一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法
【專利摘要】一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法，屬于高氮鋼冶煉【技術(shù)領(lǐng)域】。步驟包括：配制冶煉物料，清理坩堝，裝入需熔煉鋼種要求的冶煉原料；對(duì)真空感應(yīng)爐熔煉室進(jìn)行抽空，真空度小于15Pa時(shí)開(kāi)始送電加熱爐料，功率40Kw，逐步增大，出現(xiàn)熔池后，控制功率，避免噴濺；爐料化清，調(diào)低功率，進(jìn)入精煉，脫O、N、H等；開(kāi)啟制氮機(jī)，充入氮?dú)?，調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力至所需的壓力值，提高氮的飽和溶解度；加入提高分壓的冶煉原料及增氮合金，提高合金收得率；加入最終脫氧劑，控制鋼液溫度，帶電澆注。適用于要求氮含量大于一定數(shù)值或控制范圍的鋼種冶煉，能達(dá)到成分控制準(zhǔn)確，氮收得率高且穩(wěn)定。優(yōu)點(diǎn)在于，使氮的收得率達(dá)到99％以上，尤其是冶煉高達(dá)2％的高氮鋼成為現(xiàn)實(shí)，并適用于大批量冶煉含氮量0.4％-1.4％的特殊鋼及醫(yī)療器械用鋼，成分精確、成本較低。
【專利說(shuō)明】一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高氮鋼冶煉【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法，即適用于要求氮含量大于一定數(shù)值或控制范圍的鋼種冶煉，達(dá)到成分控制準(zhǔn)確，氮收得率高且穩(wěn)定的效果。
【背景技術(shù)】
[0002]1.使用高氮鋼的意義
[0003]不銹鋼是不易生銹的鋼，不銹鋼的不銹性和耐蝕性是由于其表面上富鉻氧化膜(鈍化膜)而形成。由于不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性、相容性以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)韌性等系列特點(diǎn)，在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品行業(yè)以及建筑裝飾等行業(yè)中以其優(yōu)異特性取得廣泛的應(yīng)用，不僅是功能性材料，也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料。不銹鋼具有壽命周期長(zhǎng)、成本低的優(yōu)勢(shì)，可100%回收再利用，也是不會(huì)造成環(huán)境污染(無(wú)鉛、無(wú)聚氯乙烯、無(wú)環(huán)境荷爾蒙)的綠色環(huán)保材料。不銹鋼自20世紀(jì)發(fā)明以來(lái)是當(dāng)今唯一的產(chǎn)量和需求持續(xù)上升(世界年均增長(zhǎng)率6% )的金屬材料，由于技術(shù)的更新與進(jìn)步，成本的降低，不銹鋼的產(chǎn)量不斷提升。
[0004]不銹鋼材料大量應(yīng)用于與人體接觸的產(chǎn)品，如手表、首飾、醫(yī)療器械、人體器官植入等，這些領(lǐng)域所用不銹鋼牌號(hào)主要為SUS304(06Crl9Nil0)和SUS316L (022Cr 17Ni 12Mo2)，但是這兩類材料鎳含量均超過(guò)8 %。近年來(lái)的研究表明，鎳在長(zhǎng)期接觸人體時(shí)可能會(huì)有溶出而對(duì)人體造成危害，主要體現(xiàn)在鎳對(duì)皮膚的過(guò)敏反應(yīng)以及鎳可能致癌的影響，即含鎳金屬材料用于制造接觸人體皮膚的物品，會(huì)誘發(fā)過(guò)敏反應(yīng)，而在人體內(nèi)使用含鎳金屬材料時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)疾病。
[0005]含鎳金屬制品(包括鍍層)與人體皮膚長(zhǎng)期直接接觸，有些人會(huì)在接觸部位造成不同程度的皮膚損害，輕微的有發(fā)紅、搔癢，嚴(yán)重的會(huì)紅腫、潰爛等，這種現(xiàn)象稱之為鎳過(guò)敏。在日常生活中，人們經(jīng)常接觸含鎳金屬制品(如手表、首飾等)，因此引起皮膚過(guò)敏的病例屢見(jiàn)不鮮。對(duì)鎳引起皮膚過(guò)敏機(jī)理的研究表明，金屬不會(huì)直接與人體皮膚發(fā)生不良反應(yīng)，皮膚在長(zhǎng)期與含鎳制品直接接觸中，吸收含鎳材料中釋放的鎳離子，與皮膚黏膜上皮蛋白結(jié)合，滯留于表皮，導(dǎo)致皮膚表面出現(xiàn)濕疹等病理變化，引起過(guò)敏。這個(gè)過(guò)程可以描述為含鎳材料在與 人體皮膚長(zhǎng)期接觸過(guò)程中，人體汗液的作用加速了材料的腐蝕過(guò)程。
