保护气氛电渣重熔高氮钢的方法与流程

本发明涉及一种高氮钢电渣重熔方法，尤其是一种保护气氛电渣重熔高氮钢的方法。

背景技术：

氮是钢中重要的合金元素，可显著改善钢的强度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性等。20世纪初，发现钢中n含量为0.015%时可改善低合金钢的力学性能。随后又发现，氮可以替代镍来稳定奥氏体，同时还能强化奥氏体，以此促进了含氮马氏体不锈钢的发展。20世纪六七十年代，又成功研制了具有高强度、高耐蚀性的含氮双相不锈钢，n含量可达0.2%～0.6%，至此，氮元素作为重要的合金元素在钢中得到了广泛的应用。

大气条件下，冶炼氮含量大于0.6%的钢的难度较大，该类钢一般采用高压冶金或粉末冶金的方法获得，随着增压感应炉、高压电渣重熔的发展，最高可冶炼氮含量达1.2%的钢，但增压感应炉和高压电渣炉的设备安全隐患较大，所以此种工艺目前尚处于实验室研究阶段，没有成规模工业化推广。

传统的采用氮气保护气氛电渣炉冶炼高氮钢的难点是无法保证电渣铸锭中氮的收得率，保护气氛采用压力控制时氮分压的轻微波动都会引起钢中氮的增减，实践表明，微正压冶炼难以保证钢中n含量大于0.3%时的收得率。保护气氛采用流量控制时要保证氮气出口速度（流量）在特定范围内，速度太大（即进气量大）会在出口处速度为0的边界层吸氧，速度太小则难以排除干净环境向气氛中增氧，从而造成氮的损失。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能有效保护氮收得率的气氛电渣重熔高氮钢的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：采用目标钢种制成的电渣自耗电极，电渣重熔全程采用氮气保护，氮气流量mp见式（ⅰ）；

mp=0.4q^1/3w^7/3[h2+(r/w)²h1]（ⅰ）

式中：

mp－氮气流量，kg/h；

q—渣池热辐射，j；

w—保护罩直径，m；

h1—氮气进气口距渣液面高程差，m；

h2—氮气进出口高程差，m；

r—结晶器直径，m。

本发明所述电渣重熔过程的电极熔速为4.5～5kg/min。

本发明所述电渣重熔过程采用固渣启动，渣系为预熔渣。

本发明的核心思想是电渣重熔过程中氮保护气氛的控制，电渣过程中，为保证金属的氮含量稳定，气氛向渣、渣向钢液传递氮与钢向渣、渣向气氛中传递应处于动态平衡，气氛向渣、渣向钢传氮（假定为正反应）：n2→2n、2n→2[n]；钢向渣、渣向气氛传氮（假定为负反应）：2[n]+3o^2-→2n^3-+3[o]、2n^3-+3o→2n+3o^2-、2n→n2、2o→o2，其中，n2、o2为气态氮气和氧气，n、o为渣中溶解的游离氮、氧，o^2-、n^3-为渣中离子态的氧和氮，[o]、[n]为钢中无价态游离氧和氮。可以得出，要强化正反应，只需保证气氛中的氮气供给，而要强化负反应，除需增加钢中和气氛中的氧之外，还需弱化气氛中的氮，所以要保证正负反应的平衡或中止（理想状态下的n、o传递中止），必须保持气氛中特定含量的氮，一定含量的气氛氧和钢液氧。实际操作中，虽然气氛中的氧和钢液氧在传递氮过程中起到一定作用，但氧作为钢中显而易见的有害元素，需要其含量越低越好。

氮气通入后，增脱氮受温度和气氛氮两方面影响，温度受限于输入功率ui，故氮流量的值记入第一因次ui。气氛氮的影响分两个方面，一是会受渣池热辐射加热产生的热对流运动，此时排出时烟气带有一定温度，为了不影响重熔过程的平稳、平衡进行，特定含量的氮气不仅要保证增氮、脱氮的正负反应平衡，还需保证渣池辐射热的能量平衡，形成氮气气氛中由下至上稳定的温度梯度。渣池热辐射q一般为输入功率ui的5%，所以取氮气吸热为输入功率的5%；形成平衡体系后，气氛氮是保护罩直径w的函数，故氮气吸热值可表示为qw，以此确定qw作为氮气质量流量（因为体积流量与温度、压力有关，所以先简化取质量流量，后续转化为体积流量）的第二个因次。第三个因次与设备参数有关，经过论证，氮气质量流量还与设备气氛体积有关，即与氮气进气口距渣液面距离h1、进出口距离h2、结晶器直径r、保护罩直径w有关，故可表示为aw²[h2+(r/w)²h1]，a为无因次系数；所以氮气的质量流量可以写成：mp=a1(ui)^l(qw)^m{w²[h2+(r/w)²h1]}ⁿ，其中，a1、l、m、n均为无因次系数；依据多次实验和因次分析法可以得出a1、l、m、n为0.4、0、1/3和1。实际上，q是ui的函数，简化后q和ui是等同的，即上式分成工艺参数和设备参数两个部分，也就是氮气流量既与工艺参数有关，也与设备参数有关，这与理论分析也是相吻合的。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明将氮气流量与工艺参数、设备参数明确为函数关系式，依据函数关系式，在电渣重熔过程中可以快速确定氮气加入速度，保证电渣铸锭中氮的成分合格，提升铸锭的合格率和质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是电渣重熔炉的结构示意图。

