一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系。本發(fā)明渣系的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：CaF2：63～68％，CaO：19～23％，Al2O3：10～15％，MgO：1～3％，SiO2：0.5～1.0％，余量為不可避免雜質(zhì)，雜質(zhì)含量不大于1％；其中，CaO/Al2O3為1.27～2.30。通過控制渣系中CaO/Al2O3的比值，以及優(yōu)化CaF2、Al2O3和SiO2等關(guān)鍵組元的含量，增強(qiáng)了渣系的氮滲透性和氮容，提高了加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼過程中氣相滲氮的效率，從而冶煉出氮含量較高的高品質(zhì)高氮馬氏體不銹鋼。
【專利說明】
一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于冶煉高氮鋼的渣系，特別涉及一種用于加壓電渣重熔過程中 利用氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系。
【背景技術(shù)】
[0002] 高氮馬氏體不銹鋼是指氮含量大于0.08%的馬氏體不銹鋼。氮在馬氏體不銹鋼中 以間隙原子形式存在，它與其它元素形成氮化物分布于晶界上，提高硬化能力，防止高溫回 火時奧氏體、鐵素體晶粒的長大，因而對馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度有很大的影響。隨著間隙氮原 子含量的增加，馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度隨之提高。與此同時，氮元素的加入對提高馬氏體不銹 鋼的耐蝕性有一定的作用。由于具有優(yōu)異的綜合性能，高氮馬氏體不銹鋼可應(yīng)用于滾動軸 承、刀具以及發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域。
[0003] 高氮馬氏體不銹鋼的傳統(tǒng)冶煉方法主要有添加氮化合金法和復(fù)合電極法，但其生 產(chǎn)成本均較高，硅含量容易超標(biāo)，且氮的均勻性較差。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，利用 加壓電渣重熔技術(shù)通過氣相滲氮的方式冶煉高氮馬氏體不銹鋼逐漸成為工業(yè)化生產(chǎn)高氮 馬氏體不銹鋼的重要手段，特別適合于大規(guī)模冶煉氮含量高于0.1%的高氮馬氏體不銹鋼。 氣相滲氮法利用氣相中的氮實現(xiàn)合金化，可降低氮化合金的加入量，從而顯著降低生產(chǎn)成 本。
[0004] 氮容是表征渣系容納氮的能力，高氮容的渣系有利于氣相滲氮。加壓電渣重熔的 渣系組成顯著影響其氮容，在加壓電渣重熔過程中對氣相滲氮的效果具有重要作用。由于 氮在體心立方的馬氏體不銹鋼中溶解度很低，因而在加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏 體不銹鋼的過程中，必須使用高氮容的渣系。然而，目前現(xiàn)有的加壓電渣重熔渣系的氮容均 較低，嚴(yán)重影響了加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼的滲氮效果。因此，亟需開發(fā)一種能夠有 效提升滲氮效率的加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼的高氮容渣系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系，通過優(yōu) 化渣系中Ca0/Al20 3的比值以及CaF2、MgO和Si02等關(guān)鍵組元的含量，提高渣系氮容，增強(qiáng)氮 在熔渣中的滲透效果，從而促進(jìn)了加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼過程中氣相滲氮的進(jìn) 行。
[0006] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的化學(xué)成分 質(zhì)量百分比為：CaF2:63~68%，Ca0:19~23%，Al2〇3:l〇~15%，MgO:l~3%，Si〇2:0.5~ 1.0%，余量為不可避免雜質(zhì)，雜質(zhì)含量不大于1%;其中CaO/Al2〇3為1.27~2.30。
[0007] 上述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的熔化溫度為 1230~1320°C。
[0008] 上述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系在1500°C的黏 度為0.021 ~0.029Pa · s。
[0009] 上述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系在1500°C的電 阻率為0.244~0.298 Ω .cm。
