一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法

1.本发明属于超高氮钢浇铸技术领域，涉及一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法。


背景技术：

2.超高氮钢的应用领域已越来越广泛，特别是在耐磨钢、列车轨道用钢及海洋工程用钢方面，但随着工业发展及工作环境的需要，对材料提出更加苛刻的要求。超高氮钢按其用途不同又分为高氮高锰钢和高氮海工钢，普通高锰钢中含有较高碳，增强了耐磨性能，但耐腐蚀性能较差，降低高锰钢中碳元素，添加氮元素，利用碳氮协同增强机制，不仅可以提高材料耐磨性能，还使其具有很好的耐腐蚀性能。海洋工程用钢一般采用不耐腐蚀的普碳钢，使用年限短，更换成本高，不锈钢虽有部分使用，但常规不锈钢的力学性能低，不能满足海洋复杂环境的要求。
3.目前工业生产的一般为氮含量低于0.2％的含氮高锰钢和氮含量低于0.4％的含氮海工钢，氮元素对材料性能提升的作用不太明显。主要原因是在常规条件下，氮在钢液凝固过程中要经过一个氮溶解度特别低的δ-fe区，导致该钢种凝固时氮含量不高并容易产生凝固疏松等缺陷。
4.目前提高高氮钢中氮含量的方法主要有两种，一种是提高钢水凝固速率，缩短凝固过程中δ铁素体形成区间的凝固时间，减少氮元素的逸出；另一种是提高钢水凝固过程中周围大气压力，形成高压凝固氛围，高压可以缩小凝固过程中的δ铁素体形成区域，甚至使δ铁素体区消失。
5.其中，提高钢水凝固速率的主要方式为向钢液中加入冷钢、采用定向凝固或增加钢液与铸模的热交换，但高氮钢一般锰含量均比较高，钢水凝固收缩大，散热性差，过高的冷却速率易导致材料内部应力增大甚至产生内裂纹。
6.然而，加压浇铸主要目的是在钢水凝固过程中，提供一个合适的环境压力，使氮可以更好的固溶在钢中，以提高高氮钢中的氮溶解度；且加压浇铸不仅可以提高氮含量，还可以降低氮元素成分偏析，提高材料组织均匀性，大大提高材料的性能及使用范围。
7.因此，如何提供一种既能提高高氮钢中氮含量又能改善材料性能的多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法，不仅能够有效利用碳氮协同机制降低钢中的碳，提高和稳定钢中氮含量，减轻成分偏析，还能实现多炉不同铸型超高氮钢在加压条件下浇铸、凝固，适合工业化各种铸件的生产，提高产品性能。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置，所述装置包括钢包，位于所述钢
包底部的铸造室及设置在所述铸造室内部的铸模；其中，
11.所述钢包的顶部设有炉盖一，内部设有塞棒控制机构及底部出钢口处开设有三层式滑动水口一；所述三层式滑动水口一的上滑板与所述钢包底部的水口连接，下滑板与耐高压管道一连接；
12.所述铸造室的顶部设有炉盖二，所述炉盖二上设有三层式滑动水口二；所述三层式滑动水口二的上滑板与耐高压管道二连接，下滑板与耐压浇铸长水口连接；
13.所述铸模是由上下双开模形成的空腔结构，所述铸模的顶部设有多个冒口和一个浇注口，且所述浇铸口位于所述耐压浇铸长水口的下方。
14.可选地，所述炉盖一的中央设有炉盖吊环，且所述炉盖一上设置有氮气加压孔、泄压阀和压力表。
15.可选地，所述塞棒控制机构能控制塞棒的升降；且所述塞棒控制机构包括与所述炉盖内部固定连接的基座、与所述塞棒y方向平行的支架及可电动控制在所述支架y方向移动的夹具。
16.需要说明的是，塞棒控制机构在机械控制领域很容易实现，即y方向线性位移器。所述塞棒只需上下移动，且移动位移很小就可以控制钢水的流动。
17.可选地，所述钢包的底部设有底吹孔，且所述钢包与所述炉盖一通过密封螺栓围成封闭的炉腔。
18.进一步地，所述钢包由中空式支撑平台支撑，及所述铸造室位于所述中空式支撑平台的底部。
19.可选地，所述炉盖二上设有压力表和泄压阀，所述铸造室的侧壁开设有加压抽真空进出气孔；且所述炉盖二与所述铸造室通过密封螺栓围成封闭的炉腔。
20.可选地，所述耐高压管道一与所述耐高压管道二通过多炉转换接头连接。
21.此外，本发明还请求保护一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢的方法，其是采用上述装置生产碳氮协同超高氮钢的方法，具体包括如下步骤：
