CN106011371B - 一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法 - Google Patents

一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高氮钢冶炼技术领域，具体涉及一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，适用于冶炼C：≤0.6％，Mn：≤30％，Cr：12～30％，Si：≤1％，Mo：0～4.5％，N：0.1～2％，Ni：0～4.5％，V：0～1％，S：≤0.015％，P：≤0.05％，Fe：余量的高氮钢。冶炼时根据钢种成分，由加压感应炉冶炼符合氮含量要求的电极母材；在氮气条件下采用固态起弧的方法进行起弧造渣；之后提升熔炼室和冷却水压力，在35V～40V、2000A～3000A下冶炼；本方法为开发硫含量低、非金属夹杂物少、组织均匀致密、氮分布均匀的高氮不锈钢提供技术保障。

Description

一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法
技术领域
本发明属于高氮钢冶炼领域，具体涉及一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法。
背景技术
随着钢铁行业的发展和技术的进步，高氮不锈钢由于其高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性能等优点，已成为不锈钢领域的重要发展方向。作为钢中重要的合金元素，氮在保证间隙固溶强化的同时，又能有效提高不锈钢的耐点腐蚀、耐应力腐蚀等性能。因此高氮不锈钢具有比传统不锈钢更加优异的性能和更加广泛的应用前景。
高氮钢生产的关键技术是氮的加入和保持。但是，由于氮在钢中的溶解度较低，并且在凝固过程中需经过氮溶解度很低的δ铁素体相，易导致氮的偏析和氮气的逸出，严重制约了高氮不锈钢的品种开发和应用。加压冶金是制备性能优异高氮不锈钢的重要途径。目前，制备高氮钢常用的方法是加压感应熔炼和加压电渣重熔。
利用加压感应熔炼高氮不锈钢容易实现氮合金化，通过确定合理的冶炼和浇铸压力，可以实现氮含量的精确控制，并可避免凝固过程中氮的析出和气孔的形成。但是由于加压感应冶炼过程中钢液上无熔渣，为降低钢液的氧和硫含量而加入的脱氧剂和脱硫剂，虽然部分产物上浮后粘附到坩埚壁，但不能彻底去除，会残存在钢中形成夹杂物。而加压电渣重熔过程中，在熔融液滴穿过渣池的过程中，可以有效降低钢中的杂质元素硫和非金属夹杂物的含量，生产的电渣锭组织均匀致密，并且可改善显微偏析。但是加压电渣重熔采用添加氮化合金的增氮过程不稳定，电渣锭中氮分布不均匀，有时需二次重熔，且采用添加氮化硅增氮时易使电渣锭增硅。因此，加压感应熔炼和加压电渣重熔均具有其各自的优势和不足。
发明内容
鉴于加压感应熔炼和加压电渣重熔均存在各自的优势与不足，本发明利用加压感应熔炼实现氮合金化，使氮均匀分布并能精确控制铸锭的氮含量，在后续加压电渣重熔过程中有效降低夹杂物和硫含量，改善偏析并提高钢锭的均匀性和致密性。因此，本发明公开了一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，适用于冶炼目标钢种成分为：C：≤0.6％，Mn：≤30％，Cr：12～30％，Si：≤1％，Mo：0～4.5％，N：0.1～2％，Ni：0～4.5％，V：0～1％，S：≤0.015％，P：≤0.05％，Fe：余量。
本发明的核心思想在于：首先利用加压感应炉冶炼目标氮含量的自耗电极母材，并锻造成合适加压电渣炉电渣重熔尺寸的自耗电极。然后在加压电渣重熔过程中，去除钢中的杂质元素硫和夹杂物。同时，大大改善了凝固条件，可以改善钢锭的疏松、成分偏析等问题。本发明通过加压感应熔炼和加压电渣重熔双联工艺，探索出一种合理、高效的制备高氮不锈钢的冶炼方法，为开发硫含量低、非金属夹杂物少、组织均匀致密、氮分布均匀的高氮不锈钢提供技术保障。
本发明为一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，分为加压感应熔炼和加压电渣重熔两个阶段。
加压感应熔炼具体步骤如下。
