12Cr钢电渣重熔时加氮研究

　日本制钢所（以下简称本所）的二次熔炼设备-电渣重熔（ESR）主要生产发电厂用构件的高氮不锈钢及合金钢。其中，合金钢是以提高耐热性和耐蚀性作为目标，有时需要加N，但N是强偏析元素，在一般的铸锭法中会助长偏析，难以确保钢的质量。为此，本所在ESR过程中进行了能使N均匀分布于钢锭内的多种试验研究。
　　1用于试验的ESR设备规格
　　本所拥有100t、20t、5tESR。ESR用电极是由5t真空感应炉生产的Ni基超合金；而对低、高合金，则是先经电炉和钢包精炼熔炼，再由下注法铸造。对于直径1250mm以上的大型ESR材，则以真空上注法铸成电极用钢锭后，再将之锻成ESR电极。
　　另外，本所的100tESR设备因老化已更新，并于2011年10月开始新150t ESR的实机操作。
　　2 第一次小型ESR试验
　　在ESR熔炼中加N的方法之一是在N2气氛下进行，但此操作要求需要精确的分压调整以控制N2，且对熔炼炉气密性要求极高，难以实现。其他方法有在熔炼中加入N化铁合金的工艺。此法有可能将N均匀地加入到ESR钢锭中，为此对利用N化铁合金（包心）丝加N的方法进行了试验研究。
　　选定市售的三种N化铁合金丝：铁N化Si（Fe-N-Si）、铁N化Mn（Fe-N-Mn）、铁N化Cr（Fe-N-Cr）。这次ESR试验在三种卷有不同Fe合金粉末的包心丝中选择了熔点最低的包有Fe-N-Mn粉末的丝，表2列出了该丝的性状。
　　表2 Fe-N-Mn丝性状
　　尺寸，mm
　　Φ13.6×1000

　　铁皮厚度，mm
　　0.4

　　合金粉末重量，g/m
　　410

　　铁合金丝重量，g/m
　　578

　　合金粉末成分，%
　　N
　　7.5

　　Mn
　　90

　　
　　表3为小型ESR试验的电渣重熔条件。电极材质为12Cr钢，将Fe-N-Mn丝用点焊均等地配置于电极上。其他ESR条件采用本所标准条件，并采用400mm结晶器浇铸成1000kg重ESR钢锭。由于没有用N化铁合金丝向ESR钢锭加N的实绩，只能参考本所在钢包精炼炉中向类似钢种加入Fe-N-Mn合金的实绩数据，预计N收得率为26%。
　　表3 第1次小型ESR的熔炼条件
　　结晶器直径，mm
　　Φ400

　　电极尺寸，mm
　　Φ300×2100

　　材质
　　12Cr钢

　　ESR钢锭重量，kg
　　1000

　　ESR气氛
　　Ar

　　渣组成
　　CaF2-Al2O3-CaO-SiO2

　　起动方法
　　常温起动

　　预计N收得率，%
　　26

　　试验结果表明，在钢锭轴向上的无论哪个部位，N收得率都为28%-36%，平均为34%，都比预计高，钢锭表层N收得率为35%，轴心部N收得率为30%，即从轴心移向表层的N收得率是上升的。除N成分变化以外，调查Mn成分变化时发现加入Fe-N-Mn丝带入钢中的Mn收得率达90%以上，预计在生产低Mn钢时，对Mn的控制将是困难的。
　　3 第二次小型ESR试验
　　第一次小型ESR试验虽然获得了计划以上的N收得率， 但在设定生产低Mn钢时，因存在Mn的增量问题，故第二次试验变更了N化铁合金的种类。在高合金钢上Cr的成分规格范围较宽而易调整，故本次试验试着采用了Fe-N-Mn铁合金丝，其性状如表4，丝的直径和长度与第一次试验中的Fe-N-Mn丝相同。表5为本次试验的ESR条件。电极材质也为12Cr钢，其他条件也与前次相同，预计N的收得率为34%。
　　表4 Fe-N-Mn丝性状