫度為1520°C-1550°C，同時利用中頻電磁作用進行攪拌2min後，將熔體溫度升至1620°C並脫氧出渣後進行取樣和出爐澆注。
[0032]檢測獲得高氮鋼4963kg，檢測其主要化學成分為:C=0.049wt%, Cr=19.4wt%，Μη=17.2wt%, N=L 05wt%, Fe=59.4wt%，餘為其它元素。
[0033]實施例3
以氮化鉻鐵和氮化錳為主要加氮合金製備高氮鋼:
材料準備總重量為5050kg，其中:
製備Fe-Cr-Mn熔體材料組成為:電解金屬錳200kg，微碳鉻鐵780kg，工業純鐵2400kg ；
製備高氮合金熔體材料組成為:氮化鉻鐵900kg，氮化錳770kg。
[0034]製備Fe-Cr-Mn熔體方法、製備高氮合金熔體方法、把高氮合金熔體兌入Fe-Cr-Mn熔體方法及兌入完成至取樣和出爐澆注與實施例1相同。
[0035]檢測獲得高氮鋼4954kg，檢測其主要化學成分為:C=0.046wt%, Cr=19.0wt%,Μη=16.2wt%, N=0.81wt%, Fe=61.0wt%，餘為其它元素。
[0036]實施例4
以高氮鉻鐵和氮化錳為主要加氮合金製備高氮鋼:
材料準備總重量為5050kg，其中:
製備Fe-Cr-Mn熔體材料組成為:電解金屬錳200kg，微碳鉻鐵780kg，工業純鐵2400kg ；
製備高氮合金熔體材料組成為:高氮鉻鐵900kg，氮化錳770kg。
[0037]製備Fe-Cr-Mn熔體方法、製備高氮合金熔體方法、把高氮合金熔體兌入Fe-Cr-Mn熔體方法及兌入完成至取樣和出爐澆注與實施例2相同。
[0038]檢測獲得高氮鋼4945kg，檢測其主要化學成分為:C=0.05wt%, Cr=19.lwt%，Μη=16.5wt%, N=0.91wt%, Fe=60.5wt%，餘為其它元素。
[0039]從上述實施例可以看出，用本發明所述方法製備的高氮鋼都獲得了較高的氮含量，並保證了 Cr、Mn含量在設計的範圍內。
【權利要求】
1.一種製備高強度不鏽鋼的方法一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於:分別製備高氮合金熔體和Fe-Cr-Mn熔體後，將高氮合金熔體限流兌入Fe-Cr-Mn熔體，控溫並攪拌均勻後出爐澆注，其中具體步驟如下: 1)製備高氮合金熔體，其高氮合金組成為高氮鉻鐵和氮化鉻鐵及氮化錳的混合物，混合比例為任意，控制氮含量為2~10wt% ;將高氮合金在熔化爐中快速熔化為熔體後，將熔體保持在能夠維持熔體狀態的較低溫度，溫度控制在1450°C~1600°C範圍內； 2)製備Fe-Cr-Mn熔體，選用或精煉碳含量較低的工業純鐵，將其熔化後加入金屬錳和微碳鉻鐵，使Mn含量佔熔體的5~40wt%，Cr含量佔熔體的O~20wt%，保持熔體碳含量≤0.08wt%，保持熔體溫度在1500°C~1700°C範圍內； 3)製備高氮鋼熔體:將高氮合金熔體快速升溫至1550°C~1700°C，以單流束或多流束緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體,單流束流量不大於300kg/min,攪拌熔體使其混合均勻,混合攪拌過程溫度控制在1450°C~1600°C範圍內，混合攪拌時間為O~15min ； 4)混合攪拌完成後將高氮鋼熔體快速調至1550°C~1650°C後出爐澆注。
2.根據權利要求1所示的一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於所述的高氮合金中氮化錳所佔比例為≤50wt%。
3.根據權利要求1所示的一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於所述的高氮合金熔體以單流束或多流束緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體的每單流束流量為< 200kg/min。
4.根據權利要求1所示的一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於所述的製備高氮鋼熔體的混合攪拌過程溫度控制在1450°C~1530°C範圍內。
5.根據權利要求1所示的一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於所述的製備高氮鋼熔體的混合攪拌時間為O~5min。
6.根據權利要求1所示的一種製備高氮鋼的方法，其特徵在於所述的將高氮合金熔體以多流束緩慢兌入高氮合金熔體，是採用分流器分流為> 2流束後緩慢兌入Fe-Cr-Mn熔體，每單流束流量不大於300kg/min。
【文檔編號】C22C33/06GK103451508SQ201310367890
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】王淮, 孫巖鐸 申請人:長春工業大學