用电弧渣重熔技术生产高氮钢

登锦

高氮钢目前的主要研究热点是高氮不锈钢，尤其是高氮奥氏体不锈钢。随着制造工艺技术的进步，高氮不锈钢的制造成本在不断降低，性能进一步提高，其应用范围将不断扩大。目前，高氮不锈钢的抗拉强度已能达到3600MPa，并可望在不久的将来超过4000MPa，同时仍将保持良好的韧性和高的抗腐蚀性能。因此可预计，高氮不锈钢在交通运输(汽车、火车及轮船)、建筑(如超高强度钢筋)、宇航空间工业、海洋工程、原子能和军事工业等许多领域都将得到广泛应用。

开发出低成本大批量稳定制备高氮钢的设备和工艺技术是当前该领域最前沿的研究课题之一。常压下钢液中氮的溶解度有限。以Mn18Cr18N为例，常压下该钢液中氮的溶解度在0.6%~0.7%范围，如果要使氮的溶解度超过1.0%，就必须采用加压手段。为了防止凝固过程中氮的析出，需要用更高的压力或快速冷却手段实现快速凝固。因此，高氮钢的熔炼和凝固通常要采用加压方式来实现。目前，比较成功的工业化的熔炼方法只有加压电渣重熔。然而，高压电渣炉需要密封式高压熔炼室及其高压供气系统；高压冷却水系统（以保持与熔炼室的压力相同）；密封式滑动导电系统（以保证在电极升降时熔炼室仍处于良好的密封和加压状态），等等。整个系统需要很高的自动化程度。由此大大增加了设备和生产成本。

目前正在研发的电弧渣重熔技术有可能改变这一状况。电弧渣重熔结合了电渣重熔和真空电弧重熔两者的优点。与传统电渣重熔方法相比，由于电弧渣重熔采用较小的电流和较高的电压，而且渣的消耗量大约仅为传统电渣重熔的一半，因此形成的电弧基本上能将渣面吹开，熔渣被挤压到结晶器壁的周围，使电弧能在电极和金属熔池之间稳定燃烧。在采用中空电极重熔高氮钢时，可将一定流量和压力的氮气通过中空自耗电极吹入电弧区，使一定比例的氮气在电弧区电离，形成氮气等离子电弧，从而大大提高了钢液吸氮的热力学和动力学条件。这样，用电弧渣重熔技术生产高氮钢时，既可以在加压下进行，也可以在常压下进行。

实验研究和实际生产结果表明，电弧渣重熔法生产的高氮钢具有以下优点：①自耗电极可以在常压下制备，重熔过程中的气相离子渗氮完全可以满足氮的合金化要求，不需要再添加任何含氮合金，而且重熔钢锭中的氮分布比较均匀，无需再进行二次重熔；②由于加热面积大，传热效果好，金属熔池形状比传统电渣重熔甚至比真空电弧重熔更浅平，因而结晶质量更高；③与传统电渣重熔相比，可节约电耗30%，使渣料消耗量降低50%；④与真空电弧重熔相比，电弧渣重熔钢锭的表面质量得到显著改善。

苏州浩凯

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