(1)配料与压力参数确定：依据目标钢种的元素成分，通过下述公式①计算出加压感应熔炼过程的冶炼压力p1，通过公式②和③分别计算高氮奥氏体不锈钢或高氮马氏体不锈钢的浇铸压力p2；针对氮含量较高的高氮奥氏体不锈钢，通过公式④确定冶炼原料中氮的实际加入量；结合冶炼原料成分和所要冶炼钢锭质量，计算所需原料的质量，配制冶炼原料，原料包括工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰或电解锰、工业硅、氮化铬、金属钒或钒铁、石墨、镍镁合金等；针对高氮马氏体不锈钢，在目标碳含量基础上再多加3～10％的碳，在目标硅含量基础上再多加1～5％的硅用于脱氧；针对高氮奥氏体不锈钢，添加0.8kg/t～1.6kg/t电解铝和0.8kg/t～1.2kg/t含钙20～28％的硅钙合金，用于脱氧和夹杂物变质处理；此外，加入所要冶炼钢锭质量0.04～0.2％、含镁为18～25％的镍镁合金，收得率为10～30％，进行深脱氧。
前面所说的目标钢种的元素成分按重量百分比为：C：≤0.6％，Mn：≤30％，Cr：12～30％，Si：≤1％，Mo：0～4.5％，N：0.1～2％，Ni：0～4.5％，V：0～1％，S：≤0.015％，P：≤0.05％，Fe：余量。
冶炼压力p1的计算公式①：
式中：p1为冶炼压力，单位为MPa；pΘ为标准大气压，为0.101325MPa；T为冶炼温度，单位为K。
针对高氮奥氏体不锈钢，浇铸压力p2的计算公式②：
p2＝[(0.25～0.40)p1/pΘ+(0.15～0.65)]。
针对高氮马氏体不锈钢，浇铸压力p2的计算公式③：
p2＝[p1(0.2～0.8)]。
式②和式③中：p2为浇铸压力，单位为MPa。
针对高氮奥氏体不锈钢，冶炼原料中氮的实际加入重量百分比(wt％)1的计算公式④：
(wt％)1＝[－0.02p1/pΘ+(0.66～0.76)]×(wt％)N。
式④中，(wt％)1表示冶炼原料中氮的实际加入重量百分比，(wt％)N表示高氮不锈钢的目标成分中氮的重量百分比。
(2)装料：将工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍放入加压感应炉内的坩埚中，将石墨、工业硅、金属锰或电解锰、氮化铬、金属钒或钒铁、电解铝、硅钙合金、镍镁合金等置于加料仓中。
(3)炉料熔化：将加压感应炉内抽真空至10Pa以下，并通电升温至加压感应炉内坩埚中的炉料全部熔化。
(4)合金化：针对碳含量较高的高氮马氏体不锈钢，待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氩气至10kPa～50kPa，之后向钢液中加入占总质量40～80％的石墨，启动真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到10Pa以下且液面平稳，不再有气泡产生，期间若反应过于剧烈，可关闭真空泵、适当降低功率并充入少量高纯氩气，液面平稳后再继续抽真空。真空碳脱氧结束后，加入工业硅，进一步脱氧。之后向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为冶炼压力p1，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的石墨进行合金化，之后加入镍镁合金进行深脱氧。针对碳含量较低的高氮奥氏体不锈钢，待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氮气至冶炼压力p1，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入工业硅、金属锰或电解锰、氮化铬、石墨进行合金化，同时添加电解铝和硅钙合金进行脱氧和夹杂物变质处理，并加入镍镁合金进行深脱氧。在合金化结束之后在1540～1580℃温度下保温5～10min，使合金元素在钢液中均匀分布。
(5)浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为浇铸压力p2，然后在1540～1580℃下进行浇铸；浇铸结束后，冷却泄压，打开炉盖取出锭模，脱出钢锭。
加压电渣重熔具体步骤如下。
