本發(fā)明涉及高氮鋼冶煉領域，特別涉及一種利用真空感應爐底吹氮氣生產(chǎn)高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼的方法。

背景技術：

氮作為強間隙元素加入不銹鋼中，通過與其他合金元素（鉻、鉬等）的協(xié)同作用，不僅可以有效改善鋼的強度、韌性、蠕變能力和耐磨性，還顯著提高了鋼的耐腐蝕性能，在奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼等一系列鋼中得到了廣泛的應用。根據(jù)氮含量的不同，可將含氮奧氏體不銹鋼分為控氮型（氮含量0.05%～0.10%）、中氮型（氮含量0.10%～0.40%）和高氮型（氮含量在0.40%以上）。高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼含有較高的鉻、鉬、鎳、氮，具有高強韌性，屈服強度約比普通奧氏體不銹鋼高50～100%；在高濃度氯離子介質(zhì)、海水、低速沖刷等極端惡劣的服役環(huán)境中，具有優(yōu)異的耐均勻腐蝕、點蝕等局部腐蝕和抗應力腐蝕能力。某些典型的品種可與耐蝕性極佳的C276等鎳基耐蝕合金以及鈦合金相媲美，且成本優(yōu)勢顯著，被廣泛應用于石油化工、環(huán)保（煙氣脫硫、垃圾焚燒等）、海水淡化等極端苛刻服役環(huán)境。

對于氮含量較高的高氮超級奧氏體不銹鋼而言，在其制備過程中氮合金化方式和氮的精確控制至關重要。鋼液增氮的常用方法主要有：向熔融鋼液加入氮化合金（如高純氮化鉻、氮化錳等），利用氮氣進行氮合金化或兩種方式相結合的方法。加入氮化合金增氮雖然方式簡單，操作方便，但由于氮含量較高，加入過程中反應劇烈，嚴重時發(fā)生“噴濺”現(xiàn)象，且鋼中氮含量不易控制。另外，氮化合金價格昂貴，單純依靠氮化合金增氮成本較高。因此，利用廉價的氮氣代替氮化錳或高純氮化鉻等進行氮合金化備受關注。但采用在冶煉容器中充氮氣進行鋼液表面滲氮的氮合金化方式，反應速率慢，增氮周期長，即使在鋼液存在對流運動的感應爐內(nèi)冶煉，鋼液滲氮的速率也不是很快。而從冶煉設備底部透氣塞向鋼液中吹入氮氣進行氮合金化，彌散的氮氣泡能大大改善氮合金化的動力學條件，增加氣-液接觸面積，可促使鋼液快速增氮。因此，采用底吹氮氣進行氮合金化的方式為高氮不銹鋼的冶煉提供了一條低成本、高效的途徑。

采用真空感應爐底吹氮氣合金化小規(guī)模生產(chǎn)高氮不銹鋼具有冶煉工藝簡單、高效且成本低廉的優(yōu)勢，特別對于附加值高、需求批量小的高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼而言，更具有較高的市場靈活度。但在高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼生產(chǎn)過程中，氮合金化工藝的合理匹配，鋼液中氮含量的精確控制及澆鑄過程中過熱度和壓力的合理控制，合理的脫氧脫硫方式，均對于獲得氮含量較高且精確可控、低偏析、無氣孔、高純凈度、高性能的高氮超級奧氏體不銹鋼至關重要。

技術實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種利用真空感應爐底吹氮氣進行生產(chǎn)高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼的方法，制造成本低，不銹鋼氮含量較高且精確可控、低偏析、無氣孔、高純凈度、性能優(yōu)異。

為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明的一種使用真空感應爐底吹氮氣生產(chǎn)高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼的方法包括如下步驟：

