D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.02I 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 含氮不锈钢氮气增氮的实验及工艺 李 刚12) 李京社)杨树峰)王彦杰)李耐松2) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)北京首钢吉泰安新材料有限公司，北京102206 摘要通过采用氨气增氨的实验，研究了钢液的化学成分，治炼温度、表面活性元素和吹氨流量对钢液增氨的影响，研究结 果表明：钢中的合金元素尤其是M,Cr等元素能够增大钢液氮的溶解度；冶炼温度提高，钢液的增氮速率增大；钢中的氧对钢 液的增氮有很大的阻碍：吹氮流量增大则钢液的增氨速率相应增大·同时对含氨不锈钢采用吹入氮气增氨工艺进行了探讨， 为含氮不锈钢的生产提供了参考 关键词含氨不锈钢：吹氨气增氮：增氨速率 Experiment and technology of adding nitrogen in nitrogen-containing stainless steels by blowing nitrogen gas LI Gang2).LI Jing she),YANG Shu-feng).WANG Yanjie),LI Nai-song?) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Beijing Shougang Gitane New Materials Co Ltd,Beijing 102206,China ABSTRACT Based on the experiment of adding nitrogen in nitrogen-containing stainless steels by blowing nitrogen gas,the influ- encing factors including chemical compositions.temperature.superficial active elements and nitrogen-flow rate to molten steel's nitro- gen absorbing were studied.The experimental results show that some alloy elements such as Mn and Cr can raise the nitrogen solubili- ty in the molten steel:the temperature of molten steel increases,the rate of absorbing nitrogen increases correspondingly:the oxygen content in molten steel keeps molten steel from absorbing nitrogen:the nitrogen flow rate increases,the rate of absorbing nitrogen in- creases correspondingly.And the production process was discussed.which provides reference for adding nitrogen in nitrogen-contain- ing stainless steels steelmaking process by blowing nitrogen gas. KEY WORDS nitrogen-containing stainless steels:adding nitrogen by blowing nitrogen gas:the rate of absorbing nitrogen 近年来，含氮不锈钢越来越受到人们的重视· 用山；(2)增压电渣重熔法：除设备昂贵外，也不能 含氮不锈钢不但性能优良，而且其冶炼的成本大幅 完全消除氮的不均匀分布；(3)反压铸造法以及 度降低，含氨不锈钢与普通不锈钢相比，含氨不锈 粉末治金：(4)常规熔炼：主要是采用氨化合进行 钢的性能、质量有了显著的改善：含氨不锈钢不但具 氨合金化，美国的一个生产商认为这是“没有利润的 有良好的韧性，较高的强度，较好的耐腐蚀性能和较 繁荣山，如果采用N2进行钢液的氨合金化，可以 好的耐磨性能，而且它的抗蠕变性能和疲劳强度也 显著降低成本，但是氮含量难以准确控制，故应用较 有显著改善.