CN103667587B

CN103667587B - 奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法

Info

Publication number: CN103667587B
Application number: CN201210356112.1A
Authority: CN
Inventors: 涂玉国; 练明生; 张国富; 成义军; 王田军; 沈国平
Original assignee: Jiangsu Xin Yue Auto Parts And Components Co Ltd; Jiangsu Shenyuan Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shenyuan Group Co Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN103667587A

Abstract

本发明公开了一种奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，包括以下步骤：（1）感应炉熔炼含铬、含镍合金料得合金液，电弧炉冶炼钢水；（2）将步骤（1）中所得合金液和所得钢水兑入钢包中，进入AOD炉中吹炼，根据气阀钢化学成分要求粗调合金成分、进行充氮气合金化操作，N含量达国标；（3）将步骤（2）所得进入LF炉，进行脱氧、脱硫及微调合金操作；（4）将步骤（3）所得进行浇注，冷却后脱模得到钢锭。该方法具有生产成本低、合金回收率高、以廉价氮气代替氮合金，适宜大规模生产的特点。

Description

奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼技术领域，特别是涉及牌号为53Cr21Mn9Ni4N（21-4N）、5Cr20Mn8Ni2N（21-2N）、33Cr23Ni8Mn3N(23-8N)奥氏体型发动机气阀用钢的一种冶炼方法。

背景技术

气阀钢是制造汽油发动机和柴油发动机的必用材料，发动机是汽车、拖拉机、内燃机车、船舰、工程机械、坦克、活动电站的动力，气阀则是发动机的关键零件，气阀钢也是整个发动机中的关键材料，在交通动力机械领域的重要性很大。气阀钢的生产在特殊钢中是一个专业性很强的领域，虽然数量不是很大，但其工作条件恶劣，通常都在高温、高压、高冲刷和高磨蚀的条件下工作，因而对气阀钢的性能要求较高，基本上要达到热强度高，热硬性好，疲劳强度高，耐磨性和抗腐蚀好。纵观气阀材料的发展历程，气阀钢经历了碳钢和低合金钢——硅铬型不锈钢——α相合金——奥氏体型耐热钢等多个发展阶段。目前，国内外使用最多的是奥氏体型耐热钢，其中以53Cr21Mn9Ni4N（21-4N）、5Cr20Mn8Ni2N（21-2N）、33Cr23Ni8Mn3N(23-8N)为主。

奥氏体气阀钢是上世纪50年代为节镍开发的阀门用奥氏体时效钢，目前国内外用于制造汽车、摩托车发动机排气阀应用最广的钢号。它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布以获得足够的高温强度、韧性、较高的硬度、耐磨性以及在冷热交变条件下组织的稳定性和较好的抗氧化、耐腐蚀性能，在工作温度600～700℃下具有良好的力学性能和高温性能。奥氏体气阀钢中氮含量为0.20～0.50%，按照冶金学上规定基体为奥氏体的钢材氮含量≥0.4%为高氮钢，奥氏体气阀钢可视为中高氮钢，其冶炼方法国内外主要采用感应炉熔炼含氮合金再进行电渣重熔，由于生产成本较高，大部分只是小规模生产，高品质产品主要依赖进口。现有的冶炼设备：中频炉冶炼钢铁料、合金收得率高，电耗高、不好脱磷；电弧炉冶炼脱磷快、升温快，钢铁料消耗高。奥氏体气阀钢为高合金钢，其中合金含量高达30%左右，冶炼工艺力求降低合金元素如Cr、Ni、Mn的烧损，同时要保证N的含量在标准范围之内，一般冶炼方法是采用感应炉熔炼含氮合金，如氮化铬、镍铁等再浇注为钢锭。中国专利申请CN201110186100.4公开了一种中频炉电弧炉双联冶炼方法，包括：(1)将钢铁料装入中频炉中，出炉得1520-1530℃钢水，其中配料按照电弧炉不氧化法配料计算方法进行，按照8-12％铸铁配入，终点碳为0.40％-0.60％；(2)在电弧炉中加入石灰，然后加入上述的钢水，升温，脱磷，脱碳，最后出钢进入精炼程序。中国专利申请CN200810300678.6一种高氮钢的冶炼方法，其步骤包括：(1)用电弧炉或感应炉熔炼钢水，(2)同时采用另一台电弧炉或感应炉熔炼含氮合金，将上述(1)、(2)步骤中的钢水成分的总和与钢种适配，(3)将熔炼的钢水加入到含氮合金液中，并在氮气保护下精炼，得到高氮钢。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供能够保证合金元素烧损率低，利用AOD充氮气合金化的一种生产奥氏体气阀钢的方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，包括以下步骤：