S1、裝料：將工業(yè)純鐵、金屬鉻、金屬鉬、金屬鎳、電解銅、金屬錳、工業(yè)硅放入感應爐的坩堝中，將高純氮化鉻、電解鋁、鎳鎂合金和稀土置于加料倉中；

S2、爐料熔化：將感應爐內(nèi)抽真空至5Pa以下，并通電升溫至感應爐內(nèi)爐料全部熔化；

S3、氮合金化：待真空感應爐內(nèi)爐料熔清后，通入氮氣至冶煉壓力p，通過控制功率維持熔煉溫度1500～1560℃，從爐底部透氣塞向爐內(nèi)通入氮氣進行底吹攪拌熔煉，底吹氮氣流量0.05～0.20Nm³/h，底吹時間15～25min；其中，冶煉壓力p按下列計算公式計算：

M＝0.13[%N]+0.118[%C]+0.043[%Si]+0.011[%Ni]+3.5×10^-5[%Ni]²

-0.024[%Mn]+3.2×10^-5[%Mn]²-0.01[%Mo]+7.9×10^-5[%Mo]²

-0.048[%Cr]+3.5×10^-4[%Cr]²

式中：p為冶煉壓力，p^θ為標準大氣壓，T為冶煉溫度；

冶煉原料中氮的實際加入重量百分比(wt%)_N1按下式計算：

(wt%)_N1=（0.1～0.2）(wt%)_N

式中，(wt%)_N1表示冶煉原料中氮的實際加入重量百分比，(wt%)_N表示高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼目標成分中氮的重量百分比；

S4、脫氧脫硫：停止底吹氮氣后，向爐內(nèi)加入高純氮化鉻進行進一步氮合金化，然后依次添加電解鋁、鎳鎂合金、稀土進行深脫氧和深脫硫處理；其中，高純氮化鉻中鉻重量百分比≥85%,氮重量百分比≥10%，電解鋁添加量為0.6～0.8kg/t，含鎂20%的鎳鎂合金添加量為0.8～1.2kg/t，稀土添加量為0.5～1kg/t；

S5、澆鑄：向真空感應爐內(nèi)充入氮氣至澆鑄壓力0.08～0.095MPa，控制鋼液溫度1460～1530℃進行澆鑄；澆鑄結束后，冷卻，破真空取出鑄錠。

優(yōu)選的，所述冶煉的目標奧氏體不銹鋼鋼種成分為：C：≤0.02%、Si：≤0.5%、Mn：2.0～4.0%、Cr：24.0～25.0%、Ni：21.0～23.0%、Mo：7.0～8.0%、Cu：0.3～0.6%、N：0.45～0.55%、S：≤0.005%、P：≤0.03%、Fe：余量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其突出的優(yōu)勢在于：

（1）采用真空感應爐底吹氮氣合金化的方式，節(jié)約成本，大大改善氮合金化的動力學條件，促進鋼液快速增氮；

（2）底吹氮氣結束后，通過添加氮化合金進一步增加鋼液氮含量，有利于獲得氮含量較高且精確的目標合金；

（3）利用電解鋁、鎳鎂和稀土復合添加的方式進行深脫氧、深脫硫，有利于獲得低氧硫含量的高純凈度目標合金；

（4）在澆注前充氮操作和采用低過熱度澆鑄均有利于獲得氮含量較高、低偏析、無氣孔的目標合金。

附圖說明

通過下面結合附圖的詳細描述，本發(fā)明前述的和其他的目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。其中：

圖1所示為本發(fā)明的一種生產(chǎn)高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼的方法的工藝流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明的工藝原理是，首先利用氮溶解度模型計算冶煉壓力，然后在真空感應爐中采用底吹氮氣進行氣相合金化。由于單純依靠底吹氮氣的方式無法達到目標氮含量，因此底吹氮氣結束后，添加氮化合金進一步提高鋼液中的氮含量，同時優(yōu)化脫氧脫硫工藝，并合理匹配澆鑄壓力和過熱度等工藝參數(shù)，從而獲得氮含量較高且精確可控、低偏析、無氣孔、高純凈度、性能優(yōu)異的高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼。

下面結合附圖1的工藝步驟及具體實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的具體實施方式不局限于下述的實施例。

