通过原子氮对钢进行双重合金化与纳米相改性的方法

摘要

强烈的双重合金化与改性的实施(工艺)包括：在钢的二次处理工艺期间，向具有钢熔体的浇铸桶中以尿素(NH

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶金，即，涉及用原子氮对钢进行合金化和改性，原子氮 与分子氮不同，具有独有的物理化学特性-巨大的化学势和最高的能量势，在 此影响下改变钢的合金化与改性的性质，根本上改变钢的物理性质。

背景技术

本发明涉及钢铁冶金，即涉及二次钢处理，钢在任意的冶炼设备中熔炼并 转移至浇铸桶，在那里进行涉及钢的脱氧、合金化、改性和精炼的进一步的工 艺操作。当前，在合金化过程中，几乎整块钢通过利用分子氮的液相吹扫来用 分子氮处理，或者通过将渗氮的铁合金(渗氮的锰铁合金、硅铁合金、硅锰铁 合金、铁铬合金等)结合氮化物形成元素Al、Ni、V、Ti注入熔体。通过分子 氮的更高能量势得到了利用氮合金化钢的有益结果(氮具有铁的主要合金元素 -碳的10倍高的能量势)，由此实现了钢的耐久性、柔性和冲击韧性的增加。 GudremonE.，Specialsteels(译自德语)，V.1-2-M，Metallurgy1966，p.1242。

尽管用含氮铁合金以及用分子氮吹扫液相钢对钢进行合金化的技术具有显 著的缺陷，在由学院科学完成的关于原子氮的能量势水平的最新研究的背景技 术上最清楚地揭示了它们自身。已知，在相同的温度和压力下，原子氮在钢熔 体中的饱和度高于分子氮在钢中的饱和度的一万倍。AverinV.V.，RevyakinA.V.， Nitrogeninmetals，M.Metallurgy，1976，p.224。

但是，为了接受通过氮气的N₂分子的解离的原子氮或含氮铁合金的氮，需 要高的能量消耗，因为其解离能为992kJ/mol，且几乎等于惰性氩的解离能，这 就是为何即使在3300℃的温度下分子氮的解离水平也不超过0.1％。Lyakishev N.P.等，Encyclopaedicdictionaryonmetallurgy，V.1，M.，“IntenmetEngineering”， 2000，p.412。

发明内容

同时，考虑到含氮铁合金中的氮含量为2-8％，氮化物相(其仅由氮的原子 以合金化元素原子的合成的化学反应来形成)的量为不显著的值。含氮铁合金 的生产费用非常巨大，因为它们的生产工艺的基础为相对惰性的扩散过程，需 要大量高温和高压形式的能源消耗。这就是使用含氮铁合金的效能不超过其生 产费用的原因。目前，用氮气吹扫合金的工艺的大规模应用的适用性引起了甚 至更多的问题。因为在该工艺期间原子氮以非显著的量解离，并且不与氮化物 相结合的氮以分子状态转变进入到钢的固溶体中，这最终导致金属的劣化。因 此，使用氮气吹扫钢的工艺的应用可能是唯一可选择性的选择。

本申请方法的基础的目标在于开发一项工艺，其确保了如下的技术突破： 钢的物理质量的显著增加，特别是提高钢的耐久性1.5-2.0倍以及冲击韧性2-3 倍，钢制品的消费品质的增加，金属结构的重量减少20-25％，结构和机械减少 15-20％，提高它们的抗冷性至-65℃。确保了可大规模地生产在焊接期间具有良 好可焊性而HAZ未软化的高耐久的纳米结构的钢，包括薄钢板和电枢。在钢的 生成中，减少合金化元素的大量消耗，包括减少60％的含锰物质中的锰消耗量 和50％的含镍钢中的镍消耗量。对于钢的生产，实现非常显著的质量提高以及 费用降低只能够通过钢生产的现有工艺流程的重大变化来实现，包括，首先， 钢的合金化工艺的变化(这是最耗成本的)，还有最主要和起决定性作用的是 钢的质量和物理性质的形成过程。因此，在本发明申请中，申请人解决了改变 钢的合金化与改性工艺的目标，其不是通过使用昂贵材料来完善合金化的传统 形式(包括应用甚至更昂贵的稀土元素)，而是通过改变钢的合金化与改性的 物理-化学工艺，这改变了合金化与改性的真正性质。由于这个原因，在钢的 合金化与改性的新工艺的应用中，提供了原子氮作为主要的合金化元素，因为 其具有独特的物理-化学性质(最高的能量势和巨大的化学势)，这与已知且 广泛使用的利用含氮的铁合金以及利用氮气吹扫钢熔体来合金化钢的工艺不同 (其中，这两种情况下氮都处于分子状态)。GudremonE.，Specialsteels(译自 德语)，V.1-2-M，Metallurgy1966，p.1242。

