一种高氮钢冶炼方法，用于金属材料冶炼技术领域。方法为：配制冶炼物料，由加料口加入至感应熔炼炉内；对感应熔炼室进行抽空，熔炼时真空度控制在６．０×１０－６ａｔｍ～７．０×１０－７ａｔｍ；调整使室内的氨气和氮气或氨氮混合气体总压力在０．１～２ａｔｍ；进行感应熔炼，使炉料熔化为钢液，调节氨的通入量来控制氨分解率，依靠钢液与氨气之间的界面反应进行渗氮，使钢水达到所需的含氮量；根据材料分析后的输出模拟量和应控制含氮量的输入模拟量的比较以及调节通入熔炼室内的压力和流量来控制含氮量；浇注和凝固；移出锭模。本发明专利技术可使熔炼高氮钢的压力大大降低，使熔炼＞０．４％Ｎ的高氮钢，尤其是＞０．４％的铁氮二元合金和达２．８％Ｎ的铁氮二元合金成为现实，且控制方便，易于实现。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，具体是一种应用氨来冶炼高氮钢的方法，用于金属材料冶炼
技术介绍
铁素体为基体的钢中含0.08％以上的氮和奥氏体为基体的钢中含0.4％以上氮的钢称为高氮钢。当前高氮钢冶炼技术主要采用对熔融钢液加入固体含氮材料使钢合金化和采用气态氮的合金化两种方式，前者对氮的吸收不稳定，而且会对钢引入污染弊病；后者应采用高压装置进行冶炼和浇注或采用反压铸造方法防止氮在凝固时的析出。由于技术难度极大，迄今世界上未冶炼出含氮量高达1％的二元高氮合金。经过文献检索，1999年材料科学论坛(Materials Science Forum)vol.318-320(最近的高氮钢论文专集)P261中，H.K.Feichtinger等在论文“Melting of High NitrogenSteels”(高氮钢的熔炼)中指出在1600℃温度下，压力在100bar(约100atm，atm为大气压)高时，纯铁中的含氮量仅能达0.4％，对含Cr12％钢的含氮量为1.2％左右。也有报导，高压下含氮钢冶炼当今最高运行压力达4.2Mpa(约42atm)。显然，这样高压装置是异常昂贵的。同时，即使在这样高的压力下，铁氮二元合金的含氮量仍低于0.4％。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足和缺陷，提供一种，其最显明的特点是应用氨气作为氮源对钢液进行渗氮的合金化方法来冶炼高氮钢，从而使装置需要承受的压力大为降低，甚至在常压或负压下都可冶炼高氮钢。而且，铁氮二元合金含氮量可高达2.8％。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术应用氨作氮源对液态铁进行渗氮合金化方法来冶炼高氮钢，在可通入氨气的感应熔炼室内进行，具体方法如下第一步，加料按熔炼炼钢钢种的要求配制冶炼物料，物料由加料口加入至感应熔炼炉内。第二步，抽去空气，启动外部抽气系统，对感应熔炼室进行抽空，熔炼时真空度控制在6.0×10-6atm～7.0×10-7atm。第三步，调整感应熔炼室上的氨气和氮气通入口的大小，使室内的氨气和氮气或氨氮混合气体总压力接近常压或负压(0.1～2atm)。第四步，进行感应熔炼使炉料熔化为钢液，调节感应熔炼室上的氨气通入口的大小控制氨的通入量来控制氨分解率，必要时还可以通入氮气来改变 的值，依靠钢液与氨气之间的界面反应进行渗氮，使钢水达到所需要的含氮量。测定炉气中的氨分压PNH3和氢分压计算出NH3和H2分压比 该值在工程上称为氮势。熔炼钢的含氮量就是由氮势、钢液温度和熔炼时间来控制。 的调节控制可用现有的气体渗氮热处理中氮势控制的方法，钢液温度控制方法与一般感应熔炼相同。第五步，含氮量的控制根据材料分析后的输出模拟量和应控制含氮量的输入模拟量的比较，计算出 差值。控制驱动氮气和氨气阀门的开启，调节通入熔炼室内的压力和流量达到应控制的 值。对应钢水不同含氮量，测得对应的NH3和N2的分压，计算相应 值，这就是模拟量之间的关系。输入模拟量是指，当熔炼一种含氮的钢时，根据上述关系要控制 值，对应要求控制PNH3和PH2，从而对应的一个NH3分解率。输出模拟量是指，实际生产时，根据实际NH3分解率测定实际NH3分压 和氢分压 计算得 第六步，浇注和凝固钢水熔炼达要求后，驱动电机使感应熔炼坩埚倾斜向锭模进行浇注，待钢锭完全凝固。第七步，移出锭模铸锭冷却后自感应熔炼室取出。本专利技术的原理以如下反应式及相应计算简述如下用氨熔炼高氮钢反应式如下 式中(N)为液态铁中的氮。查热力学数据按方程式可求得 这儿，ΔG，ΔH和ΔS为吉布斯自由能，热函和熵的差值，计算t＝1600℃时的值，即T＝1600+273＝1873K，则ΔG1873＝-139.86KJ/mol，由此可求得平衡常数Kp3，当反应式达平衡时Kp3=aNL·PH23/2PNH3,]]>aNL为1600℃铁液中氮的活度即aNL=Kp3·PNH3PH23/2]]>也就是说采用NH3冶炼高氮钢，氮在铁液中的活度与气氛的NH3和H2的分压比 成正比， 在工程上称为氮势。