本發(fā)明所舉實施例中，冶煉設備為500kg真空感應爐，極限真空度為0.1Pa，電源功率為350kW，頻率為1000Hz，裝爐量380kg。冶煉鋼種為高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N

本發(fā)明所舉實施例中所用冶煉原料的主要成分見表1。

表1冶煉原料主要成分/wt%

冶煉壓力p的計算公式①：

M＝0.13[%N]+0.118[%C]+0.043[%Si]+0.011[%Ni]+3.5×10^-5[%Ni]²

-0.024[%Mn]+3.2×10^-5[%Mn]²-0.01[%Mo]+7.9×10^-5[%Mo]²

-0.048[%Cr]+3.5×10^-4[%Cr]²

式中：p為冶煉壓力，p^θ為標準大氣壓，T為冶煉溫度。

冶煉原料中氮的實際加入重量百分比(wt%)_N1的計算公式②：

(wt%)_N1=（0.1～0.2）(wt%)_N

式中，(wt%)_N1表示冶煉原料中氮的實際加入重量百分比，(wt%)_N表示高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼目標成分中氮的重量百分比。

實施例一

采用500kg真空感應爐冶煉高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N，其成分控制范圍及控制目標如表2所示。

表2超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N成分控制范圍及控制目標（wt%）

具體步驟如下：

（1）配料與冶煉壓力計算

根據(jù)表2中鋼種目標成分和冶煉溫度約1550℃，依據(jù)公式①計算得到：冶煉壓力p為0.076MPa；依據(jù)公式②計算得到：冶煉原料中氮的實際加入重量百分含量(wt%)_N1為0.046%；計算得到冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N所需原料重量如表3所示。脫氧劑和脫硫劑的加入量分別為電解鋁95g，鎳鎂合金418g，稀土鈰228g。

表3冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N需要原料的重量

（2）裝料：將工業(yè)純鐵、金屬鉻、金屬鉬、金屬鎳、電解銅、金屬錳、工業(yè)硅放入感應爐的坩堝中，將高純氮化鉻、電解鋁、鎳鎂合金和稀土置于加料倉中。

（3）爐料熔化：將感應爐內(nèi)抽真空至4.6Pa，并通電升溫至感應爐內(nèi)爐料全部熔化。

（4）氮合金化及脫氧脫硫：待真空感應爐內(nèi)爐料熔清后，通入氮氣至冶煉壓力0.076MPa，通過控制功率維持熔煉溫度1550℃，從爐底部透氣塞向爐內(nèi)通入氮氣進行底吹攪拌熔煉，底吹氮氣流量0.08Nm³/h，底吹時間18min。停止底吹氮氣后，向爐內(nèi)加入高純氮化鉻進行氮合金化，然后依次添加電解鋁、鎳鎂合金、稀土進行深脫氧和深脫硫處理。

（5）澆鑄：向真空感應爐內(nèi)充入氮氣至澆鑄壓力0.082MPa，控制溫度1530℃進行澆鑄；澆鑄結束后，冷卻泄壓，取出鑄錠。

鑄錠組織致密無氮氣孔缺陷，其化學成分如表4所示。

表4成品鋼的化學成分（wt%）

實施例二

采用500kg真空感應爐冶煉高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N，其成分控制范圍及控制目標如表5所示。

表5超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N成分控制范圍及控制目標（wt%）

具體步驟如下：

（1）配料與冶煉壓力計算

根據(jù)表5中鋼種目標成分和冶煉溫度約1530℃，依據(jù)公式①計算得到：冶煉壓力p為0.085MPa；依據(jù)公式②計算得到：冶煉原料中氮的實際加入重量百分含量(wt%)_N1為0.075%；計算得到冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N所需原料重量如表6所示。脫氧劑和脫硫劑的加入量分別為電解鋁131g，鎳鎂合金380g，稀土鈰304g。