[0006]鎳對(duì)人體產(chǎn)生的致敏反應(yīng)和致癌影響，日益引起世界醫(yī)學(xué)界和材料界的重視。各國(guó)對(duì)日用和醫(yī)用金屬材料中的鎳含量限制越來(lái)越嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中所允許的最高鎳含量也越來(lái)越低。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始就有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于I %的合金劃入致癌物質(zhì)和皮膚過(guò)敏物質(zhì)范疇，并要求在產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)中附帶說(shuō)明可能對(duì)人體產(chǎn)生有害后果的“安全證書(shū)”。1994年，通過(guò)的IS06871-2-1994國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)警告:鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的口腔矯形合金，屬人體不能耐受的“危險(xiǎn)等級(jí)”合金。1999年7月，歐盟發(fā)布了指導(dǎo)性法規(guī)CE Directive94/27/EEC,即俗稱鎳指令(The Nickel Directive),對(duì)日用品生產(chǎn)用材的規(guī)定更加苛刻，指出植入人體內(nèi)的材料(植入材料、矯形假牙等)中，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)0.05%，而用于制造長(zhǎng)期接觸人體皮膚的首飾、手表、戒指、手鐲等產(chǎn)品的合金，鎳含量則以每周滲入皮膚的量不應(yīng)超過(guò)0.5 μ g/cm2為最高限量。國(guó)外廠商特別是歐盟國(guó)家對(duì)鎳指令反應(yīng)非常積極。2000年I月20日，鎳指令納入英國(guó)法律。2000年7月21日，德國(guó)禁止生產(chǎn)和進(jìn)口與皮膚長(zhǎng)期接觸的含鎳成分時(shí)款配飾。2002年，我國(guó)首飾行業(yè)制定并頒布了強(qiáng)制性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB11887— 2002《首飾貴金屬的規(guī)定及命名方法》，其中明確規(guī)定:首飾與人體皮膚長(zhǎng)期接觸部分的鎳釋放量每周必須小于0.5 μ g/cm2，并于2005年確立了首飾鎳釋放量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有與人體接觸產(chǎn)品的不銹鋼雖然其耐腐蝕性能較好，但均存在著鎳釋放量超標(biāo)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了避免在與人體接觸不銹鋼產(chǎn)品的鎳釋放超標(biāo)問(wèn)題，研究低鎳乃至無(wú)鎳的奧氏體不銹鋼及其加工技術(shù)勢(shì)在必行。
[0007]另外，從資源角度分析，我國(guó)是一個(gè)缺少鎳、鉻資源的國(guó)家，中國(guó)鎳資源儲(chǔ)量為670萬(wàn)噸，硫化銅鎳礦約占總儲(chǔ)量的91 %，其余為氧化礦。世界各國(guó)在爭(zhēng)奪鎳鉻資源開(kāi)發(fā)控制權(quán)方面競(jìng)爭(zhēng)激烈，因此鎳鉻資源供應(yīng)是我國(guó)發(fā)展不銹鋼生產(chǎn)的重要限制因素，且近年來(lái)鎳原料價(jià)格高漲，相對(duì)使得鎳鉻系不銹鋼成本偏高，因此發(fā)展低鎳乃至無(wú)鎳不銹鋼具有重要的戰(zhàn)略意義。 [0008]2、相關(guān)技術(shù)的發(fā)展
[0009]低鎳或無(wú)鎳的奧氏體不銹鋼的發(fā)展經(jīng)過(guò)了幾個(gè)階段，是伴隨著奧氏體不銹鋼的發(fā)展而不斷進(jìn)度的。奧氏體不銹鋼自二十世紀(jì)二十年代初發(fā)明以來(lái)，得到了迅猛的發(fā)展。目前，奧氏體不銹鋼已發(fā)展成不銹鋼中最重要的鋼類，其生產(chǎn)量和使用量約占不銹鋼總產(chǎn)量及用量的60%以上。