[0010] 上述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系在1500°C的氮 容Cn為(0.994~1.402) X 10-13。
[0011] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的制備方法 如下。
[0012] ⑴配料
[0013] 采用高純螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂和硅石為原料，按以下重量百分比配 制：〇&卩2:63~68%，〇&0 :19~23%，八12〇3:10~15%，]\%0:1~3%^〇2:0.5~1.0%，其余為 雜質(zhì)，雜質(zhì)含量不超過1 % ;其中，CaO/Al2〇3為1.27~2.30。
[0014] (2)預(yù)熔
[0015]將原料均勻混合，在三相化渣爐中預(yù)熔并攪拌30分鐘以上，化渣溫度控制在1550 ~1580°C，將熔渣倒于鋼槽內(nèi)冷卻凝固至室溫。
[0016] (3)破碎
[0017] 將凝固渣多級破碎至粒度為0~10mm，從而制備出高氮馬氏體不銹鋼加壓電渣重 熔用渣系。
[0018] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的使用方法 如下。
[0019] (1)將前面所述的高氮馬氏體不銹鋼加壓電渣重熔用渣系在600~800°C條件下烘 烤5~7h。
[0020] (2)將與所冶煉高氮馬氏體不銹鋼相同材質(zhì)的引弧環(huán)和0.45±0.05kg引弧肩放到 自耗電極下面的加壓電渣爐底水箱上，并將烘烤后的預(yù)熔渣加入到加壓電渣爐結(jié)晶器內(nèi)。
[0021] (3)密閉加壓電渣爐熔煉室，在氮氣保護(hù)下進(jìn)行固態(tài)起弧造渣。
[0022] (4)造渣完成后，逐漸提高加壓電渣爐熔煉室內(nèi)的氮氣壓力，同步提升加壓電渣爐 結(jié)晶器冷卻水壓力，并提高電流和電壓，進(jìn)行低熔速加壓電渣重熔氣相滲氮熔煉。
[0023] (5)加壓電渣重熔補(bǔ)縮結(jié)束后，打開加壓電渣爐放氣閥泄壓，同步降低冷卻水壓力 至常壓，待鋼錠完全冷卻后，脫出，制備出高氮馬氏體不銹鋼鋼錠。
[0024]本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的氮容以定 義式為：
[0026] 其中，CN是氮容；（％N)是熔渣與氮氣達(dá)到平衡時熔渣中的氮含量;私2是氧分壓； 私 2是氮分壓。
[0027] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系，其特征在于 采用高氮容渣系。在1500°C下，渣系氮容的計算公式如下所述：
[0028] l〇gCN=7.442A-19.05。
[0029] 式中：Λ = ( Σ χαπαΔ A+x咖 Α Β+· · · ·)/( Σ χΑηΑ+ΧΒΠΒ+· · · ·) ;xi為渣系A(chǔ)~N種組元中 第i組元的摩爾分?jǐn)?shù);m為渣系A(chǔ)~N種組元中第i組元的摩爾數(shù)；Δ i為渣系A(chǔ)~N種組元中第i 組元的光學(xué)堿度;i =A~N;CN為渣系的氮容。
[0030] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系與傳統(tǒng)電渣 重熔渣系的氮容計算結(jié)果如表1所示。由于氮在體心立方的馬氏體不銹鋼中溶解度很低，因 此，與高氮奧氏體不銹鋼相比，高氮馬氏體不銹鋼需要更高氮容的渣系。而從表1中可以看 出，本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的氮容可達(dá)到 (0.994~1.402) Χ10-13,顯著高于傳統(tǒng)渣系，因而有利于加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼 過程中氣相滲氮的順利進(jìn)行。
[0031] 表1本發(fā)明渣系與傳統(tǒng)電渣重熔渣系的氮容對比，wt. %
[0032]
[0033] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系，其特征在于 將渣中CaO含量控制在19~23%，有助于增大渣系氮容;將Al 2〇3含量控制在10~15%，即令 CaO/Al2〇3在1.27~2.30之間，同時將CaF2含量控制在63~68%，從而有利于進(jìn)一步促進(jìn)渣 系溶氮。
[0034] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系，其特征在于 將渣中Si02的范圍控制在0.5~1.0%。由于低熔速加壓電渣重熔易造成電渣錠表面缺陷， 因而當(dāng)渣中不添加或者添加極少量的Si0 2時，有可能導(dǎo)致渣的黏度在冷卻過程中發(fā)生突 變，從而降低電渣錠的表面質(zhì)量;而當(dāng)渣中含有較高含量的Si02時，又容易造成鋼中易氧化 元素?zé)龘p、渣系氮容降低、滲氮效果惡化等問題，進(jìn)而影響高氮馬氏體不銹鋼電渣錠的質(zhì) 量。因此，Si0 2的成分范圍控制在0.5~1.0%為宜。