(1)自耗电极的制备：将加压感应炉冶炼的钢锭锻造成适合加压电渣炉电渣重熔尺寸的自耗电极，焊接到假电极上，并与电极夹持器连接。
(2)预熔渣的准备及烘烤：选用特定成分的预熔渣，并将预熔渣放入电阻炉内，在600℃～800℃下烘烤5小时～7小时，以去除渣中的水分。
(3)引弧剂的铺设：将引弧环、0.30kg±0.05kg引弧屑放在自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，使自耗电极、引弧屑以及底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过。
(4)起弧造渣：将烘好的渣一次性加入加压电渣炉结晶器内，密闭熔炼室。开启供水***向结晶器内通入常压冷却水，同时向熔炼室中以10L/min～15L/min速度通入纯度≥99.999％的氮气5min～10min，使熔炼室内空气排出，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为25V～33V、电流为500A～2000A的条件下化渣20min～25min，并确保电流、电压的稳定，防止突然灭弧，完成造渣。
(5)加压电渣冶炼：造渣结束后，向熔炼室内充入纯度≥99.999％的氮气增压至p2，同步提升加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至p2，并调整电压至38V～40V、电流至2000A～3000A，即开始加压电渣冶炼，熔速控制方程为v＝(0.7～0.8)×D kg/h，D为加压电渣重熔炉结晶器尺寸，单位为mm，通过步进式加料机按照0.4kg/吨钢～0.7kg/吨钢的比例不断加入铝粒或硅钙合金脱氧；冶炼过程中控制电流波动＜±3％、电压波动＜±0.5％、熔速波动＜±0.5kg/h。
(6)冶炼后期补缩：自耗电极冶炼终了时，采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在500A～1000A，确保补缩填充充分，保证补缩端面平整。
(7)出钢：补缩结束后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至常压，待钢锭冷却结束后，脱出电渣锭。
本发明的一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于：采用加压感应熔炼与加压电渣重熔双联工艺，在加压感应冶炼过程中进行氮合金化，能精确控制铸锭的氮含量，并可使氮均匀分布，避免了在加压电渣重熔过程中氮合金化过程所引起的熔渣沸腾、氮元素分布不均匀、增硅等问题，不需要二次重熔。其次，在加压电渣重熔过程中，电极端头熔化并滴落穿过渣池，钢渣充分接触，钢中非金属夹杂物和杂质元素硫被渣池吸收，提高了钢液的纯度，降低了加压感应熔炼过程对夹杂物和硫含量的控制要求。同时，加压电渣重熔过程中所需压力可以大幅降低，有利于延长加压电渣炉的寿命。熔融金属被渣池覆盖，避免了再氧化。另外，由于钢液在氮气加压的结晶器内凝固，可以改善钢锭的疏松、成分偏析等问题，并且钢锭自下而上的定向结晶过程提高了钢锭的均匀性和致密性。
本发明的一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于：由于加压电渣重熔可以高效去除硫和夹杂物，在加压感应冶炼过程中无须加入稀土进行深脱硫，以免钢中残存无法完全去除的脱硫产物，降低了加压感应冶炼过程中脱硫和夹杂物的控制要求。
本发明的一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于：在加压电渣重熔过程中，所选用的特定成分的预熔渣的化学成分按质量百分比为：CaF2：70％，Al2O3：30％。
本发明的一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于：在加压电渣重熔过程中，向结晶器内充入氮气，使钢液在氮气加压的结晶器内凝固，防止氮的逸出。加压感应过程的浇铸压力p2的公式②和③同样适用于加压电渣重熔过程氮气压力的控制。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实施例。