[0010]隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，氬一氧脫碳精煉法(AOD)和真空吹氧脫碳法(VOD)開(kāi)始作為商品化的大生產(chǎn)應(yīng)用到不銹鋼的生產(chǎn)工藝上。用精煉技術(shù)可經(jīng)濟(jì)地脫碳，并易于將碳含量降至0.03wt%以下，大大減少了敏化現(xiàn)象的發(fā)生。超低碳奧氏體不銹鋼以其優(yōu)異的耐蝕性和綜合性能，逐漸取代了含Nb、Ti類不銹鋼。然而碳的降低，使得奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度下降。為彌補(bǔ)降碳引起的強(qiáng)度不足，氮在不銹鋼中的作用開(kāi)始為人們所重視。從二十世紀(jì)二十年代開(kāi)始，人們發(fā)現(xiàn)在不銹鋼中氮可以提高強(qiáng)度，后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其對(duì)鋼的耐蝕性能有有益的影響。但氮作為合金化元素使用的最早報(bào)道是在1938年。阻礙氮作為合金元素廣泛使用的主要因素首先是氮的加入問(wèn)題。在大氣壓強(qiáng)下氮溶解度非常低，加入非常困難。由于加入量很小，因此其對(duì)鋼的有利作用不明顯。此外，在某些合金鋼中，氮在沖擊韌性、塑性等方面存在不利影響，進(jìn)一步阻礙了人們對(duì)氮的應(yīng)用的重視。
[0011]二十世紀(jì)五十年代，由于當(dāng)時(shí)不銹鋼中貴重元素鎳資源的奇缺，促使了人們對(duì)鉻鎳錳氮和鉻錳氮奧氏體不銹鋼的廣泛研究。這種研究的結(jié)果，導(dǎo)致了 Cr-Mn-N1-N不銹鋼系列即200系的誕生。鋼中的N含量集中在0.10~0.25%范圍內(nèi)。到六十年代，由于AOD爐外精煉技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，使得氮的加入和控制問(wèn)題得到了一定程度的解決。對(duì)含氮不銹鋼的進(jìn)一步研究使得氮在不銹鋼中的有益作用越來(lái)越多地為人們所認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)，研究者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，氮在顯著提高不銹鋼的力學(xué)性能的同時(shí)，還提高鋼的耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕性能如耐晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等。
[0012]但是，受冶煉條件等因素的限制，當(dāng)時(shí)氮在不銹鋼中的溶解度仍然處于較低的水平。隨著加壓冶金技術(shù)的發(fā)展，氮可以以較大含量固溶于鋼中，并因此對(duì)鋼的性能帶來(lái)了更大的影響。氮在鋼中的作用再次被人們所廣泛關(guān)注。工業(yè)對(duì)高氮鋼寄予了很大的興趣。[0013]氮在鐵合金中的溶解度關(guān)系為:
[0014]1gN = -293/T-l.16-logfN+0.51ogPN2
[0015]式中T為溫度，&為氮的活化系數(shù)，受合金元素影響，其中Cr、Mn、Mo、Nb降低其活化系數(shù)值。
[0016]目前，國(guó)外已開(kāi)發(fā)了多種高氮鋼的冶煉技術(shù)，包括等離子冶煉、加壓感應(yīng)爐冶煉、加壓電渣重熔冶煉、粉末冶金以及利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)合金設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的常壓下高氮鋼的冶煉等。高氮鋼發(fā)展的主要趨勢(shì)有:(I)高強(qiáng)高韌鋼。此類鋼主要利用N對(duì)鋼力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)囊苯鸸に嚭颓‘?dāng)?shù)暮辖鹪O(shè)計(jì)，將N極大地固溶于鋼中，從而研制出超高強(qiáng)度、超高韌性的不銹鋼。部分成果已表明，這是研究超高強(qiáng)度鋼的又一途徑。已經(jīng)研究出固溶狀態(tài)下屈服強(qiáng)度超過(guò)2000MPa，冷變形狀態(tài)下強(qiáng)度超過(guò)3600MPa的超高強(qiáng)度鋼。(2)以耐蝕性能為主的綜合性能優(yōu)異的不銹鋼。此類鋼主要利用N對(duì)鋼的耐蝕性能的貢獻(xiàn)，并兼顧N在力學(xué)性能上的影響，針對(duì)特殊的服役環(huán)境，研究出一系列新型超級(jí)不銹鋼。(3)以節(jié)約資源、降低成本為主要目的的經(jīng)濟(jì)型不銹鋼。此類鋼利用N對(duì)鋼組織的影響，部分或全部替代貴重金屬鎳，使得鋼在較低的原料成本下仍保持奧氏體組織，從而在性能上兼顧奧氏體鋼的特點(diǎn)和N對(duì)鋼性能的作用，進(jìn)一步擴(kuò)大了不銹鋼的使用。