[0035] 本發(fā)明的一種加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系，通過優(yōu)化渣 系中CaO/Al2〇3的比值以及CaF 2、MgO和Si02等關(guān)鍵組元的含量，顯著增加了加壓電渣重熔渣 系的氮容，提高了加壓電渣重熔高氮馬氏體不銹鋼過程中的氣相滲氮效率，從而冶煉出氮 含量$父尚的尚品質(zhì)尚氣馬氏體不鎊鋼。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合實施例詳細(xì)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。
[0037] 實施例1
[0038]本實施例的加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的化學(xué)成分質(zhì) 量百分比為<3?2:63.4%41203:14%，030:20%，]\%0 :1%，3丨02:1%，其余為雜質(zhì)。該渣系 的熔化溫度為1250°C;在1500°C溫度下，該渣系的電阻率為0.276Ω · cm，黏度為〇.〇27Pa · s，氮容為 1.059X 10-13。
[0039] 該渣系的制備方法為：
[0040] (1)采用高純螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂和硅石為原料，按上述重量百分比 配制。
[0041 ] (2)將各原料均勻混合，在三相化渣爐中預(yù)熔并攪拌均勻，熔煉電流為1500A，電壓 為35V，冶煉時間40分鐘，化渣溫度為1570 °C ;將熔渣倒于鋼槽內(nèi)冷卻凝固至室溫。
[0042] (3)將冷卻后的熔渣破碎至粒度為0~10mm，而后采用真空包裝，即得電渣重熔預(yù) 熔渣。
[0043] 采用上述預(yù)熔渣加壓電渣重熔200kg的30Crl5MoN0.1鋼，其目標(biāo)氮含量為0.1~ 0.15%。自耗電極母材由氬氣保護(hù)的真空感應(yīng)熔煉獲得，并鍛造成直徑Φ = 130_的自耗電 極，其成分如下。
[0044]
[0045] 該渣系的使用方法如下。
[0046] (1)將高氮馬氏體不銹鋼加壓電渣重熔用渣系在700°C條件下烘烤6h。
[0047] (2)將與30Crl5MoN0.1鋼相同材質(zhì)的引弧環(huán)和0.44kg引弧肩放到自耗電極下面的 加壓電渣爐底水箱上，并將烘烤后的預(yù)熔渣加入到直徑D為220mm結(jié)晶器內(nèi)，渣量為8kg。
[0048] (3)密閉加壓電渣爐熔煉室，在氮氣保護(hù)下進(jìn)行固態(tài)起弧造渣。化渣電壓為38V，化 渣電流為2400A，化渣時間為20分鐘，完成造渣。
[0049] (4)造渣完成后，逐漸提高熔煉室內(nèi)的氮氣壓力至2. IMPa，同步提升加壓電渣爐結(jié) 晶器冷卻水壓力至2.1MPa，在電壓42V、電流3500A下冶煉，熔速為84kg/h。同時利用步進(jìn)式 加料機(jī)勻速加入總重ll〇g的硅鈣合金進(jìn)行脫氧。
[0050] (5)加壓電渣重熔補(bǔ)縮結(jié)束后，打開加壓電渣爐放氣閥泄壓，同步降低冷卻水壓力 至常壓，待鋼錠完全冷卻后，脫出鋼錠。
[0051 ] 加壓電渣重熔30Crl5MoN0.1鋼成分如下。
[0054]冶煉結(jié)束后對不同部位的氮含量進(jìn)行分析，結(jié)果如下表所示。
[0056] 從上表可以看到，此例所得到的電渣錠達(dá)到目標(biāo)鋼種30Cr 15M〇NO . 1的氮含量要 求，氮沿錠身分布均勻。同時，電渣錠表面質(zhì)量良好，無渣溝、結(jié)瘤、重皮、褶皺、夾渣等缺陷。
[0057] 實施例2
[0058] 本實施例的加壓電渣重熔氣相滲氮冶煉高氮馬氏體不銹鋼的渣系的化學(xué)成分質(zhì) 量百分比為<3?2:65.3%41 203:10%，030:22%，]\%0:1%，3丨02:1%，其余為雜質(zhì)。該渣系 的熔化溫度為1240°C;在1500°C溫度下，該渣系的電阻率為0.249Ω · cm，黏度為〇.〇25Pa · s，氮容為 1.332X 10-13。
[0059]該渣系的制備方法為：
[0060] (1)采用高純螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂和硅石為原料，按上述重量百分比 配制。
[0061 ] (2)將各原料均勻混合，在三相化渣爐中預(yù)熔并攪拌均勻，熔煉電流為1500A，電壓 為35V，冶煉時間35分鐘，化渣溫度為1550 °C ;將熔渣倒于鋼槽內(nèi)冷卻凝固至室溫。
[0062] (3)將冷卻后的熔渣破碎至粒度為0~10mm，而后采用真空包裝，即得電渣重熔預(yù) 熔渣。
[0063] 采用上述預(yù)熔渣加壓電渣重熔200kg的50Crl8MoVN0.2鋼（目標(biāo)氮含量為0.2~ 0.3 % )。自耗電極母材由氬氣保護(hù)的真空感應(yīng)熔煉獲得，并鍛造成直徑Φ = 130_的自耗電 極，其成分如下。
