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高压底吹氮法高氮钢冶金动力学基础研究

张士岩  
【摘要】: 氮含量超过大气压下溶解度极限的含氮钢称为高氮钢。与常规钢种相比,高氮钢的性能、质量有着显著的改善。它具有良好的韧性,并兼有高的强度、耐腐蚀性、耐磨损性,蠕变性能和疲劳强度也明显改善。 在20世纪80年代,国外相继开发了高压等离子弧熔炼、增压电渣重熔法、反压铸造法以及粉末冶金等高氮钢冶炼工艺,但我国在这方面的工作相对比较落后。为认识高氮钢的潜力,探索我国高氮钢走向大规模生产的可能性,本论文从热力学方面进行提高钢中氮含量的理论分析,建立高压底吹氮条件下的高氮钢增氮动力学模型,研究影响钢液增氮的动力学因素,探索适用于工业生产的高氮钢熔铸技术。 研究表明,利用高压条件下底吹氮气的方法冶炼高氮钢是一种可行的方法。从合金成分的影响看,元素碳、硅、硫、磷等元素使氮溶解度降低,元素铬、锰、钒等使氮溶解度提高。氮在液态铁合金中的溶解度随温度变化存在折点,在不同相(奥氏体,铁素体,熔体)中具有不同的变化规律,但总的趋势是氮溶解度随温度升高而增大。一般认为,高氮钢中氮的溶解度随压力提高而增大。在低压范围内,溶解度遵循Sieverts平方根定律,而对较高合金含量和高压下的高氮合金来说,氮的溶解度与Sieverts定律稍有偏差,可用铬当量法对氮含量与压力的关系进行预测。 通过分析影响钢液增氮速率的控制环节,建立了高压底吹氮气条件下高氮钢的增氮动力学模型。由模型可知,传质系数和搅拌功率存在正比关系,增大底部吹气量可以创造良好的动力学条件,增大气泡弥散程度,增加气液接触面积,缩短物质传输距离,进而提高钢液的吸氮速率。氧、硫在钢液中的活性比氮更强,占据了可供氮吸附的位置,阻碍氮向钢液溶解。低的氧硫含量条件下增氮速率主要受液相传质影响,随着氧硫含量的增加而成为界面反应和液相传质混合限速,因此应该控制钢液中氧、硫的含量。为防止氮在冷凝过程中逸出而形成气泡及保证氮在钢中的均匀分布,在冷凝过程中应始终保持高的环境压力。


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