表6冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N需要原料的重量

（2）裝料：將工業(yè)純鐵、金屬鉻、金屬鉬、金屬鎳、電解銅、金屬錳、工業(yè)硅放入感應爐的坩堝中，將高純氮化鉻、電解鋁、鎳鎂合金和稀土置于加料倉中。

（3）爐料熔化：將感應爐內(nèi)抽真空至3.5Pa，并通電升溫至感應爐內(nèi)爐料全部熔化。

（4）氮合金化及脫氧脫硫：待真空感應爐內(nèi)爐料熔清后，通入氮氣至冶煉壓力0.085MPa，通過控制功率維持熔煉溫度1530℃，從爐底部透氣塞向爐內(nèi)通入氮氣進行底吹攪拌熔煉，底吹氮氣流量0.12Nm³/h，底吹時間20min。停止底吹氮氣后，向爐內(nèi)加入高純氮化鉻進行氮合金化，然后依次添加電解鋁、鎳鎂合金、稀土進行深脫氧和深脫硫處理。

（5）澆鑄：向真空感應爐內(nèi)充入氮氣至澆鑄壓力0.09MPa，控制溫度1510℃進行澆鑄；澆鑄結束后，冷卻泄壓，取出鑄錠。

鑄錠組織致密無氮氣孔缺陷，其化學成分如表7所示。

表7成品鋼的化學成分（wt%）

實施例三

采用500kg真空感應爐冶煉高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N，其成分控制范圍及控制目標如表8所示。

表8超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N成分控制范圍及控制目標（wt%）

具體步驟如下：

（1）配料與冶煉壓力計算

根據(jù)表8中鋼種目標成分和冶煉溫度約1510℃，依據(jù)公式①計算得到：冶煉壓力p為0.09MPa；依據(jù)公式②計算得到：冶煉原料中氮的實際加入重量百分含量(wt%)_N1為0.108%；計算得到冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N所需原料重量如表9所示。脫氧劑和脫硫劑的加入量分別為電解鋁167g，鎳鎂合金380g，稀土鈰380g。

表9冶煉一爐超級奧氏體不銹鋼24.5Cr22Ni7.3Mo0.5N需要原料的重量

（2）裝料：將工業(yè)純鐵、金屬鉻、金屬鉬、金屬鎳、電解銅、金屬錳、工業(yè)硅放入感應爐的坩堝中，將高純氮化鉻、電解鋁、鎳鎂合金和稀土置于加料倉中。

（3）爐料熔化：將感應爐內(nèi)抽真空至1.2Pa，并通電升溫至感應爐內(nèi)爐料全部熔化。

（4）氮合金化及脫氧脫硫：待真空感應爐內(nèi)爐料熔清后，通入氮氣至冶煉壓力0.09MPa，通過控制功率維持熔煉溫度1510℃，從爐底部透氣塞向爐內(nèi)通入氮氣進行底吹攪拌熔煉，底吹氮氣流量0.18Nm³/h，底吹時間21min。停止底吹氮氣后，向爐內(nèi)加入高純氮化鉻進行氮合金化，然后依次添加電解鋁、鎳鎂合金、稀土進行深脫氧和深脫硫處理。

（5）澆鑄：向真空感應爐內(nèi)充入氮氣至澆鑄壓力0.095MPa，控制溫度1480℃進行澆鑄；澆鑄結束后，冷卻泄壓，取出鑄錠。

鑄錠組織致密無氮氣孔缺陷，其化學成分如表10所示。

表10成品鋼的化學成分（wt%）

本發(fā)明提出了一種更為合理、高效、經(jīng)濟的氮合金化方法，為開發(fā)氮含量較高且精確可控、低偏析、無氣孔、高純凈度、性能優(yōu)異的高耐蝕高氮超級奧氏體不銹鋼提供技術保障。

本發(fā)明并不局限于所述的實施例，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神即公開范圍內(nèi)，仍可作一些修正或改變，故本發(fā)明的權利保護范圍以權利要求書限定的范圍為準。