[0064]
[0065]該渣系的使用方法為：
[0066] (1)將高氮馬氏體不銹鋼加壓電渣重熔用渣系在800°C條件下烘烤7h。
[0067] (2)將與50Crl8MoVN0.2鋼相同材質(zhì)的引弧環(huán)和0.45kg引弧肩放到自耗電極下面 的加壓電渣爐底水箱上，并將烘烤后的預(yù)熔渣加入到直徑D為220mm結(jié)晶器內(nèi)，渣量為 8·5kg〇
[0068] (3)密閉加壓電渣爐熔煉室，在氮氣保護(hù)下進(jìn)行固態(tài)起弧造渣。化渣電壓為36V，化 渣電流為2200A，化渣時間為24分鐘，完成造渣。
[0069] (4)造渣完成后，逐漸提高熔煉室內(nèi)的氮氣壓力至3.2MPa，同步提升加壓電渣爐結(jié) 晶器冷卻水壓力至3.2MPa，在電壓40V、電流3400A下冶煉，熔速為76kg/h。同時利用步進(jìn)式 加料機(jī)勻速加入總重ll〇g的硅鈣合金進(jìn)行脫氧。
[0070] (5)加壓電渣重熔補(bǔ)縮結(jié)束后，打開加壓電渣爐放氣閥泄壓，同步降低冷卻水壓力 至常壓，待鋼錠完全冷卻后，脫出鋼錠。
[0071] 加壓電渣重熔50Crl8MoVN0.2鋼成分如下。
[0073]冶煉結(jié)束后對不同部位的氮含量進(jìn)行分析，結(jié)果如下表所示。
[0075] 從上表可以看到，此例所得到的電渣錠達(dá)到目標(biāo)鋼種50Crl8M〇VN0.2的氮含量要 求，氮沿錠身分布均勻。同時，電渣錠表面質(zhì)量良好，無渣溝、結(jié)瘤、重皮、褶皺、夾渣等缺陷。
【主權(quán)項】
1. 一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系，其特征在于該渣系的成 分按重量百分比為CaF 2:63~68%，CaO:19~23%，Al2〇3:10~15%，MgO:l~3%，Si〇2:0.5 ~1.0%，余量為不可避免雜質(zhì)，雜質(zhì)含量不大于1 %;其中，CaO/Al2〇3為1.27~2.30;渣系的 熔化溫度為1230~1320°C。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系， 其特征在于渣系在1500°(：下：其黏度為0.021~0.029?3.8，電阻率為0.244~0.298〇· cm，氮容Cn為(0.994~1.402) X 10-13;在1500°C下，渣系氮容的計算公式如下所述： log Cn = 7.442A-19.05, 式中：Λ = ( Σ χαπαΔ α+χβπβ δ b+· · · ·)/( Σ χΑηΑ+ΧΒΠΒ+· · · ·) ;Xi為渣系A(chǔ)~N種組元中第i 組元的摩爾分?jǐn)?shù);m為渣系A(chǔ)~N種組元中第i組元的摩爾數(shù)；Δ i為渣系A(chǔ)~N種組元中第i組 元的光學(xué)堿度;i =A~N;Cn為渣系的氮容。3. -種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系的制備方法，其特征在于 該方法包括如下步驟： (1) 配料:采用高純螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂和硅石為原料，按以下重量百分 比配制：CaF2:63~68%，CaO:19~23%，Al2〇3:10~15%，MgO:l~3%，Si0 2:0.5~1.0%，其 余為雜質(zhì)，雜質(zhì)含量不超過1 % ;其中，CaOAl2O3為1.27~2.30; (2) 預(yù)熔:將原料均勻混合，在三相化渣爐中預(yù)熔并攪拌30分鐘以上，化渣溫度控制在 1550~1580 °C，將熔渣倒于鋼槽內(nèi)冷卻凝固至室溫； (3) 破碎:將凝固渣多級破碎至粒度為不超過10mm，從而制備出高氮馬氏體不銹鋼加壓 電渣重熔用渣系。4. 一種加壓電渣重熔氣相滲氮制備高氮馬氏體不銹鋼的渣系的使用方法，其特征在于 所述使用方法包括： (1) 將如權(quán)利要求1所述的高氮馬氏體不銹鋼加壓電渣重熔用渣系在600~800°C條件 下烘烤5~7h; (2) 將與所制備高氮馬氏體不銹鋼相同材質(zhì)的引弧環(huán)和0.45±0.05kg引弧肩放到自耗 電極下面的加壓電渣爐底水箱上，并將烘烤后的預(yù)熔渣加入到加壓電渣爐結(jié)晶器內(nèi)； (3) 密閉加壓電渣爐熔煉室，在氮氣保護(hù)下進(jìn)行固態(tài)起弧造渣； (4) 造渣完成后，逐漸提高加壓電渣爐熔煉室內(nèi)的氮氣壓力，同步提升加壓電渣爐結(jié)晶 器冷卻水壓力，并提高電流和電壓，進(jìn)行低熔速加壓電渣重熔氣相滲氮熔煉，制備出高氮馬 氏體不銹鋼鋼錠。
【文檔編號】C22B9/18GK105950883SQ201610485567
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】姜周華, 馮浩, 李花兵, 朱紅春, 張樹才, 劉福斌, 耿鑫, 羅毅
【申請人】東北大學(xué)