再设含氮2.8％重量百分比时仍符合亨利定律，则 aNL=fNL·(%N)=Kp3(PNH3PH21.5)---]]>式中(％N)为钢液中的含氮量(重量百分比)。1600℃时活度系数fNL以符合亨利定律 为标准态时fNL=PN0(%N)=10.044,]]>这儿，0.044％N为1600℃下熔化铁液中氮的溶解度。根据计算，要冶炼不同含氮量的Fe-N合金，只要控制感应熔炼室内气氛的成分，保持一定的 比值(在等温等压下Kp3是个常数)，这表明式的成立与压力没有关系，即使在常压，甚至在负压下也能成立。上述是理论计算，实际上会有一定的偏差，可以根据实际测定的结果加以修正。与现有技术相比，应用本专利技术方法可使熔炼高氮钢的压力大大降低，一般只要采用常压，甚至采用负压条件，当然这样会很大程度的减低设备的投资，同时使熔炼＞0.4％N的高氮钢，尤其是＞0.4％的铁氮二元合金和达2.8％N的铁氮二元合金成为现实，另外，采用本专利技术方法控制方便，易于实现。具体实施例方式结合本专利技术的方法提供三个具体的实施例本实施例在通入氨气的感应熔炼室内进行。感应熔炼室内安置有感应熔炼炉和铸造锭模等。感应熔炼炉支承在支架上，可以手动或电动进行倾斜和浇注。感应熔炼室由上下两部分的容器组成，两个部分以发兰口用高强度螺栓联接，发兰口内衬入密封橡皮圈。上部容器设有观察窗、加料口和去除空气的抽气阀座，通过抽气阀座与外部抽气系统连接；下部容器设有氨气和氮气通入管口，分别与外部管道连接可以根据需要由控压阀门通入一定量的和一定压力的氨气和氮气。使在氨气或氨氮气氛的常压或负压条件下进行熔炼。钢料加入方法，熔炼浇注及铸件取出等均与真空感应熔炼相似。实施例1先配制纯铁物料，由加料口加入至感应熔炼炉内，对感应熔炼室抽真空达6.5×10-6atm，然后调节氨气通入管口的压力表控制室内总压力至2atm，同时调节氨气通入管口的电磁阀门开启程度，控制通入熔炼室内的NH3流量，即NH3∶N2流量比例为100％，开启电源进行感应熔炼，控制通入NH3的量，测定和调节氨分解率保持为80％，调节和控制 比值，同时控制钢水温度1600℃和熔炼时间2小时待钢水达要求含氮量为2.8％后进行浇注，在钢锭完全凝固并冷却至室温后取出。该钢锭是含氮2.8％的Fe-N二元合金。实施例2. 先配制含铬12％和铁88％重量百分比的物料，由加料口加入至感应熔炼炉内，对感应熔炼室抽真空达6.0×10-6atm，然后调节氨气和氮气通入管口的压力表控制室内总压力至1atm，同时调节氨气和氮气通入管口的电磁阀门开启程度，控制通入熔炼室内的NH3或N2流量，使NH3∶N2流量比例为60％，开启电源进行感应熔炼，测定和调节氨分解率保持为90％，调节和控制 比值，同时控制钢水温度1600℃和熔炼时间1.5小时待钢水达要求含氮量为1.5％后进行浇注，在钢锭完全凝固并冷却至室温后取出。该钢锭是铁12％Cr-1.5％N的高铬高氮钢。实施例3先配制含铬4％和铁96％重量百分比的物料，由加料口加入至感应熔炼炉内，对感应熔炼室抽真空达7.0×10-7atm，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高氮钢冶炼方法，其特征在于，应用氨作氮源对液态铁进行渗氮合金化方法来冶炼高氮钢，在通入氨气的感应熔炼室内进行，具体如下： 第一步，加料按熔炼炼钢钢种的要求配制冶炼物料，物料由加料口加入至感应熔炼炉内； 第二步，抽去空气，启动外部抽气系统，对感应熔炼室进行抽空，熔炼时真空度控制在６．０×１０↑［－６］ａｔｍ～７．０×１０↑［－７］ａｔｍ； 第三步，调整感应熔炼室上的氨气和氮气通入口的大小，使室内的氨气和氮气或氨氮混合气体总压力在０．１～２ａｔｍ； 第四步，进行感应熔炼：使炉料熔化为钢液，调节感应熔炼室上的氨气通入口的大小控制氨的通入量来控制氨分解率，依靠钢液与氨气之间的界面反应进行渗氮，使钢水达到所需要的含氮量； 第五步，含氮量的控制：根据材料分析后的输出模拟量和应控制含氮量的输入模拟量的比较计算出Ｐ↓［ＮＨ↓［３］］／Ｐ↓［Ｈ↓［２］］↑［３／２］差值，控制驱动氮气和氨气阀门的开启，调节通入熔炼室内的压力和流量达到设定的Ｐ↓［ＮＨ↓［３］］／Ｐ↓［Ｈ↓［２］］↑［３／２］值； 第六步，浇注和凝固：钢水熔炼达要求后，驱动电机使感应熔炼坩埚倾斜，向锭模进行浇注，待钢锭完全凝固； 第七步，移出锭模：铸锭冷却后自感应熔炼室取出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡明娟，潘健生，朱祖昌，蒋志俊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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