真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法与流程

本发明属于真空感应炉冶炼，涉及真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法。

背景技术：

1、氮是钢中强奥氏体形成元素，含氮不锈钢比传统不锈钢具有更高的强度、塑韧性以及优越的生物兼容性和耐蚀性等，因而被广泛应用于石油化工、生物医疗器械、海洋船舶、桥梁和航空航天等行业。在提高材料力学性能方面，氮作为中间合金元素比碳更具有优势，氮原子半径比碳小，在钢基体中固溶度大，能起更好的固溶强化作用，所以通过加氮来提高材料强度、塑韧性和耐蚀性等更为有效；与普通不锈钢相比，含氮不锈钢具有更好的抗点蚀性能，在提高抗点蚀性能方面，氮与钼具有协同作用；氮还能减轻铬、镍等合金元素在两相中分布的差异，减少基体的贫铬现象。含氮不锈钢在冶炼过程中，钢液的氮含量主要与钢液表面活性元素、气相中的氮分压、合金元素及温度有关。添加适量的表面活性元素如碲、硒以及铌等，有利于增加钢中氮含量；在一定的压力下，氮在钢中的溶解度随温度上升而增大，且在共晶转变温度时，溶解度最大达到0.4％(质量分数)；向钢中添加合金元素可以提高钢中氮的溶解度；但相对于温度和合金元素，压力对氮溶解度的影响最大。真空感应炉主要用于精密合金、高温合金、特种不锈钢的冶炼。在冶炼含氮不锈钢过程中，钢液首先需在一定真空度下脱气，当钢液内氧、氢等元素降低一定程度后再进行合金化、增氮操作。但由于钢液的增氮是在一定真空条件下操作的，氮分压低，所以钢液增氮困难，且钢液内氮含量难以精准控制，现有冶炼方法采用氩气作为保护气体，冶炼时间长，氮元素收得率低，冶炼含氮不锈钢的氮元素收得率仅为50～70％。

技术实现思路

1、本发明公开了真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法，目的是在保证钢锭化学成分和钢锭内在质量合格的基础上，实现氮含量的精准控制，提高氮元素的收得率。

2、本发明采用以下具体冶炼方法：

3、⑴采用2.5t真空感应炉冶炼，感应炉极限真空度为0.05pa，镁铝尖晶石坩埚，最高工作温度1700℃，浇注两支1.1t感应锭；

4、⑵根据不同含氮不锈钢的化学成分，计算各原材料的重量、氮元素的饱和溶解度和充入氮气分压；

5、⑶将配比好的原材料加入炉中在真空下熔化和精炼，精炼末期关掉真空泵，充入氮气加压到计算的氮气分压，然后加入氮化铬，待氮化铬全部熔化后取样分析氮元素含量；

6、⑷化学成分达到标准要求后出钢，浇注温度比熔点高50℃～100℃，待钢锭冷却至室温后分别在钢锭的头中尾三个位置取样，分析氮元素含量。

7、本发明的机理分析及发明点：

8、⑴机理分析

9、①建立钢液增氮过程模型(如图1所示)；在氮气氛下添加氮化合金增氮，主要是向感应炉内充入一定的氮气保证炉内氮的分压，并向高温钢液内添加氮化合金如氮化铬、氮化锰，氮化合金会直接熔入钢液或分解为相应金属原子和氮原子。钢液内溶解的自由氮原子可与其他金属原子结合为新的氮化物或氮原子间形成氮分子从而溢出钢液。而充入一定量的氮气，部分氮分子与钢液表面接触，分解为氮原子，吸附于钢液表面的氮原子向钢液内部溶解，氮原子以自由状态存在或者与钢液内的金属原子结合成氮化物存在与钢液中。另一部分，氮气继续维持真空炉内的分压，减少钢液中氮分子的溢出。

10、②西华特(sievert)定律：钢中的氮溶解度(或氮含量)随着钢液外界的氮气分压升高而增加，

11、数学计算公式：

12、

13、式中：s气-溶解在金属中的气体浓度；k-比例常数；p气-气体的分压力。

14、③充入氮气分压计算公式：

15、

16、式中：kn-氮溶解反应平衡常数；fn-氮的活动系数；[n]-氮在钢中的溶解度；kn、fn根据冶炼不同钢种成分和温度查相关数据得出。

17、④钢液中氮溶解度计算公式：

18、

19、式中：[n]-氮在钢中的溶解度；-炉中分压；t-钢液温度；-钢液中合金元素j对氮的相互作用系数；[j]-钢液中合金元素的含量。

20、(2)发明点：

21、本发明据以上述原理，根据不同钢种成分和氮含量要求，计算出氮在钢中活度系数和熔炼温度下氮的饱和溶解度，根据目标氮含量确定充入氮气的压力和氮化铬合金的加入量，使氮饱和溶解度高于目标氮含量。真空感应炉冶炼含氮不锈钢，氮元素收得率低、无法实现氮含量的精准控制、过多加入氮化合金污染钢液一直都是困扰冶炼生产的大问题。通过对以上定律及公式的实际应用，创造有利于增氮的工艺因素，并结合真空感应炉冶炼的特点，控制炉内气体的分压，能够完美的解决这一问题，使氮元素完全溶解到钢液中，减少真空环境下的溢出，在氮气氛下出钢浇铸，节约氮化合金的使用，实现低成本增氮，提升生产效率，提高钢锭内在质量。

22、与现有技术比本发明的优点主要在于：

23、现有冶炼方法采用氩气作为保护气体，冶炼含氮不锈钢的氮元素收得率仅为50％～70％，本发明通过计算选择合适的充氮气压力，提高氮元素的饱和溶解度，并采用合适的浇注温度，使增氮合金充分溶解到钢液中，使氮元素收得率达到85％以上，实现低成本增氮和氮元素的精准控制。

技术特征：

1.真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法，其特征在于，采用以下生产方法：

2.根据权利要求1所述真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法，其特征在于，生产方法如下：

技术总结本发明公开了真空感应炉充氮气冶炼含氮不锈钢的生产方法，目的是实现氮含量的精准控制，提高氮元素的收得率。方案是，在氮气氛下添加氮化合金增氮，主要是向感应炉内充入一定的氮气保证炉内氮的分压，并向高温钢液内添加氮化合金如氮化铬、氮化锰，充入一定量的氮气，部分氮分子与钢液表面接触，分解为氮原子，向钢液内部溶解，氮原子以自由状态存在或者与钢液内的金属原子结合成氮化物存在与钢液中。另一部分，氮气继续维持真空炉内的分压，减少钢液中氮分子的溢出。本发明的优点主要在于：现有采用氩气作为保护气体，氮元素收得率仅为50％～70％，本发明氮元素收得率达到85％以上，实现低成本增氮和氮元素的精准控制。技术研发人员：李新宇,栗生宝,高健,汪少东,李洋,王金国受保护的技术使用者：东北特殊钢集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20