本发明所举实施例中，冶炼设备为25kg加压感应炉以及50kg加压电渣重熔炉。其中加压感应炉极限真空度为0.1Pa，最高压力为6MPa，电源额定功率为50kW，装炉量为20.0kg～21.5kg；加压电渣重熔炉最高压力为7MPa，电源额定功率为500kW，结晶器内径D为130mm，自耗电极重量为15kg～50kg。
本发明所举实施例中所用冶炼原料的主要成分见表1。
表1 冶炼原料主要成分/wt％
实施例一
采用加压感应和加压电渣重熔双联工艺冶炼21.0kg目标钢种高氮马氏体不锈钢30Cr15MoN0.4，其成分控制范围及冶炼控制目标见表2。
表2 30Cr15MoN0.4成分控制范围及控制目标/wt.％
具体步骤如下。
加压感应熔炼阶段：
(1)配料与压力参数确定：根据表2中钢种目标成分和冶炼温度约1550℃，依据公式①、公式③计算得到：冶炼压力p1为0.41MPa，浇铸压力p2为0.90MPa。冶炼原料及其质量如下：工业纯铁17241.9g、金属铬3176.36g、金属钼210.04g、金属锰112.91g、工业硅70.51g、石墨66.06g。其中石墨和工业硅分别在目标成分基础上多加5.4％和2.5％，用于脱氧。此外，添加10.5g含镁20％的镍镁合金进行深脱氧。
(2)装料：将工业纯铁、金属铬、金属钼放入加压感应炉内的坩埚中，将占总质量60％的石墨、工业硅、金属锰、剩余的40％石墨、镍镁合金依次置于加料仓中。
(3)炉料熔化：将加压感应炉内抽真空至4.8Pa，之后关闭真空泵，通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至35kW，直至坩埚中的炉料全部熔化。
(4)合金化：待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氩气至25kPa后，向钢液中加入占总质量60％的石墨。启动真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到8.5Pa且液面平稳，不再有气泡产生。加入工业硅，进一步脱氧。之后向加压感应炉内充入纯度≥99.999％高纯氮气至压力为0.41MPa，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入金属锰、剩余的40％石墨进行合金化，之后加入镍镁合金进行深脱氧，并在1550℃温度下保温8min，使合金元素在钢液中均匀分布。
(5)浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为0.90MPa，然后在1550℃下进行浇铸；浇铸结束后，冷却泄压，打开炉盖取出锭模，脱出钢锭。
冶炼所得高氮马氏体不锈钢30Cr15MoN0.4铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表3所示。
表3 加压感应冶炼所得30Cr15MoN0.4成分/wt％
加压电渣重熔阶段：
(1)自耗电极的制备：将加压感应炉冶炼的30Cr15MoN0.4钢锭在1150℃加热2小时，开始锻造，采用较小的压下量，终锻温度不低于1050℃，将其锻造成Φ＝80mm的自耗电极，焊接到假电极上，并与电极夹持器连接。
(2)渣料的准备及烘烤：将3.5kg预熔渣放入电阻炉内，在700℃下烘烤7小时，以去除渣中的水分。预熔渣组成的重量百分比为：CaF2:70％，Al2O3:30％。
(3)引弧剂的铺设：将引弧环、0.31kg引弧屑放在自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，使自耗电极、引弧屑以及底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过。
(4)起弧造渣：将烘烤好的预熔渣均匀倒入内径为D＝130mm的结晶器内，密闭加压电渣炉熔炼室。开启供水***对加压电渣炉结晶器进行常压供水，同时向熔炼室中以13L/min速度通入纯度≥99.999％的高纯氮气6min，使熔炼室内空气排出，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为28V、电流为1600A的条件下化渣23min，并确保电流、电压的稳定，防止突然灭弧，完成造渣。