由于镍资源的短缺，不锈钢中加入氮 少，本研究主要研究在常压下，采用向钢液中吹入 可以诚少钢中镍的使用量，从而降低冶炼成本.目 氨气冶炼含氮不锈钢的治炼工艺， 前冶炼含氨不锈钢主要是采用：(1)增压等离子电弧 重熔，但研究表明等离子喷射的自然物规律分布的 1研究方法 温度场，使氮浓度分布不均匀，故没有实际应用山； 实验在感应炉上进行冶炼的，实验装置见图1， 一些文献指出为得到极少过量氮，有一些偶然应 实验采用的钢种为S202和K202.实验中钢液温度 收稿日期：2009-10-01 基金项目：中国博士后科学基金资助项目(N。.20080430020) 作者简介：李刚(1976一)，男，博士，E-mail:leegang76 @yeah:net
含氮不锈钢氮气增氮的实验及工艺 李 刚12） 李京社1） 杨树峰1） 王彦杰2） 李耐松2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 北京首钢吉泰安新材料有限公司北京102206 摘 要 通过采用氮气增氮的实验研究了钢液的化学成分、冶炼温度、表面活性元素和吹氮流量对钢液增氮的影响．研究结 果表明：钢中的合金元素尤其是 Mn、Cr 等元素能够增大钢液氮的溶解度；冶炼温度提高钢液的增氮速率增大；钢中的氧对钢 液的增氮有很大的阻碍；吹氮流量增大则钢液的增氮速率相应增大．同时对含氮不锈钢采用吹入氮气增氮工艺进行了探讨 为含氮不锈钢的生产提供了参考． 关键词 含氮不锈钢；吹氮气增氮；增氮速率 Experiment and technology of adding nitrogen in nitrogen-containing stainless steels by blowing nitrogen gas LI Gang 12）LI Jing-she 1）Y A NG Shu-feng 1）W A NG Y an-jie 2）LI Na-i song 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Beijing Shougang Gitane New Materials Co LtdBeijing102206China ABSTRACT Based on the experiment of adding nitrogen in nitrogen-containing stainless steels by blowing nitrogen gasthe influencing factors including chemical compositionstemperaturesuperficial active elements and nitrogen-flow rate to molten steel’s nitrogen absorbing were studied．T he experimental results show that some alloy elements such as Mn and Cr can raise the nitrogen solubility in the molten steel；the temperature of molten steel increasesthe rate of absorbing nitrogen increases correspondingly；the oxygen content in molten steel keeps molten steel from absorbing nitrogen；the nitrogen flow rate increasesthe rate of absorbing nitrogen increases correspondingly．