[0017]氮元素有固溶強(qiáng)化作用，不僅可以提高鋼材強(qiáng)度、韌性、蠕變抗力，提高耐磨性，而且能改善其耐蝕性?；w為鐵素體的鋼中含有0.08%以上的氮和基體為奧氏體的鋼中含有
0.4%以上的氮的鋼稱為高氮鋼。氮在不銹鋼的奧氏體相中比碳容易固溶，并有延緩碳化物析出的效果，同時(shí)能有效地改善鋼的強(qiáng)度和耐蝕性。以氮替代鎳的不銹鋼研制，可以通過(guò)不銹鋼高氮化來(lái)提高耐蝕性和強(qiáng)度，使奧氏體相穩(wěn)定并取代鎳，在質(zhì)量和成本方面獲得效果。高氮不銹鋼的冶煉主要面 臨兩個(gè)問(wèn)題，即如何在熔化狀態(tài)獲得高含量氮，以及怎樣保證在凝固過(guò)程中使氮處于溶解狀態(tài)，而不是游離態(tài)。為獲得高含氮量，所采取的主要措施有:設(shè)計(jì)合理的合金成分；采取合適的工藝路線；選擇適當(dāng)?shù)牡d體。當(dāng)前高氮鋼冶煉技術(shù)主要采用向熔融鋼液加入固體含氮材料使鋼合金化、采用氣態(tài)氮的合金化或兩種方式結(jié)合的冶煉方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的在于提供一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法，適用于要求氮含量大于一定數(shù)值或控制范圍的鋼種冶煉，能達(dá)到成分控制準(zhǔn)確，氮收得率高且穩(wěn)定。應(yīng)用固體含氮物料和氣態(tài)氮兩種合金化增氮方法來(lái)冶煉高氮鋼，從而使成分控制準(zhǔn)確，氮回收率達(dá)到99%以上。
[0019]本發(fā)明應(yīng)用制氮機(jī)產(chǎn)生的氮?dú)庠磳?duì)液態(tài)鋼進(jìn)行滲氮合金化和固體含氮物料合金化來(lái)冶煉高氮鋼，在可通入氮?dú)獾恼婵崭袘?yīng)熔煉室內(nèi)進(jìn)行，工藝步驟如下:
[0020]a、依據(jù)目標(biāo)鋼種的元素成分，通過(guò)下述的公式(I)及公式(2)計(jì)算出目標(biāo)鋼種在常壓下的極限氮含量值，該極限氮含量值乘以修正值得到冶煉配制爐料中氮含量的實(shí)際加入重量百分比，該修正值介于0.7~0.9 ;
[0021]公式(I):
【權(quán)利要求】
1.一種真空感應(yīng)正壓爐冶煉高氮鋼的方法，應(yīng)用制氮機(jī)產(chǎn)生的氮?dú)庠磳?duì)液態(tài)鋼進(jìn)行滲氮合金化和固體含氮物料合金化來(lái)冶煉高氮鋼，在可通入氮?dú)獾母袘?yīng)熔煉室內(nèi)進(jìn)行；其特征在于，工藝步驟如下: a、依據(jù)目標(biāo)鋼種的元素成分，通過(guò)下述的公式(I)及公式(2)計(jì)算出目標(biāo)鋼種在常壓下的極限氮含量值，該極限氮含量值乘以修正值得到冶煉配制爐料中氮含量的實(shí)際加入重量百分比，修正值的范圍為:0.7~0.9; 公式⑴: l
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟e氣體氮合金化:氮?dú)饧兌?gt;99%,充氮壓力由公式:lg pn2= 2×（lg[%N]-lgK N+lg f me n） 結(jié)合公式⑵計(jì)算得出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟g中的脫氧劑使用坩堝碳或脫氧鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高氮鋼是指以氮取代鎳的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼。
【文檔編號(hào)】C21C5/52GK103924031SQ201410162946
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】邢長(zhǎng)軍, 姚春發(fā), 寧小智, 曹呈祥, 吳林, 王雷, 李北, 鮑賢勇, 翁建寅 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院