(5)加压电渣冶炼：造渣结束后，向熔炼室内充入纯度≥99.999％的高纯氮气增压至0.90MPa，同步提升加压电渣炉结晶器冷却水压力至0.90MPa，并调整电压至36V、电流至2400A，即开始加压电渣冶炼，熔速控制为100kg/h，冶炼过程中控制电流波动＜±3％、电压波动＜±0.5％、熔速波动＜±0.5kg/h。同时利用步进式加料机加入总重120g的硅钙合金进行脱氧。
(6)冶炼后期补缩：自耗电极冶炼终了时，采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在800A，确保补缩填充充分，保证补缩端面平整。
(7)出钢：补缩结束后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至常压，待钢锭冷却结束后，脱出电渣锭，其成分如表4。
表4 加压电渣重熔所得30Cr15MoN0.4成分/wt.％
从上表可以看到，此例所得到的电渣锭硫含量经加压电渣重熔后显著降低，其余成分含量基本不变。
实施例二
采用加压感应和加压电渣重熔双联工艺冶炼20.0kg目标钢种50Cr17MoVN0.2，其成分控制范围及冶炼控制目标见表5。
表5 50Cr17MoVN0.2成分控制范围及控制目标/wt％
具体步骤如下。
加压感应熔炼阶段：
(1)配料与压力参数确定：根据表5中钢种目标成分和冶炼温度约1550℃，依据公式①、公式③计算得到：冶炼压力p1为0.09MPa，浇铸压力p2为0.6MPa。冶炼原料及其质量如下：工业纯铁16048.5g、金属铬3428.46g、金属钼200.04g、金属锰96.78g、金属钒20.01g、工业硅74.52g、石墨109.71g。其中石墨和工业硅分别在目标成分基础上多加5.8％和2.7％，用于脱氧。此外，添加20.0g含镁20％的镍镁合金进行深脱氧。
(2)装料：将工业纯铁、金属铬、金属钼放入加压感应炉内的坩埚中，将占总质量65％的石墨、工业硅、金属锰、金属钒、剩余的35％石墨、镍镁合金依次置于加料仓中。
(3)炉料熔化：将加压感应炉内抽真空至5.3Pa，之后关闭真空泵，通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至34kW，直至坩埚中的炉料全部熔化。
(4)合金化：待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氩气至30kPa后，向钢液中加入占总质量65％的石墨。启动真空泵，开始进行碳脱氧反应，直至真空度到8.0Pa且液面平稳，不再有气泡产生。加入工业硅，进一步脱氧。之后向加压感应炉内充入纯度≥99.999％高纯氮气至压力为0.09MPa，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入金属锰、金属钒、剩余的35％石墨进行合金化，之后加入镍镁合金进行深脱氧，并在1550℃温度下保温6min，使合金元素在钢液中均匀分布。
(5)浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为0.6MPa，然后在1550℃下进行浇铸；浇铸结束后，冷却泄压，打开炉盖取出锭模，脱出钢锭。
冶炼所得高氮马氏体不锈钢50Cr17MoVN0.2铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表6所示。
表6 加压感应冶炼所得50Cr17MoVN0.2成分/wt％
加压电渣重熔阶段：
(1)自耗电极的制备：将加压感应炉冶炼的50Cr17MoVN0.2钢锭在1160℃加热2小时，开始锻造，采用较小的压下量，终锻温度不低于1080℃，将其锻造成Φ＝85mm的自耗电极，焊接到假电极上，并与电极夹持器连接。
(2)渣料的准备及烘烤：将3.4kg预熔渣放入电阻炉内，在700℃下烘烤7小时，以去除渣中的水分。预熔渣组成的重量百分比为：CaF2:70％，Al2O3:30％。
(3)引弧剂的铺设：将引弧环、0.30kg引弧屑放在自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，使自耗电极、引弧屑以及底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过。