And the production process was discussedwhich provides reference for adding nitrogen in nitrogen-containing stainless steels steelmaking process by blowing nitrogen gas． KEY WORDS nitrogen-containing stainless steels；adding nitrogen by blowing nitrogen gas；the rate of absorbing nitrogen 收稿日期：2009-10-01 基金项目：中国博士后科学基金资助项目（No．20080430020） 作者简介：李 刚（1976—）男博士E-mail：leegang76＠yeah．net 近年来含氮不锈钢越来越受到人们的重视． 含氮不锈钢不但性能优良而且其冶炼的成本大幅 度降低．含氮不锈钢与普通不锈钢相比含氮不锈 钢的性能、质量有了显著的改善：含氮不锈钢不但具 有良好的韧性较高的强度较好的耐腐蚀性能和较 好的耐磨性能而且它的抗蠕变性能和疲劳强度也 有显著改善．由于镍资源的短缺不锈钢中加入氮 可以减少钢中镍的使用量从而降低冶炼成本．目 前冶炼含氮不锈钢主要是采用：（1）增压等离子电弧 重熔但研究表明等离子喷射的自然物规律分布的 温度场使氮浓度分布不均匀故没有实际应用［1］； 一些文献指出为得到极少过量氮有一些偶然应 用［1］；（2） 增压电渣重熔法：除设备昂贵外也不能 完全消除氮的不均匀分布［1］；（3）反压铸造法以及 粉末冶金［2］；（4）常规熔炼：主要是采用氮化合进行 氮合金化美国的一个生产商认为这是“没有利润的 繁荣” ［1］．如果采用 N2 进行钢液的氮合金化可以 显著降低成本但是氮含量难以准确控制故应用较 少．本研究主要研究在常压下采用向钢液中吹入 氮气冶炼含氮不锈钢的冶炼工艺． 1 研究方法 实验在感应炉上进行冶炼的实验装置见图1 实验采用的钢种为 S202和 K202．实验中钢液温度 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．021
Vol.31 Suppl.I 李刚等：含氮不锈钢氮气增氨的实验及工艺 ,85 采用快速测温仪测温，温度的控制通过调整输入功 表2钢液中氮含量（质量分数）的分析结果 率来控制炉内温度，本实验研究以下因素对氮回收 0含量/ N含量/% 炉号 率的影响规律： % 0min 8min 16min 24min 32min 40min ①钢液化学成分对钢液增氮的影响规律； 0.01 0.0360.0460.0560.0660.080.096 ②钢液治炼温度不同对钢液增氨的影响规律； 20.012 0.0280.0330.0460.0620.0740.08 ③钢液中氧硫等活性元素对钢液增氮的影响 图2.从图2看出，第1炉的增氮速度明显高于第2 规律； 炉，其主要原因是第一炉的钢液中提高氮在钢液中 ④不同的吹氮流量对钢液增氨的影响规律. 活度系数的合金元素的量比第二炉的高·是合 金元素对氮的相互作用系数，它表示在铁液中合金 吹氮管 转子流量计 元素与氮之间相互作用的特性.、>0，表示元素j ,坩埚 流量 使氨的活度系数∫、增加，从而降低了氮的溶解度； 控制阀 熔渣 相反，0的元素含量的增加而降低，相反， 氮的溶解度随小<0的元素含量的增加而升高 1200 图1实验装置示意图 1000 ■第1炉 ●一第2炉 800 在所有的炉料熔清后，开始加入脱氧剂（脱氧剂 -01/N] 600 有CaSi粉、铝块)，进入钢液的脱氧阶段.