（1）感应炉熔炼含铬、含镍合金料得合金液，电弧炉冶炼钢水；

（2）将步骤（1）中所得合金液和所得钢水兑入钢包中，进入AOD炉中吹炼，根据气阀钢化学成分要求粗调合金成分、进行充氮气合金化操作，N含量达国标；

（3）将步骤（2）所得进入LF炉，进行脱氧、脱硫及微调合金操作；

（4）将步骤（3）所得进行浇注，冷却后脱模得到钢锭。

所述的步骤（1）中含铬合金包括：高碳铬铁、低碳铬铁；含镍合金包括：镍板、镍铁；全熔、温度T≥1560℃时出钢。

所述的步骤（1）中可以添加部分返回料作为合金量。

所述的步骤（1）中，电弧炉熔炼废钢时控制P含量，满足与感应炉钢水兑钢后P含量小于国标范围下限。

所述的步骤（2）中有以下要求：进入AOD炉钢水中C的质量百分比为：1.5～3.0%，Si≤0.8%；在C≥0.60时，温度≥1670℃进行还原操作，还原期采取充氮气合金化，出钢温度≥1480℃。

本发明利用感应炉熔炼合金，合金回收率高，有效的解决了金属元素的烧损高的问题；电弧炉熔炼废钢；再将二者进行兑钢处理进入AOD炉中吹炼，利用廉价的氮气进行充氮合金化。本发明也可以将钢水兑入感应炉出合金液钢包内或合金液兑入电弧炉出钢钢包内。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1）冶炼过程中不添加含氮合金，利用廉价的氮气进行充氮合金化，同时在冶炼前期利用感应炉熔炼铬、镍合金，大大降低了合金元素的烧损，从而降低成本；

2）采用了钢包精炼工艺，提高了钢水洁净度，保证了产品质量。

本发明结合了感应炉熔炼合金回收率高和氩氧精炼炉（AOD炉）脱碳保铬、充氮合金化的特点，在其他冶炼设备配合的条件下开发的一种奥氏体气阀钢冶炼方法，该方法具有生产成本低、合金回收率高、以廉价氮气代替氮合金，适宜大规模生产的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

奥氏体气阀钢53Cr21Mn9Ni4N（21-4N）冶炼实例：

1、53Cr21Mn9Ni4N（21-4N）化学成分见表1。

表153Cr21Mn9Ni4N化学成分

2、工艺流程

（1）、感应炉：入炉原料需经过烘烤，保证干燥无水，根据目标化学成分配入感应炉冶炼原料如下：

高碳铬:5200kg镍铁：2000kg

53Cr21Mn9Ni4N返回料:3050kg

在T≥1540℃合金料全熔时除渣，扒渣80%，加覆盖剂。T≥1560℃，中频炉直接带渣混出钢，出钢量10t，其化学成分如表2：

表2感应炉出钢钢水化学成分

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N	V	Nb	Cu
											2.99	1.08	3.78	0.036	0.042	3.14	27.23	0.19

由于配入了部分返回料，钢中含有部分N，以上感应炉主要配入合金是Cr及Ni。

（2）电弧炉（EBT）：入炉原料为废钢+生铁共20t左右，采用双渣法冶炼。在T≥1530℃加还原剂碳化硅1-1.5㎏/t造还原渣，除渣后，造碱度R≥1.5碱性渣,出钢时控制以下参数为：P≤0.05；Si≤0.6%；T≥1580℃,无渣出钢，钢水直接进入上述感应炉出钢钢包中，出钢量约15t，留钢约5t。

（3）AOD炉：将电弧炉中钢水和感应炉的合金液入AOD炉中，其入炉料初始化学成分如表3：

表3AOD入炉料化学成分

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N
								2.15	0.54	2.03	0.049	0.063	3.77	19.97	0.08