(4)起弧造渣：将烘烤好的预熔渣均匀倒入内径D为130mm的加压电渣炉结晶器内，密闭加压电渣炉熔炼室。开启供水***对加压电渣炉结晶器进行常压供水，同时向熔炼室中以12L/min速度通入纯度≥99.999％的高纯氮气6min，使熔炼室内空气排出，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为30V、电流为1700A的条件下化渣20min，并确保电流、电压的稳定，防止突然灭弧，完成造渣。
(5)加压电渣冶炼：造渣结束后，向熔炼室内充入纯度≥99.999％的高纯氮气增压至0.6MPa，同时相应提升冷却水压力至0.6MPa，并调整电压至35V、电流至2350A，即开始加压电渣冶炼，熔速控制为96kg/h，冶炼过程中控制电流波动＜±3％、电压波动＜±0.5％、熔速波动＜±0.5kg/h。同时利用步进式加料机加入总重120g的硅钙合金进行脱氧。
(6)冶炼后期补缩：自耗电极冶炼终了时，采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在700A，确保补缩填充充分，保证补缩端面平整。
(7)出钢：补缩结束后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至常压，待钢锭冷却结束后，脱出电渣锭，其成分如表7。
表7 加压电渣重熔所得50Cr17MoVN0.2成分/wt％
从上表可以看到，此例所得到的电渣锭硫含量经加压电渣重熔后显著降低，其余成分含量基本不变。
实施例三
采用加压感应和加压电渣重熔双联工艺冶炼20.5kg目标钢种18Cr14Mn3Mo0.9N，其成分控制范围及冶炼控制目标见表8。
表8 18Cr14Mn3Mo0.9N成分控制范围及控制目标/wt％
具体步骤如下。
加压感应熔炼阶段：
(1)配料与压力参数确定：根据表2中钢种目标成分和冶炼温度约1550℃，依据公式①、公式②计算得到：冶炼压力p1为0.25MPa，浇铸压力p2为1.0MPa。冶炼原料中氮含量的实际加入重量百分含量(wt)1为0.58％，冶炼原料及其质量如下：工业纯铁13684.8g、金属铬2746.09g、金属钼758.65g、金属锰3196g、氮化铬1116g、工业硅94.53g、石墨18.94g。此外，添加1.5kg/t电解铝和1.0kg/t含钙24％的硅钙合金，用于脱氧和夹杂物变质处理。此外，加入20.1g含镁20％的镍镁合金进行深脱氧。
(2)装料：将工业纯铁、金属铬、金属钼放入加压感应炉内的坩埚中，将工业硅、金属锰、氮化铬、石墨、电解铝、硅钙合金、镍镁合金依次置于加料仓中。
(3)炉料熔化：将加压感应炉内抽真空至6.0Pa，之后关闭真空泵，通电升温，起始功率为4kW，逐渐增大至36kW，直至坩埚中的炉料全部熔化。
(4)合金化：待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为0.25MPa，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入工业硅、金属锰、氮化铬、石墨进行合金化，同时添加电解铝和硅钙合金进行脱氧和夹杂物变质处理，再加入镍镁合金进行深脱氧，并在1550℃温度下保温8min，使合金元素在钢液中均匀分布。
(5)浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为1.0MPa，然后在1550℃下进行浇铸；浇铸结束后，冷却泄压，打开炉盖取出锭模，脱出钢锭。
冶炼所得高氮奥氏体不锈钢18Cr14Mn3Mo0.9N铸锭无氮气孔，组织致密，成分如表9所示。
表9 加压感应冶炼所得18Cr14Mn3Mo0.9N成分/wt％
加压电渣重熔阶段：
(1)自耗电极的制备：将加压感应炉冶炼的18Cr14Mn3Mo0.9N钢锭在1200℃加热2小时，开始锻造，采用较小的压下量，终锻温度不低于1100℃，将其锻造成Φ＝80mm的自耗电极，焊接到假电极上，并与电极夹持器连接。