具体实施方式

本保护气氛电渣重熔高氮钢的方法适用于冶炼目标钢种成分为：c0.05%～0.1%，mn12%～14%，cr18%～21%，mo3%～4%，n0.3%～0.8%，p≤0.015%，s≤0.010%，余量为fe和不可避免的杂质。本方法采用下述工艺：

（1）电极制备：采用1t非真空感应炉冶炼目标钢种，采用纯铁作为原料，mn、mo、目标钢中70wt%的cr在熔化后期随炉加入，熔清后进一步脱氧，合金化至除cr至目标成分80wt%且其他成分全合，用氮化铬增氮至目标成分，调整cr含量至目标含量，带电出钢，保持过热度60～100℃，浇注成φ300*1800mm的电渣自耗电极，然后焊接至辅助电极上备用。

（2）电渣重熔：采用φ400*1300mm结晶器电渣，固渣启动，渣系为预熔渣，成分为：caf260%～65%、cao15%～17%、al2o315%～20%、mgo3%～5%，渣量50kg；化渣期30min；化渣期电压25v～45v、电流3500a～6000a；重熔期熔速4.5～5kg/min、电压u为45～51v、电流i为6000a～7500a；冶炼过程调节电流、电压保证熔速在4.5～5kg/min范围之内。

（3）氮气保护：整个电渣重熔过程中通入氮气保护，直至熔炼结束，氮气流量由下式（ⅰ）、（ⅱ）、（ⅲ）计算而得：

mp=0.4q^1/3w^7/3[h2+(r/w)²h1]（ⅰ）

v=mpt/(p0t0)（ⅱ）

q=0.05ui（ⅲ）

式中：

mp—氮气流量，kg/h；

v—氮气体积流量，m³/h；

q—渣池热辐射，j；

w—保护罩直径，m，参见图1；

h1—氮气进气口距渣液面高程差，m，参见图1；

h2—氮气进出口高程差，m，参见图1；

r—结晶器直径，m，参见图1；

u—熔炼电压，v；

i—熔炼电流，a；

t—烟气温度，k；

t0—环境温度，k；

p0—环境温度下氮气密度，kg/m³。

实施例1和对比例1：本保护气氛电渣重熔高氮钢的方法与常规电渣重熔高氮钢的方法如下所述。

（1）设备采用公称容量1000kg保护气氛电渣炉，结晶器规格φ400*1300mm，高氮钢自耗电极规格φ300*1800mm，化学成分为：c0.05%，mn12.2%，cr18.5%，mo3.5%，n0.30%，p0.012%，s0.008%，余量为fe和不可避免的杂质。采用上述所述工艺冶炼而成，其中，保持过热度80℃。

（2）实施例1和对比例1分别采用本保护气氛和常规保护气氛，进行电渣重熔工艺。渣系为预熔渣，成分为：caf260%、cao17%、al2o320%、mgo3%，渣量50kg；化渣期30min；化渣期电压45v、电流6000a。

实测环境温度298k，烟气温度305k，环境温度下氮气密度1.25kg/m³，保护罩直径780mm，氮气进出口高差480mm，氮气进口与渣液面高程差随着冶炼进程在1000～400mm之间。实施例1和对比例1重熔期的具体参数见表1。

表1：重熔期参数

以ⅰ阶段为例，表1中的计算过程为：q=0.05ui=0.05*45*6000=13500j；mp=0.4q^1/3w^7/3[h2+(r/w)²h1]=0.4*13500^1/3*0.78^7/3[0.48+(0.4/0.78)²*1]=3.96kg/h；v=mpt/(p0t0)=3.96*305/(1.25*298)=3.24m³/h。