脱氧后， 开始测温，调整功率控制治炼温度；采用石英管吸取 400 1*样，编号为：第x炉1*；1样主要分析初始N含 200 量，0含量 1015202530354045 取好1“样后，开始吹入氨气，吹氨是采用石英 时间min 管从炉口吹入，吹氨过程中，每隔8min取一次样， 图2不同合金含量对钢液增氮的影响 一共取5个气体样，编号为第x炉2#~6*，主要分 析氮含量 就实验钢种所含的合金元素而言，小<0的元 2结果与讨论 素主要有Mn,Cr:e=-0.02,e=-0.047.查 献[3]中各元素对氮的相互作用系数，由公式 2.1钢液的化学成分对钢液增氮的影响 g、=∑么×[%]计算可知（其中[%]表示组 进行了2个钢种的实验，在治炼的温度、钢中的 元j的质量分数)，第1炉钢种比第2炉的活度系数 氧含量、脱氧剂、吹氮流量(600 mL'min)等实验 小，所以第1炉氮的溶解度大于第2炉氮的溶解度， 条件基本相同的条件下，只是改变了实验钢液的化 则第1炉钢液吸氨的趋势比第2炉大，相应的，第1 学成分，研究钢液成分对增氨的影响.表1、表2分 炉的增氨速率大于第2炉的增氮速率， 别是实验2炉的钢液化学成分分析结果和各炉的氨 既然合金元素对氨在钢中的溶解度和增氨速率 氧分析结果 有较大的影响，因此，在实际钢液吹氮气合金化之 表1钢液的化学成分（质量分数）分析结果 % 前，应当首先加入钢种所需加入的合金，至少先加入 炉号C Si Mn P S Cr Ni Cu 能增大氨溶解度和提高增氮速度的合金元素后，再 10.090.515.340.030.02517.440.780 进行吹N2合金化 20.080.59.330.030.0315.4911.58 2.2冶炼温度对钢液增氮的影响 实验均为$202，这两炉所使用的脱氧剂均为 该实验的第1炉，第2炉，除钢种不同，即化学 CaSi粉，用量相同，吹氨的流量均为600mL· 成分不同，其余冶炼条件均相同，以各炉取样的时 min-l,钢液的初始氧含量也大致相同，第3炉的氧 间为横坐标，以对应时刻的氨含量为纵坐标作图，见 含量为7.5×10-5，第4炉的氧含量为9×10-5.但
采用快速测温仪测温温度的控制通过调整输入功 率来控制炉内温度．本实验研究以下因素对氮回收 率的影响规律： ① 钢液化学成分对钢液增氮的影响规律； ② 钢液冶炼温度不同对钢液增氮的影响规律； ③ 钢液中氧硫等活性元素对钢液增氮的影响 规律； ④ 不同的吹氮流量对钢液增氮的影响规律． 图1 实验装置示意图 在所有的炉料熔清后开始加入脱氧剂（脱氧剂 有 Ca—Si 粉、铝块）进入钢液的脱氧阶段．脱氧后 开始测温调整功率控制冶炼温度；采用石英管吸取 1＃样编号为：第 x 炉1＃；1＃样主要分析初始 N 含 量O 含量． 取好1＃样后开始吹入氮气．吹氮是采用石英 管从炉口吹入．吹氮过程中每隔8min 取一次样 一共取5个气体样编号为第 x 炉2＃～6＃主要分 析氮含量． 2 结果与讨论 2∙1 钢液的化学成分对钢液增氮的影响 进行了2个钢种的实验在冶炼的温度、钢中的 氧含量、脱氧剂、吹氮流量（600mL·min —1）等实验 条件基本相同的条件下只是改变了实验钢液的化 学成分研究钢液成分对增氮的影响．表1、表2分 别是实验2炉的钢液化学成分分析结果和各炉的氮 氧分析结果． 表1 钢液的化学成分（质量分数）分析结果 ％ 炉号 C Si Mn P S Cr Ni Cu 1 0∙09 0∙5 15∙34 0∙03 0∙025 17∙44 0∙78 0 2 0∙08 0∙5 9∙33 0∙03 0∙03 15∙49 1 1∙58 该实验的第1炉第2炉除钢种不同即化学 成分不同其余冶炼条件均相同．以各炉取样的时 间为横坐标以对应时刻的氮含量为纵坐标作图见 表2 钢液中氮含量（质量分数）的分析结果 炉号 O 含量／ ％ N 含量／％ 0min 8min 16min 24min 32min 40min 1 0∙01 0∙036 0∙046 0∙056 0∙066 0∙08 0∙096 2 0∙012 0∙028 0∙033 0∙046 0∙062 0∙074 0∙08 图2．