AOD炉吹炼氧化期气体为氧气和氮气，气体流量比控制为：O2:N2=26:4（M3/m），补加石灰，造渣碱度R为1.5～2.2，补加合金调整成分，温度达到≥1660℃时，取样分析C，当C达到0.60时，温度≥1670℃时，开始进入还原期，计算加入硅铁量，还原≥3分钟时加入调整锰合金，氮气流量为10～14M3/m，充氮8-15分钟，取样分析，扒渣。重新造渣，控制碱度R为1.8-2.2，根据分析样调整化学成分，成分合格，温度T=1490±20℃出钢，炉料转LF站。

（4）LF炉：上述炉料进入LF站后进行钢包精炼、主要对炉料进行合金微调、脱氧脱硫，除去夹杂，其炉料初始化学成分如表4：

表4LF炉入炉化学成分

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N
								0.52	0.34	8.59	0.033	0.006	3.31	20.05	0.41

根据初始成分不加合金，采用造白渣脱氧工艺，在合金熔化均匀的情况下，T≥1460℃，取样分析成分，成分合格后停止精炼，出钢，软吹10分钟后吊包浇注。浇注时最终成品成分如表5：

表5最终成品化学成分

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N
								0.53	0.18	8.90	0.033	0.005	3.36	20.58	0.41

实施例二：

奥氏体气阀钢33Cr23Ni8Mn3N(23-8N)冶炼实例：

1、33Cr23Ni8Mn3N(23-8N)化学成分见表 6。

表633Cr23Ni8Mn3N 化学成分

2、工艺流程

该钢种冶炼工艺如实施例一，仅成分有所改变，合金加入量根据钢种化学成分进行相应调整，由于该钢种液相线较53Cr21Mn9Ni4N（21-4N）高，LF出钢温度控制为≥1480℃。

实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。

Claims

1.奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，奥氏体发动机气阀用钢的化学成分质量百分比：53Cr21Mn9Ni4N(21-4N)：C：0.48-0.58%，Si≤0.35%，Mn：8.0-10.0%，P≤0.040%，S≤0.030%，3.25≤Ni≤4.5%，0.35≤N≤0.5%，20≤Cr≤22%，Cu≤0.30%，C+N≥0.90%，其余为Fe和不可避免的杂质；或33Cr23Ni8Mn3N（23-8N）：C：0.28-0.38%，0.5≤Si≤1.0%，1.5≤Mn≤3.5%，P≤0.040%，S≤0.030%，7.0≤Ni≤9.0%，0.25＜N≤0.35%，22≤Cr≤24%，Mo≤0.50%，W≤0.50%，Cu≤0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质；包括以下步骤：

（4）将步骤（3）所得进行浇注，冷却后脱模得到钢锭。

2.根据权利要求1所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（1）中含铬合金包括：高碳铬铁、低碳铬铁；含镍合金包括：镍板、镍铁；全熔、温度T≥1560℃时出钢。

3.根据权利要求1或2所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（1）中可以添加部分返回料作为合金量。

4.根据权利要求1或2所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，电弧炉熔炼废钢时控制P含量，满足与感应炉钢水兑钢后P含量小于国标范围下限。

5.根据权利要求1或2所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（2）中有以下要求：进入AOD炉钢水中C的质量百分比为：1.5～3.0%，Si≤0.8%；在C≥0.60时，温度≥1670℃进行还原操作，还原期采取充氮气合金化，出钢温度≥1480℃。

6.根据权利要求3所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，电弧炉熔炼废钢时控制P含量，满足与感应炉钢水兑钢后P含量小于国标范围下限。

7.根据权利要求3所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（2）中有以下要求：进入AOD炉钢水中C的质量百分比为：1.5～3.0%，Si≤0.8%；在C≥0.60时，温度≥1670℃进行还原操作，还原期采取充氮气合金化，出钢温度≥1480℃。

8.根据权利要求6所述的奥氏体发动机气阀用钢的冶炼方法，其特征在于：所述的步骤（2）中有以下要求：进入AOD炉钢水中C的质量百分比为：1.5～3.0%，Si≤0.8%；在C≥0.60时，温度≥1670℃进行还原操作，还原期采取充氮气合金化，出钢温度≥1480℃。