一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置

本发明涉及高氮钢制备，尤其是涉及一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置。

背景技术：

1、高氮钢是指在铁素体或马氏体基体中氮含量高于0.08% ，或在奥氏体基体中氮含量大于0.4%的钢。高氮钢具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，有着广阔的发展前景。以高氮不锈钢为例，氮具有固溶强化和细晶强化作用，能够显著提高不锈钢的抗拉强度和屈服强度；氮可以替代镍，不仅避免了镍对人体的伤害，而且大幅降低了不锈钢的原料成本；氮可大幅提高不锈钢的耐腐蚀性能，研究表明，1.0%的含氮量与16%的含铬量具有相同的耐腐蚀能力。

2、常态下，氮在钢液内的溶解度很低，约为0.043%。提高氮溶解度的途径主要有三方面，分别是增加氮气的分压、提高熔炼速率、改善氮气与钢液的接触条件。目前常用的高氮钢制备方法有反压铸造法、加压底吹熔炼法和加压电渣重熔法，这些制备方法所共有的缺点有以下几点：

3、1、熔炼设备的运行压力高达3-5mpa，高压带来的安全风险急剧提高；

4、2、合金金属的熔点、共晶的转变温度都随压力的增大而变化，影响高氮钢的组织和性能；

5、3、由于潜热的存在，铸锭的冷却时间长，氮气容易析出，不仅降低了氮的含量，而且会产生大量的析出性气孔；

6、4、铸锭存在偏析现象，尤其是氮的分布很不均匀；

7、5、铸锭不能预制成型，对于高氮钢管坯来说，铸锭还需二次加热成型，氮有析出的风险。

8、喷射沉积技术是近年来出现的新技术，喷射沉积技术的原理是在氩气等惰性气体的保护下，将金属熔液破碎成细小的金属熔滴，然后在高压气体或离心力的作用下，将金属熔滴连续喷射到金属基底上，形成半凝固态的沉积层，再通过金属基底的冷却使沉积层凝固成预制坯件。喷射沉积技术的优势在于，通过撞击能够打碎熔滴内部的晶枝，得到成分偏析程度小、组织细小均匀、具有预制形状的金属坯件。

9、因此，在不能解决现有高氮钢制备缺点的情况下需要转变思路，可以尝试采用喷射沉积技术来制备高氮钢管坯。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其目的在于：采用喷射沉积技术来制备高氮钢坯件，克服现有高氮钢制备设备的缺陷，提高钢的含氮量。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，包括：

4、等离子体炬，用于将钢砂加热至熔滴状态；

5、离心盘，设置于等离子体炬的下方，用于加速熔滴，并将熔滴甩在环形基底上形成沉积层；

6、环形基底，能够上下移动，其内设有电加热管和相变吸热材料；

7、密闭箱体，充有氮气，等离子体炬、离心盘、环形基底设置于密闭箱体内。

8、进一步地改进技术方案，所述离心盘包括盘体，在盘体的内部设有冷却腔，在冷却腔内充入有液氮。

9、进一步地改进技术方案，在盘体的上盘面设有多个气化孔，气化孔与冷却腔连通。

10、进一步地改进技术方案，在环形基底内，沿垂直方向均匀设置有四根环形的电加热管；预热时，四根电加热管同时通电；喷射沉积时，上下两根电加热管通电，中间的两根电加热管不通电。

11、进一步地改进技术方案，在环形基底内靠近中间的部位设有中空的环腔，所述相变吸热材料填充于环腔内。

12、进一步地改进技术方案，所述相变吸热材料为lif、或lif与caf2的共晶物。

13、进一步地改进技术方案，所述高氮钢管坯制备装置还包括氮气加压系统，密闭箱体内氮气的压强保持在0.5-2mpa。

14、进一步地改进技术方案，所述高氮钢管坯制备装置还包括氮气冷却系统，密闭箱体内氮气的温度控制在0-15℃。

15、相比于背景技术，本发明从技术原理上突破了现有高氮钢的制备方法，至少能产生以下有益效果：

16、1、密闭箱体为常压或低压，降低了因高压而引起的安全隐患；

17、2、合金金属的熔点、共晶的转变温度基本不会变化，不会对高氮钢的组织和性能造成影响；

18、3、冷却时间短，氮元素来不及气化析出就已经固溶于基体中，大幅降低了气孔的产生；

19、4、制备全过程都能够吸收环境中的氮气，有效提升了高氮钢管坯的含氮量；

20、5、能够得到成分偏析程度小、晶粒细小均匀的组织结构；

21、6、对环形基底进行了改进，解决了沉积层因热应力不均而出现开裂的问题；

22、7、管坯能够预制成型，不需要二次热成型，避免了氮析出的风险。

技术特征：

1.一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：包括：

2.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：所述离心盘包括盘体，在盘体的内部设有冷却腔，在冷却腔内充入有液氮。

3.如权利要求2所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：在盘体的上盘面设有多个气化孔，气化孔与冷却腔连通。

4.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：在环形基底内，沿垂直方向均匀设置有四根环形的电加热管；预热时，四根电加热管同时通电；喷射沉积时，上下两根电加热管通电，中间的两根电加热管不通电。

5.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：在环形基底内靠近中间的部位设有中空的环腔，所述相变吸热材料填充于环腔内。

6.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：所述相变吸热材料为lif、或lif与caf2的共晶物。

7.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：所述高氮钢管坯制备装置还包括氮气加压系统，密闭箱体内氮气的压强保持在0.5-2mpa。

8.如权利要求1所述的一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，其特征是：所述高氮钢管坯制备装置还包括氮气冷却系统，密闭箱体内氮气的温度控制在0-15℃。

技术总结一种基于喷射沉积技术的高氮钢管坯制备装置，主要由等离子体炬、离心盘、环形基底和密闭箱体构成；等离子体炬、离心盘、环形基底设置于密闭箱体内，在密闭箱体内充有氮气；等离子体炬用于将钢砂加热至熔滴状态；离心盘设置于等离子体炬的下方，用于加速熔滴，并将熔滴甩在环形基底上形成沉积层；环形基底能够上下移动，其内设有电加热管和相变吸热材料。本装置从技术原理上突破了现有高氮钢的制备方法，至少产生以下有益效果：1、有效提升了高氮钢管坯的含氮量；2、冷却时间短，降低了气孔的产生；3、解决了沉积层因热应力不均而出现开裂的问题；4、能够得到成分偏析程度小、晶粒细小均匀的组织结构；5、预制成型，无氮析出的风险。技术研发人员：魏世忠,李鹏,雷贤卿,杨璐,王晓东,司岸恒,孙波,仝帅武受保护的技术使用者：河南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5