(2)渣料的准备及烘烤：将3.6kg预熔渣放入电阻炉内，在700℃下烘烤7小时，以去除渣中的水分。预熔渣组成的重量百分比为：CaF2:70％，Al2O3:30％。
(3)引弧剂的铺设：将引弧环、0.29kg引弧屑放在自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，使自耗电极、引弧屑以及底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过。
(4)起弧造渣：将烘烤好的预熔渣均匀倒入内径D为130mm的加压电渣炉结晶器内，密闭加压电渣炉熔炼室。开启供水***对加压电渣炉结晶器进行常压供水，同时向熔炼室中以14L/min速度通入纯度≥99.999％的高纯氮气7min，使熔炼室内空气排出，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为28V、电流为1600A的条件下化渣21min，并确保电流、电压的稳定，防止突然灭弧，完成造渣。
(5)加压电渣冶炼：造渣结束后，向熔炼室内充入纯度≥99.999％的高纯氮气增压至1.0MPa，同时相应提升冷却水压力至1.0MPa，并调整电压至34V、电流至2300A，即开始加压电渣冶炼，熔速控制为92kg/h，冶炼过程中控制电流波动＜±3％、电压波动＜±0.5％、熔速波动＜±0.5kg/h。同时利用步进式加料机加入总重120g的铝粒进行脱氧。
(6)冶炼后期补缩：自耗电极冶炼终了时，采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在800A，确保补缩填充充分，保证补缩端面平整。
(7)出钢：补缩结束后，抬升电极，冶炼结束。关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至常压，待钢锭冷却结束后，脱出电渣锭，其成分如表10。
表10 加压电渣重熔所得18Cr14Mn3Mo0.9N成分/wt％
从上表可以看到，此例所得到的电渣锭硫含量经加压电渣重熔后显著降低，其余成分含量基本不变。

Claims (2)

1.一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于，所述方法分为加压感应熔炼和加压电渣重熔两个阶段，其中：
1)加压感应熔炼包括如下步骤：
(1)配料与压力参数确定：依据目标钢种元素成分，通过下述计算公式①计算出加压感应熔炼过程的冶炼压力p1，通过计算公式②和③分别计算高氮奥氏体不锈钢或高氮马氏体不锈钢的浇铸压力p2，针对氮含量较高的高氮奥氏体不锈钢，通过计算公式④确定冶炼原料中氮的实际加入量；结合冶炼原料成分和所要冶炼钢锭质量，计算所需原料的质量，配制冶炼原料，原料包括工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍、金属锰或电解锰、工业硅、氮化铬、金属钒或钒铁、石墨和镍镁合金；针对高氮马氏体不锈钢，在目标碳含量基础上再多加3～10％的碳，在目标硅含量基础上再多加1～5％的硅，用于脱氧；针对高氮奥氏体不锈钢，添加0.8kg/t～1.6kg/t电解铝和0.8kg/t～1.2kg/t含钙20～28％的硅钙合金，用于脱氧和夹杂物变质处理，此外，加入所要冶炼钢锭质量0.04～0.2％、含镁为18～25％的镍镁合金，收得率为10～30％，进行深脱氧；
冶炼压力p1的计算公式①为
计算公式①中：p1为冶炼压力，单位为MPa；pΘ为标准大气压，为0.101325MPa；T为冶炼温度，单位为K；
针对高氮奥氏体不锈钢，浇铸压力p2的计算公式②为
针对高氮马氏体不锈钢，浇铸压力p2的计算公式③为
计算公式②和③中，p2为浇铸压力，单位为MPa；
针对高氮奥氏体不锈钢，冶炼原料中氮的实际加入重量百分比(wt％)1的计算公式④为
计算公式④中，(wt％)1表示冶炼原料中氮的实际加入重量百分比，(wt％)N表示高氮不锈钢的目标成分中氮的重量百分比；
(2)装料：将工业纯铁、金属铬或铬铁、金属钼或钼铁、金属镍放入加压感应炉内的坩埚中，将石墨、工业硅、金属锰或电解锰、氮化铬、金属钒或钒铁、电解铝、硅钙合金和镍镁合金置于加料仓中；
(3)炉料熔化：将加压感应炉内抽真空至10Pa以下，并通电升温至加压感应炉内坩埚中的炉料全部熔化；