从图2看出第1炉的增氮速度明显高于第2 炉其主要原因是第一炉的钢液中提高氮在钢液中 活度系数的合金元素的量比第二炉的高．e j N 是合 金元素对氮的相互作用系数它表示在铁液中合金 元素与氮之间相互作用的特性．e j N＞0表示元素 j 使氮的活度系数 f N 增加从而降低了氮的溶解度； 相反e j N＜0表示元素 j 使氮的活度系数 f N 降低 从而增大了氮的溶解度．也就是说钢与合金中氮 的溶解度随 e j N＞0的元素含量的增加而降低相反 氮的溶解度随 e j N＜0的元素含量的增加而升高． 图2 不同合金含量对钢液增氮的影响 就实验钢种所含的合金元素而言e j N＜0的元 素主要有 Mn、Cr：e Mn N ＝—0∙02e Cr N ＝—0∙047．查 文献 ［3］ 中各元素对氮的相互作用系数由公式 lg f N＝ ∑ e j N×［％ j ］计算可知（其中［％ j ］表示组 元 j 的质量分数）第1炉钢种比第2炉的活度系数 小所以第1炉氮的溶解度大于第2炉氮的溶解度 则第1炉钢液吸氮的趋势比第2炉大．相应的第1 炉的增氮速率大于第2炉的增氮速率． 既然合金元素对氮在钢中的溶解度和增氮速率 有较大的影响因此在实际钢液吹氮气合金化之 前应当首先加入钢种所需加入的合金至少先加入 能增大氮溶解度和提高增氮速度的合金元素后再 进行吹 N2 合金化． 2∙2 冶炼温度对钢液增氮的影响 实验均为 S202这两炉所使用的脱氧剂均为 Ca—Si粉用 量 相 同吹 氮 的 流 量 均 为 600mL· min —1钢液的初始氧含量也大致相同第3炉的氧 含量为7∙5×10—5第4炉的氧含量为9×10—5．但 Vol．31Suppl．1 李 刚等： 含氮不锈钢氮气增氮的实验及工艺 ·85·
.86 北京科技大学学报 2009年增刊1 是两炉的实验温度不同，第3炉的温度为1773K, 5.3×10 [%Cr]+ 第4炉的冶炼温度为1963K,实验结果如图3 2.3463 所示 T +0.0011[%Mn] (2) 1200 式中，[%N]为钢中的氮含量；PN,为氨分压，Pa:p 1000 DT=1773K OT=1963K 为标准压力，103Pa 800 由于本实验是研究常压下采用氮气增氨，所以， 600 公式中Px,=P,于是上式便可写成： ● ◇ 400 1g[%N]=-{188.052+3280 ∑{[%j]}+ 200P [%]/T式 -1.248+ 10152025303540 45 时间min 0.7∑4[%]+[%} (3) 图3温度对钢液增氮的影响 从式(3)可知： 从图3可以看出，在相同的时刻，第4炉的氨含 (1)当188.052+3280 ∑4[%j门+ 量明显比第3炉高，说明第4炉的增氨速率大于第 [%]>0时，即有： ∑4[%j门+ 3炉.第3炉的冶炼温度为1773K,而第4炉的治 炼温度为1963K,说明冶炼温度升高，增大钢液对 [%] >一0.057317时，提高钢液温度，钢液 氨的吸收速率.这主要是由于，氨在钢液中的溶解 中氨的溶解度增高 过程是吸热反应，温度的升高，有利于吸热反应的进 (2)当188.052+3280 ∑4[%j]+ 行；同时，冶炼温度的提高，冶金熔体内分子运动加 剧，降低了钢液的黏度，增加了钢液的流动性，有利 [%]月<0时，即有： ∑4[%门+ 于传质过程的进行.所以，冶炼温度的提高，为促进 <一0.057317时，提高钢液温度，钢液 氮在钢液中的溶解吸收提供了良好的热力学和动力 [%]月 学条件 中氮的溶解度是降低的. 冶炼温度提高，能增大钢液对氮的溶解吸收速 2.3表面活性元素对钢液增氨的影响 率；另一方面，温度的升高，氨在钢液中的溶解度又 实验钢种相同，均为K202.脱氧剂均为CaSi 如何变化呢？根据文献[4]所给公式： 粉，用量相同，吹氨的流量也相同，为1.5m3h1, 3280-0.75 ∑4[%]+ 两炉的实验温度在1873K,不同的是两炉的钢液中 T 的氧含量不同：其中一炉钢液随加料熔化就加入脱 [%6Cr]2+YN"[%6Mn]2 (1) 氧剂脱氧，在开始吹入氮气前，脱氧完毕，钢液中的 氧含量4.2×10-5：另一炉在治炼过程中加入50g 式中，∫，r为氨的活度系数：T为温度，K;为合 的Fe0粉末，钢液中氧含量为1.3×10-4.