（3）冶炼完毕，对实施例1和对比例1所得钢锭的化学成分进行检测。

对比例1所得钢锭：a、钢锭下部：c0.05%，mn12.3%，cr18.1%，mo3.5%，n0.31%，p0.012%，s0.004%；合格。

b、钢锭上部：c0.05%，mn12.2%，cr18%，mo3.5%，n0.35%，p0.012%，s0.004%；氮含量超出范围。

实施例1所得钢锭：a、钢锭下部：c0.05%，mn12.2%，cr18.5%，mo3.5%，n0.31%，p0.013%，s0.003%；合格。

b、钢锭上部：c0.05%，mn12.1%，cr18.5%，mo3.5%，n0.30%，p0.014%，s0.003%；合格。

实施例2和对比例2：本保护气氛电渣重熔高氮钢的方法与常规电渣重熔高氮钢的方法如下所述。

（1）设备采用1000kg保护气氛电渣炉，结晶器规格φ400*1300mm，高氮钢自耗电极规格φ300*1800mm，化学成分为c0.10%，mn13.5%，cr20.0%，mo3.8%，n0.80%，p0.015%，s0.006%，余量为fe和不可避免的杂质。采用上述所述工艺冶炼而成，其中，保持过热度100℃。

（2）实施例2和对比例2分别采用本保护气氛和常规保护气氛，进行电渣重熔工艺。渣系为预熔渣，成分为：caf265%、cao15%、al2o315%、mgo5%，渣量50kg；化渣期30min；化渣期电压30v、电流3500a。

环境温度288k，实测烟气温度300k，环境温度下氮气密度1.25kg/m³，保护罩直径0.78m，氮气进出口高差0.48m，氮气进口与渣液面高程差随着冶炼进程在1000～400mm之间。实施例2和对比例2重熔期的具体参数见表2。

表2：重熔期参数

（3）冶炼完毕，对实施例2和对比例2所得钢锭的化学成分进行检测。

常规保护气氛冶炼：

对比例2所得钢锭：a、钢锭下部：c0.11%，mn13.2%，cr20.2%，mo3.8%，n0.81%，p0.014%，s0.003%；合格。

b、钢锭上部：c0.10%，mn13.2%，cr20.0%，mo3.8%，n0.84%，p0.013%，s0.003%；氮含量超出范围。

实施例2所得钢锭：a、钢锭下部：c0.11%，mn13.1%，cr20.0%，mo3.8%，n0.81%，p0.013%，s0.003%；合格。

b、钢锭上部：c0.10%，mn13.4%，cr20.1%，mo3.8%，n0.79%，p0.014%，s0.002%；合格。

实施例3和对比例3：本保护气氛电渣重熔高氮钢的方法与常规电渣重熔高氮钢的方法如下所述。

（1）设备采用1000kg保护气氛电渣炉，结晶器规格φ400*1300mm，高氮钢自耗电极规格φ300*1800mm，化学成分为c0.08%，mn12.0%，cr21.0%，mo3.2%，n0.50%，p0.010%，s0.010%，余量为fe和不可避免的杂质。采用上述所述工艺冶炼而成，其中，保持过热度60℃。

（2）实施例3和对比例3分别采用本保护气氛和常规保护气氛，进行电渣重熔工艺。渣系为预熔渣，成分为：caf262%、cao16%、al2o318%、mgo4%，渣量50kg；化渣期30min；化渣期电压25v、电流5000a。

环境温度292k，实测烟气温度304k，环境温度下氮气密度1.25kg/m³，保护罩直径0.78m，氮气进出口高差0.48m，氮气进口与渣液面高程差随着冶炼进程在1000～400mm之间。实施例3和对比例3重熔期的具体参数见表3。

表3：重熔期参数

（3）冶炼完毕，对实施例3和对比例3所得钢锭的化学成分进行检测。

常规保护气氛冶炼：

对比例3所得钢锭：a、钢锭下部：c0.09%，mn11.8%，cr21.3%，mo3.2%，n0.51%，p0.011%，s0.010%；合格。

b、钢锭上部：c0.08%，mn11.8%，cr21.2%，mo3.1%，n0.56%，p0.012%，s0.010%；氮含量超出范围。

实施例3所得钢锭：a、钢锭下部：c0.08%，mn12.0%，cr21.0%，mo3.2%，n0.50%，p0.009%，s0.010%；合格。

b、钢锭上部：c0.08%，mn12.1%，cr21.0%，mo3.2%，n0.51%，p0.010%，s0.010%；合格。