(4)合金化：针对碳含量较高的高氮马氏体不锈钢，待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氩气至10kPa～50kPa，之后向钢液中加入占总质量40～80％的石墨，启动真空泵开始进行碳脱氧反应，直至真空度到10Pa以下且液面平稳，不再有气泡产生，期间若反应过于剧烈，关闭真空泵、降低功率并充入少量高纯氩气，液面平稳后再继续抽真空；真空碳脱氧结束后，加入工业硅，进一步脱氧；之后向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至压力为冶炼压力p1，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入金属锰或电解锰、金属钒或钒铁、剩余的石墨进行合金化，之后加入镍镁合金进行深脱氧；针对碳含量较低的高氮奥氏体不锈钢，待加压感应炉坩埚中冶炼原料熔清之后，向炉内通入纯度≥99.999％的高纯氮气至冶炼压力p1，然后通过加料仓向炉内坩埚中依次加入工业硅、金属锰或电解锰、氮化铬、石墨进行合金化，同时添加电解铝和硅钙合金进行脱氧和夹杂物变质处理，并加入镍镁合金进行深脱氧；在合金化结束之后在1540～1580℃温度下保温5～10min，使合金元素在钢液中均匀分布；
(5)浇铸：向加压感应炉内充入纯度≥99.999％的高纯氮气至炉内压力为浇铸压力p2，然后在1540～1580℃下进行浇铸；浇铸结束后，冷却泄压，打开炉盖取出锭模，脱出钢锭，
2)加压电渣重熔包括如下步骤：
(1)自耗电极的制备：将加压感应炉冶炼的钢锭锻造成适合加压电渣炉 电渣重熔尺寸的自耗电极，焊接到假电极上，并与电极夹持器连接；
(2)预熔渣的准备及烘烤：选用特定成分按质量百分比为：CaF2：70％，Al2O3：30％的预熔渣，将预熔渣放入电阻炉内，在600℃～800℃下烘烤5小时～7小时，以去除渣中的水分；
(3)引弧剂的铺设：将引弧环、0.30kg±0.05kg引弧屑放在自耗电极下面的加压电渣炉底水箱上，使自耗电极、引弧屑以及底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过；
(4)起弧造渣：将烘好的渣一次性加入加压电渣炉结晶器内，密闭熔炼室；开启供水***向结晶器内通入常压冷却水，同时向熔炼室中以10L/min～15L/min速度通入纯度≥99.999％的氮气5min～10min，使熔炼室内空气排出，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣，在电压为25～33V、电流为500A～2000A的条件下化渣20min～25min，并确保电流、电压的稳定，防止突然灭弧，完成造渣；
(5)加压电渣冶炼：造渣结束后，向熔炼室内充入纯度≥99.999％的氮气增压至p2，同步提升加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至p2，并调整电压至38V～40V、电流至2000A～3000A，即开始加压电渣冶炼，熔速控制方程为v＝(0.7～0.8)×D kg/h，D为加压电渣重熔炉结晶器尺寸，单位为mm，通过步进式加料机按照0.4kg/吨钢～0.7kg/吨钢的比例不断加入铝粒或硅钙合金脱氧；冶炼过程中控制电流波动＜±3％、电压波动＜±0.5％、熔速波动＜±0.5kg/h；
(6)冶炼后期补缩：自耗电极冶炼终了时，采用逐渐降低电流的方式进行补缩填充，每次降低电流控制在500A～1000A，确保补缩填充充分，保证补缩端面平整；
(7)出钢：补缩结束后，抬升电极，冶炼结束，关闭交流电源5min后，打开加压电渣炉放气阀泄压，同步降低加压电渣炉结晶器内的冷却水压力至常压，待钢锭冷却结束后，脱出电渣锭。
2.根据权利要求1所述的一种加压感应和加压电渣重熔双联冶炼高氮钢的方法，其特征在于，所述目标钢种元素成分按重量百分比为：C：≤0.6％，Mn：≤30％，Cr：12～30％，Si：≤1％，Mo：0～4.5％，N：0.1～2％，Ni：0～4.5％，V：0～1％，S：≤0.015％，P：≤0.05％，Fe：余量。
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