当温度 金元素j对N的一阶相互作用系数；[%j]为组元j 达到1873K开始吹氨合金化，结果如图4所示， 的质量分数；为Cr对N的二阶相互作用系数： 从图4中可以看出：在吹氮的前6min内，钢液 为Mn对N的二阶相互作用系数 氧含量低，钢液增氮速率明显高；6min之后增氨速 可推导出氮在钢液中的溶解度的计算公式]： 率有所减缓，但钢液氧含量低，钢液增氮速率仍然比 1,P2-188.052-1.248- 氧含量高的钢液增氮速率大，在第36min时， lg[%N]-2lg p [%0]=4.2×10-5的钢液吸氨基本达到饱和，而 [%0]=1.3×10-4钢液中的氧含量高，严重地阻碍 3280-0.7×0.13[%c]+0.047[%si]- T 了钢液的吸氨，其吸氨量仅为饱和量的一半，造成 0.02[%Mn]+0.007[%s]+0.045[%P]+ 两炉增氨速率相差如此悬殊的关键因素就是钢液中 0.05[%0]-0.011[%Mo]+0.01[%Ni]- 的氧含量不同.钢液中的表面活性元素氧含量高， 0.047r6c]+0.o09[%ca1+2- 就会显著的降低增氨速率，钢液氧含量低就会显著 地提高钢液的增氨速率6]
是两炉的实验温度不同第3炉的温度为1773K 第4炉的冶炼温度为1963K．实验结果如图3 所示． 图3 温度对钢液增氮的影响 从图3可以看出在相同的时刻第4炉的氮含 量明显比第3炉高说明第4炉的增氮速率大于第 3炉．第3炉的冶炼温度为1773K而第4炉的冶 炼温度为1963K说明冶炼温度升高增大钢液对 氮的吸收速率．这主要是由于氮在钢液中的溶解 过程是吸热反应温度的升高有利于吸热反应的进 行；同时冶炼温度的提高冶金熔体内分子运动加 剧降低了钢液的黏度增加了钢液的流动性有利 于传质过程的进行．所以冶炼温度的提高为促进 氮在钢液中的溶解吸收提供了良好的热力学和动力 学条件． 冶炼温度提高能增大钢液对氮的溶解吸收速 率；另一方面温度的升高氮在钢液中的溶解度又 如何变化呢？根据文献［4］所给公式： lg f NT＝ 3280 T —0∙75 ∑ e j N ［％ j ］＋ γ Cr N ［％Cr］ 2＋γ Mn N ［％Mn］ 2 （1） 式中f NT 为氮的活度系数；T 为温度K；e j N 为合 金元素 j 对 N 的一阶相互作用系数；［％ j ］为组元 j 的质量分数；γ Cr N 为 Cr 对 N 的二阶相互作用系数； γ Mn N 为 Mn 对 N 的二阶相互作用系数． 可推导出氮在钢液中的溶解度的计算公式［5］： lg［％N］＝ 1 2 lg PN2 P o — 188∙052 T —1∙248— 3280 T —0∙75 ×｛（0∙13［％C］＋0∙047［％Si］— 0∙02［％Mn］＋0∙007［％S ］＋0∙045［％P ］＋ 0∙05［％O］—0∙011［％Mo ］＋0∙01［％Ni］— 0∙047［％Cr］＋0∙009［％Cu］）＋ 1∙52 T — 5∙3×10—4 ［％Cr］ 2＋ — 2∙3463 T ＋0∙0011 ［％Mn］ 2｝ （2） 式中［％N ］为钢中的氮含量；PN2为氮分压Pa；P o 为标准压力105Pa． 由于本实验是研究常压下采用氮气增氮所以 公式中 PN2＝P o于是上式便可写成： lg［％N］＝—｛188∙052＋3280 ∑｛e j N ［％ j ］｝＋ γ j N ［％ j ］ 2 ｝／T＋ —1∙248＋ 0∙75 ∑ e j N ［％ j ］＋γ j N ［％ j ］ 2 （3） 从式（3）可知： （1） 当 188∙052＋3280 ∑ e j N ［％ j ］ ＋ γ j N ［％ j ］ 2 ＞ 0 时即 有： ∑ e j N ［％ j ］ ＋ γ j N ［％ j ］ 2 ＞—0∙057317时提高钢液温度钢液 中氮的溶解度增高． （2） 当 188∙052＋3280 ∑ e j N ［％ j ］ ＋ γ j N ［％ j ］ 2 ＜ 0 时即 有： ∑ e j N ［％ j ］ ＋ γ j N ［％ j ］ 2 ＜—0∙057317时提高钢液温度钢液 中氮的溶解度是降低的． 