原子氮的优点及其能量势的最高水平在俄罗斯科学院的工作中被确认，其 在1960年被发现，即在相同的压力和温度下，原子氮在钢熔体中的饱和度超过 分子氮的该指标的一万倍。AverinV.V.，RevyakinA.V.，Nitrogeninmetals，M. Metallurgy，1976，p.224。然而，在真正实现时，甚至在钢熔体的约1650℃的温 度下利用原子氮的钢的合金化的实验性工艺被证明是不可能的。原因在于，在 含氮物质与钢熔体接触期间，该物质的解离过程伴随着剧烈的过程，如同爆炸， 释放原子氮和气态成分，这导致钢熔体溢出浇铸桶。工程上解决这一问题的方 案在于如下事实：第一，使用最合适的含氮物质尿素(NH₂)₂CO，其具有46.6％ 的高含氮量和174℃的解离温度，其在解离过程中发出大量原子氮-2.4m³/kg及 其的其它化合物。第二，由于建立和实施微分方案(differentiatedscheme)时根 据尿素投入钢熔体的量和速率，其将解离的爆炸性过程转换成高强度的氮化物 纳米相的自蔓延合成。微分方案的基准值为：限定尿素投入量的数量标准为 0.4-1.4kg/吨钢，且进入速度为5.0-8.0kg/吨，其取决于合金温度。这允许有不同 方法将尿素投入钢熔体。钢熔体中形成的原子氮将钢合金化过程转变为双重过 程，这两类过程并行地发生。合金化的一种类型为：位错过程，其是原子氮的 物理性质(其高能量势)的结果，在其作用下原子氮被注入到铁晶体的原子间 空间中，引起铁原子的相互排列的变化，这导致立方形的铁晶体的位错(旋转 位移)并伴随其尺寸的变化。在晶体表面上原子相互排列的经改性的平面的数 量和密度以及它们的线密度(其被称为位错，用Burger矢量描述表征)根本上 改变了钢的物理性质。LyakishevN.P.等，Encyclopaedicdictionaryonmetallurgy，V. 1，M.，“IntenmetEngineering”，2000，p.412。

第二类新的钢合金化过程是原子氮的化学性质(其巨大的化学势)的结果， 在钢熔体1650℃的温度下，作为强劲的催化剂，引起合金化元素的氮化物纳米 相的自蔓延合成的强烈的化学反应。形成的合金化元素的氮化物纳米相累积在 晶体的表面上，填充钢的晶格的所有晶粒间空间。第二类的钢合金化过程与传 统的合金化方法不同在于，成为合金化结构的不是合金化元素，而是这些元素 的氮化物相。同时且并行地随着合金化过程的改变发生改性纳米相的改性过程。 该变化在于如下事实：大量形成的氮化物纳米相(它们非常耐受冲击和热的影 响)，成为晶体钢的许多额外的晶核，完全地补偿了改性元素的作用(例如钛、 铈、硼和其它元素)。

在实验-工业钢熔体的生产期间，上述给出的钢的合金化的新技术的一系 列效果已显著地扩大。例如，已发现，原子氮积极地参与天然合金化的原料的 氮化物纳米相元素的形成过程。已经证明了包括原子氮的钢的合金化技术的高 效率。在该新技术的开发的早期，钢的物理性质和成品轧钢的消费品质的提高 的现象远未用尽。其研究处于该有希望的课题的初期，且钢的物理性质的提高 仅以炼钢为代价来实现，而不影响塑性变形和热处理的工艺。