22.1)将冶炼出的含有过饱和氮的钢水加入所述钢包中，对所述钢包加炉盖一密封处理后，经钢包底吹孔进行底吹氮气搅拌和氮气加压孔进行加压操作，压力控制在0-6mpa范围内；
23.2)将所述铸模放入所述铸造室的内部，对所述铸造室通过加压抽真空进出气孔进行先抽真空至10pa以下，再氮气洗炉一次，随后抽真空后采用氮气加压操作，直至达到指定压力；
24.3)将所述钢包吊至所述铸造室上方的中空式支撑平台上，并将所述耐高压管道一与所述耐高压管道二通过多炉转换接头连接；
25.4)打开所述三层式滑动水口二的中间滑板，使耐高压管道内压力与所述铸造室内相同；
26.5)打开三层式滑动水口一的中间滑板并控制塞棒上升，进行浇铸；
27.6)待浇铸完成后，控制塞棒下降以封住所述钢包的水口，分别关闭三层式滑动水口一和所述三层式滑动水口二的中间滑板，打开所述多炉转换接头，时刻关注所述铸造室内的压力情况，以进行适当补压操作，并将所述钢包吊至另一个铸造室上方进行下一个铸型的浇铸；
28.7)保持所述铸造室内压力恒定直至钢液完全凝固完成，打开泄压阀放气至常压后打开所述铸造室的上盖，吊出所述铸模并打开，即得到碳氮协同超高氮钢。
29.需要说明的是，加压可以提高铸造过程中氮的溶解含量，抽真空及洗炉可以提高材料的纯净度。
30.进一步地，使用上述浇铸装置主要生产碳氮协同超高氮钢的成分为：c0～0.8％，si 0～0.5％，cr 4～20％，mn 11～20％，n 0.3～1.4％，s 0～0.02％，p 0～0.02％，其余为铁。
31.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法，具有如下优异效果：
32.本发明主要包括加压钢包、多炉加压铸造室、多炉间的转换连接装置以及浇铸的碳氮协同超高氮钢特殊钢种，在加压钢包中采用底吹氮气搅拌和加氮气压力下实现钢液的高氮合金均匀化，铸造室内加压凝固，抑制氮的逸出，改善元素偏析，较大提升降碳增氮的特殊钢种耐磨、耐蚀性；且本发明将加压钢包与加压铸造室分开设计，通过多个加压铸造室及转换连接装置可以实现多炉不同铸型材料的加压浇铸，大大提高该特殊钢种的生产效率。
33.通过采用本发明浇铸的超高氮钢的氮含量高，成分均匀，可以满足列车轨道、辙叉、海洋工程等特殊环境下的耐腐蚀使用要求。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
35.图1为多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置的结构示意图。
36.图2为常压凝固氮含量0.18％(a)和加压凝固氮含量0.54％(b)含氮或高氮高锰钢的显微组织形貌图。
37.其中，图1中：
38.1-炉盖一；2-氮气加压孔；3-泄压阀；4-炉盖吊环；5-压力表；6-塞棒控制机构；7-密封螺栓；8-塞棒；9-三层式滑动水口一；10-多炉转换接头；11-三层式滑动水口一；12-中空式支撑平台；13-铸造室；14-铸模；15-浇铸口；16-冒口；17-加压抽真空进出气孔；18-炉盖二；19-耐高压管道二；20-耐高压管道一；21-钢包底吹孔；22-钢包。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.本发明实施例公开了一种多炉加压浇铸生产碳氮协同超高氮钢装置及方法。
41.为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不
可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
42.下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
43.实施例1
44.使用本发明的碳氮协同超高氮钢浇铸装置进行超高氮钢浇铸，浇铸生产方法如下：
45.1、将冶炼出的含有过饱和氮的钢水加入钢包中，对钢包加盖密封处理后进行底吹氮气搅拌和氮气加压至0.6mpa并保持压力恒定。
46.2、将铸模放入铸造室内，对铸造室进行先抽真空至10pa以下，停止抽真空，充氮气至常压，再次开始抽真空至10pa以下，停止抽真空，对铸造室充氮气加压操作，直到压力达到1.2mpa。