2∙3 表面活性元素对钢液增氮的影响 实验钢种相同均为 K202．脱氧剂均为 Ca—Si 粉用量相同吹氮的流量也相同为1∙5m 3·h —1 两炉的实验温度在1873K．不同的是两炉的钢液中 的氧含量不同：其中一炉钢液随加料熔化就加入脱 氧剂脱氧在开始吹入氮气前脱氧完毕钢液中的 氧含量4∙2×10—5 ；另一炉在冶炼过程中加入50g 的 FeO 粉末钢液中氧含量为1∙3×10—4．当温度 达到1873K 开始吹氮合金化．结果如图4所示． 从图4中可以看出：在吹氮的前6min 内钢液 氧含量低钢液增氮速率明显高；6min 之后增氮速 率有所减缓但钢液氧含量低钢液增氮速率仍然比 氧含量高的钢液增氮速率大．在第 36min 时 ［％O］＝4∙2×10—5的钢液吸氮基本达到饱和而 ［％O］＝1∙3×10—4钢液中的氧含量高严重地阻碍 了钢液的吸氮其吸氮量仅为饱和量的一半．造成 两炉增氮速率相差如此悬殊的关键因素就是钢液中 的氧含量不同．钢液中的表面活性元素氧含量高 就会显著的降低增氮速率钢液氧含量低就会显著 地提高钢液的增氮速率［6］． ·86· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 李刚等：含氮不锈钢氮气增氨的实验及工艺 ,87 4000 善，钢中的扩散、对流加强，有利于钢中的[N]从反 3500 O-[0=130×10 △-【0=42x10* △ 应界面的边界层扩散到钢液的内部，从而有利于钢 3000 △ 液的吸氨反应继续进行， 2500 在实际生产中，在不发生喷溅的情况下，可以适 2000 当增大吹氨流量，从而提高增氮速率，提高生产率. 1500 0 1000 0 3结论 500 (1)钢种成分中对氦的相互作用系数小于零的 51015202530354045 元素含量越高，钢液增氨越快，氨的饱和浓度越高， 时间min (2)冶炼温度提高，能增大钢液对氨的溶解吸 图4氧含量对钢液增氨的影响 收速率； ∑4[%]+X[%j>-0.057317 由于钢液中的氧活性元素显著地阻碍钢液的吸 时，提高钢液温度，钢液中氮的溶解度增高； 氨.这就要求，在采用钢液氨气合金化增氨的过程 ∑[%]+[%]月 <-0.057317时，提高 中，首先必须进行钢液脱氧保证钢液脱氧良好后进 钢液温度，钢液中氨的溶解度是降低的 行吹氨气合金化，会显著提高增氨速率. 2.4不同的吹氮流量对钢液增氨影响 (③)钢液中的表面活性元素氧、硫含量高，就会 显著地降低增氮速率。 实验的钢种为K202,冶炼温度相同(1873K), 钢液氧含量比较接近(2×10-5~3×10-5)，脱氧剂 (4)吹氨流量增大，钢液对氮的吸收速率增大 (5)采用N2增氨的合理工艺为：吹入N2之前 为CaSi粉，用量相同，吹入氨气的流量不同.结果 应进行脱氧，保持钢液脱氧良好；脱氧良好后合金 如图5所示 化；根据冶炼温度对不同成分钢种的影响，提高或降 2000 低治炼温度；在不发生喷溅的情况下适当提高吹N2 晋-0.6L.min 1600 e8 L-min 流量 1200 参考文献 800 [1]Kamachi U M.Baldev R.High Nitrogen Steels and Stainless Steels Manufacturing,Properties and Applications.Li J. 400 Huang Y H.Translated.Beijing:Chemical Industry Press.2006 (卡曼奇UM,贝德威R.高氮钢和不锈钢一生产，性能与应用 1015202530354045 李晶，黄运华，译.