[发明专利]高压底吹精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法

说明书

技术领域

本发明属于高压精炼和铸造特殊钢的应用领域，特别是涉及一种高压条件下精炼和铸造特殊钢的装置及冶炼高氮钢的方法，具体地说是一种特别适用于钢铁厂采用高压-底吹法高效生产高氮钢的精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法。

背景技术

高氮钢（High Nitrogen Steels，HNS）是一种性能优越的特殊钢，其中的氮是有益的合金元素，具有稳定和扩大奥氏体相区、提高钢的强度且不降低塑性和韧性、改善钢的耐腐蚀性能（包括点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等）的作用。

氮含量超过0.4%后，氮的有益作用可以迅速凸显。但向钢中增氮，在冶炼方面有诸多困难，最主要有两方面，一是常压下钢中氮的溶解度低，冶炼和凝固过程加入的氮元素从钢中很快逸出，另一个是氮元素向钢中溶解速率慢，冶炼时间长。

目前，液态（熔炼）增氮法是向钢中增加氮的重要方法。液态增氮冶炼高氮钢的方式分为加氮化合金法和钢液气相增氮法。其中，冶炼过程中加氮化合金，提供高氮不锈钢所需氮元素，增氮方式简单，操作方便，但存在的问题是合金化时氮的收得率较低，钢中氮含量不易控制，熔炼过程中易在高氮区形成氮气泡；氮化铬铁、氮化锰铁一般杂质含量较高，污染钢液；氮化合金价格昂贵，高氮的氮化铬、氮化锰需要多步冶金处理。而气相渗氮成本低，氮气是最廉价的合金化原料。利用资源丰富的氮气作原料，通过向钢液增氮进行氮的合金化，可大幅度降低含氮钢的生产成本，是目前高氮钢冶炼重点研究开发的技术之一。

国内外已提出了许多冶炼高氮钢方法。增压感应炉法是一种实验室规模的制备高氮钢的方法，熔炼高氮钢时，钢液由于感应搅拌而进行对流运动，使炉体上部的氮在钢液中的扩散加快，从而在一定压力下，氮达到平衡的时间缩短。研究说明气液界面面积在钢液渗氮过程中起主导作用，当其界面面积很小时，渗氮时间长，且钢液中的氮含量不高。

增压等离子熔炼法（PARP）是在熔化、精炼和重熔金属的过程中将等离子弧作为发热源来生产高氮钢的冶炼方法。通过这种方法冶炼高氮钢时，氮分压、气体成分、原始钢成分、温度和生成的渣都对最终的氮含量有决定性的影响，较难控制，且使用增压等离子熔炼法冶炼高氮钢电耗高。

增压电渣重熔法（PESR）和设备最早是奥地利被发明并进行长期试验，最后由德国和奥地利发展成为成熟的技术。电渣炉上的合金料添加装置能够在炉内压力保持不变的情况下向熔池内添加氮化合金料颗粒来生产高氮钢。PESR方法冶炼高氮钢的复合电极成本昂贵，并且在高压重熔过程中需要连续不断的加高氮合金粉末；渣中添加的氮化物会形成氮气而使渣沸腾，电极端的液态金属膜暴露于氮气中，使得液态金属吸收的氮量和溶解的氮量无法准确控制；使用氮化硅来生产氮分布均匀的钢锭时，硅使得某些品种钢不合格；熔池深度不足不能使添加的中间合金与基体金属均匀熔混，成品合格率相对较低。

反压铸造法（UPL）是保加利亚的Rashev等发明的高氮钢生产方法，按照这种方式生产高氮钢，当感应炉内钢液氮含量达到要求时，通过上下压差将钢液由感应炉内压至上部铸造室，使钢液在上部高压铸造室内凝固。因为固相钢中氮的溶解度通常小于液相中的氮溶解度的缘故，因此凝固时需要远大于渗氮过程的气压。这种方法的特点是在合金化与凝固过程的时间和空间上加以分开；反压铸造装置即能融化金属，也能接收熔化好的金属。但由于在凝固时所需的压力太大和制造的钢锭吨位有限，而使得问世后在工业化生产中未能得到广泛的应用。

从上述分析可知，反应速度慢，冶炼流程和冶炼时间长，设备庞大复杂，均使得生产成本较高，目前由于高氮钢的研究仍不成熟，存在多方面问题，而使得高氮钢的工业化冶炼发展受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术的诸多不足，一是提供一种结构紧凑、制造成本低的高压底吹精炼铸造装置，二是提供一种用高压底吹精炼铸造装置冶炼高氮钢的方法，该方法实现了高氮钢快速高效精炼和铸造，提高了钢中氮含量、无污染绿色冶炼、低成本的生产高氮钢，特别适用于钢铁厂现有钢包升级和改造为特殊钢冶炼炉。

实现上述目的采用以下技术方案：

一种高压底吹精炼铸造装置，包括铸造装置本体，顶盖系统，顶盖系统的顶盖盖于铸造装置本体上，用螺栓紧固，铸造装置本体的底部固结有水冷活动底板，所述装置还包括感应线圈、底吹系统；所述的铸造装置本体为层状筒形结构，由外向内的结构为：安全耐火层、水冷铜坩埚层、分割耐材片，所述的感应线圈呈螺旋形缠绕于安全耐火层外壁，感应线圈与电控柜调节装置连接，所述的底吹系统安装在水冷活动底板上。

所述感应线圈是主体内通高速冷却水的铜质中空管。