47.3、将钢包吊至铸造室上方支撑架上，将两耐高压管道采用多炉转换接头链接。
48.4、打开三层式滑动水口二的中间滑板，使耐高压管道内压力与铸造室内相同。
49.5、打开三层式滑动水口一的中间滑板并控制塞棒上升，进行浇铸作业。
50.6、浇铸完成后，控制塞棒下降封住钢包水口，关闭三层式滑动水口一的中间滑板，关闭三层式滑动水口二的中间滑板，打开两耐高压管道之间的多炉转换接头，时刻关注铸造室内压力情况，进行适当补压操作，并将钢包吊至另一个铸造室上方进行下一个铸型的浇铸。
51.7、保持铸造室内压力恒定在1.2mpa直至钢液完全凝固，打开泄压阀放气至常压后打开铸造室上盖，吊出铸模，打开铸模即可得到超高氮钢，测量该超高氮钢的氮含量为0.38％。
52.实施例2
53.使用本发明的碳氮协同超高氮钢浇铸装置进行超高氮钢浇铸，浇铸生产方法如下：
54.1、将冶炼出的含有过饱和氮的钢水加入钢包中，对钢包加盖密封处理后进行底吹氮气搅拌和氮气加压至0.7mpa并保持压力恒定。
55.2、将铸模放入铸造室内，对铸造室进行先抽真空至10pa以下，停止抽真空，充氮气至常压，再次开始抽真空至10pa以下，停止抽真空，对铸造室充氮气加压操作，直到压力达到1.5mpa。
56.3、将钢包吊至铸造室上方支撑架上，将两耐高压管道采用多炉转换接头链接。
57.4、打开三层式滑动水口二的中间滑板，使耐高压管道内压力与铸造室内相同。
58.5、打开三层式滑动水口一的中间滑板并控制塞棒上升，进行浇铸作业。
59.6、浇铸完成后，控制塞棒下降封住钢包水口，关闭三层式滑动水口一的中间滑板，关闭三层式滑动水口二的中间滑板，打开两耐高压管道之间的多炉转换接头，时刻关注铸造室内压力情况，进行适当补压操作，并将钢包吊至另一个铸造室上方进行下一个铸型的浇铸。
60.7、保持铸造室内压力恒定在1.5mpa直至钢液完全凝固，打开泄压阀放气至常压后打开铸造室上盖，吊出铸模，打开铸模即可得到超高氮钢，测量该超高氮钢的氮含量为0.54％。
61.实施例3
62.使用本发明的碳氮协同超高氮钢浇铸装置进行超高氮钢浇铸，浇铸生产方法如下：
63.1、将冶炼出的含有过饱和氮的钢水加入钢包中，对钢包加盖密封处理后进行底吹氮气搅拌和氮气加压至0.7mpa并保持压力恒定。
64.2、将铸模放入铸造室内，对铸造室进行先抽真空至10pa以下，停止抽真空，充氮气至常压，再次开始抽真空至10pa以下，停止抽真空，对铸造室充氮气加压操作，直到压力达到1.3mpa。
65.3、将钢包吊至铸造室上方支撑架上，将两耐高压管道采用多炉转换接头链接。
66.4、打开三层式滑动水口二的中间滑板，使耐高压管道内压力与铸造室内相同。
67.5、打开三层式滑动水口一的中间滑板并控制塞棒上升，进行浇铸作业。
68.6、浇铸完成后，控制塞棒下降封住钢包水口，关闭三层式滑动水口一的中间滑板，关闭三层式滑动水口二的中间滑板，打开两耐高压管道之间的多炉转换接头，时刻关注铸造室内压力情况，进行适当补压操作，并将钢包吊至另一个铸造室上方进行下一个铸型的浇铸。
69.7、保持铸造室内压力恒定在1.3mpa直至钢液完全凝固，打开泄压阀放气至常压后打开铸造室上盖，吊出铸模，打开铸模即可得到海工钢，测量该海工钢氮含量为1.1％。
70.其中，采用上述装置及方法浇铸出的碳氮协同超高氮钢成分如下表1所示：
71.表1
[0072][0073]
且，常压凝固高锰钢氮含量为0.18％时显微组织形貌如图2a所示，加压凝固高锰钢氮含量为0.54％时显微组织如图2b所示，拉伸性能如表2所示。
[0074]
表2
[0075][0076]
常压条件下，该高锰钢的氮含量一般小于0.18％，该海工钢的氮含量一般小于0.4％，由表1可知，经过本加压装置浇铸生产的超高氮钢氮含量均非常高，在加压浇铸加压凝固条件下，氮含量分别达到了0.38％，0.54％和1.1％，提高钢中氮含量不仅可以提高材料的耐腐蚀性能，还可以提高其力学性能。
[0077]
并由图2a和b可知，提高钢中氮含量可以细化铸态组织晶粒，且由表2可知，含氮0.54％高锰钢与普通含氮0.18％高锰钢相比，屈服强度提高16.02％，抗拉强度提高6.00％，断后伸长率提高14.63％，断后收缩率提高16.87％，实现了力学性能的全面提升。
[0078]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。