实施例：用于建筑工业的钢铁生产

钢的合金化与改性的新工艺应用于建筑工业的目的在于，提高钢的强度、 延性和抗冷性，使得将建筑结构的金属用量(重量)降低20-25％，并保证直至 -65℃的气候条件下运行。在钢铁工业中，在用于建筑工业的钢的生产中，存在 如下任务：通过将昂贵的合金化元素节约50-60％来确保生产成本(主要成本) 的减低且不损害与钢的强度有关的GOST标准。

目前，用于制造建筑结构时广泛使用锰钢，例如，14G2级钢，其含有(重 量％)：0.12-0.18的C；1.2-1.6的Mn；0.17-0.37的Si；以及09G2S级钢，其 含有(重量％)：≤0.12的C，0.5-0.8的Si，1.3-1.7的Mn。所述钢的缺点在于 高含量的Mn、增加的制造成本以及低抗冷性。被广泛应用的St3sp含有(重 量％)：0.14-0.22的C；0.4-0.65的Mn；0.12-0.30的Si。所述钢在制造建筑结 构时的缺点在于，低水平的机械性能(屈服点、延性、冲击韧性)，包括在低 温度时。所有这些缺点归因于在制造中所使用的合金化技术，包括采用渗氮的 铁合金以及用氮气吹扫钢熔体。所提出的使用强烈(intensive)的双重合金化与 纳米相改性工艺制造St3sp级建筑工业用钢的技术包括三种熔体，其中两者为实 验性的，第三个是比较性的。金属在150吨转炉中熔炼并倒入浇铸桶中，在那 里发生脱氧和合金化，目的在于在实验性的熔体中获得以下结果。在第一熔体 中不改变化学组成且Mn和Si的比率(如2∶1)，将3sp钢的强度从245n/mm²提高到325-360n/mm²，冲击韧性提高2.5-3倍。在第二熔体中将Mn含量降低 1/2倍使Mn和Si的比率例如为1∶1，提高了冲击韧性但没有损害与钢强度有关 的GOST标准。第三熔体为对比熔体，且合金化时没有改变合金化方案。

实验例和比较例的化学组成示于表1。

表1

实验例的钢熔体的合金化技术在于如下事实：在金属精炼装置(MFI)中， 向钢熔体中加入尿素作为药芯焊丝的填料，用量为每吨钢0.8kg(120kg每桶)， 以及同时以每吨钢1.2kg为基础加入铝棒。投入尿素的强度为每分钟6.8kg，14 mm焊丝(尿素的填充量为105克/米)的投入速度为每分钟66米。其余的工艺 参数提供在表2中。

表2

表3.St3sp钢的机械测试结果

所进行的金属的实验性熔体的研究表明，钢的强度等级得到大幅提高，从 245n/mm²提高到345-400n/mm²，即可以有条件地说，3sp钢转变为低合金类型 14G2或09G2S。同时，在-70℃时冲击韧性显著增加了2.5-3倍。众所周知，钢 的冲击韧性以及由此的抗冷性是晶粒尺寸和晶粒间空间的纯度的表征。可以确 认粒度和其晶粒间的空间的纯度(该空间中填充了氮化物纳米相，并被证明为 非常耐受力和热的影响)是使用新的合金化技术所制造的钢的可焊性研究的结 果。研究由中央钢结构科学研究所(CSRISC)进行。这些研究针对5mm厚的 薄板的焊接接头的结构和性能进行，因为其大厚度的型材相比，在焊接中变得 非常软。已发现，在焊接接头的热影响区(HAZ)中，显微组织为具有各种粒 度的铁素体-珠光体混合体，铁素体的晶粒尺寸只有1，为母材的晶粒尺寸的2 个等级(点)。

使用原子氮合金化钢的新技术的意义不仅在于，该技术是现代的和可适用 的，至少，用于生产(90％的金属制品)，但主要在于，我们的知识更深入到 冶金过程的原子世界。“在那里有许多的空间。”该纳米技术的杰出假设在21世 纪的冶金工业中在原子和强烈工艺方面有很大的前景。