北京：化学工业出版社，2006) 时间min [2]Dunning J.Simmons J.Rawers J.Advanced processing technolo- 图5不同的吹氨流量对钢液增氨影响 gy for high-nitrogen steels.JoM.1994,40(3):20 [3]Huang XG.Theory of Metallurgy.Beijing:Metallurgical Indus- 从图5看，氮气流量为8Lmin-1比氮气流量为 try Press.2002;35 (黄希祜.钢铁治金原理.北京：冶金工业出版社，2002：35) 0.6Lmin-1的各对应时刻的氮含量高，即在其他条 [A]Zhou DL.Study on Solution Behawior of Nitrogen in Stainless 件相同的情况下，适当的增大吹入N2的流量，在相 Steel [Dissertation Shenyang:Nout heast University.2004:76 对应的时刻钢液中的氮含量高，在前6min尤为显 (周德玲.氮在不锈钢熔体中的溶解行为的研究硕士学位论 著。也就是说，吹氨流量大，钢液对氨的吸收速率就 文，沈阳：东北大学，2004：76) [5]Li G.LiJS,Wang Y G.The thermodynamics model and experi- 大，增大吹入钢液的氨气流量之所以能够增加钢液 mental study of stainless steel with nitrogen steelmaking alloyed by 的吸氨速率，一方面是因为增大吹入的氨气流量，氨 hlowing nitrogen gas.Metall Res.2007,3(1):239 气本身与钢液的接触面积增大，增大了传质的面积； (李刚，李京社，王玉刚，含氮不锈钢采用氨气增氮的热力学 另外，增大氮气流量，氨气带进钢液的搅拌功增大， 模型和实验研究.冶金研究，2007,3(1)：239) 在搅拌钢液的同时也细化了氨气在钢液中的氨气 [6]Cheng GG.Zhao P.Li X P,et al.Effect of surface active ele- 泡，从而也使反应的接触面积增大，有利于钢液的吸 ments on nitrogen desorption from steel melt.Eng Chem Metall. 1997,18(2):169 氮反应正向进行.另一方面，增大氮气流量，氮气对 (成国光，赵沛，李小平，等。表面活性元素影响钢液脱氯动力 钢液的搅拌加剧，钢液中的传质动力学条件大为改 学.化工治金，1997,18(2)：169)
图4 氧含量对钢液增氮的影响 由于钢液中的氧活性元素显著地阻碍钢液的吸 氮．这就要求在采用钢液氮气合金化增氮的过程 中首先必须进行钢液脱氧保证钢液脱氧良好后进 行吹氮气合金化会显著提高增氮速率． 2∙4 不同的吹氮流量对钢液增氮影响 实验的钢种为 K202冶炼温度相同（1873K） 钢液氧含量比较接近（2×10—5～3×10—5）脱氧剂 为 Ca—Si 粉用量相同吹入氮气的流量不同．结果 如图5所示． 图5 不同的吹氮流量对钢液增氮影响 从图5看氮气流量为8L·min —1比氮气流量为 0∙6L·min —1的各对应时刻的氮含量高即在其他条 件相同的情况下适当的增大吹入 N2 的流量在相 对应的时刻钢液中的氮含量高在前6min 尤为显 著．也就是说吹氮流量大钢液对氮的吸收速率就 大．增大吹入钢液的氮气流量之所以能够增加钢液 的吸氮速率一方面是因为增大吹入的氮气流量氮 气本身与钢液的接触面积增大增大了传质的面积； 另外增大氮气流量氮气带进钢液的搅拌功增大 在搅拌钢液的同时也细化了氮气在钢液中的氮气 泡从而也使反应的接触面积增大有利于钢液的吸 氮反应正向进行．另一方面增大氮气流量氮气对 钢液的搅拌加剧钢液中的传质动力学条件大为改 善钢中的扩散、对流加强有利于钢中的［N ］从反 应界面的边界层扩散到钢液的内部从而有利于钢 液的吸氮反应继续进行． 在实际生产中在不发生喷溅的情况下可以适 当增大吹氮流量从而提高增氮速率提高生产率． 3 结论 （1） 钢种成分中对氮的相互作用系数小于零的 元素含量越高钢液增氮越快氮的饱和浓度越高． （2） 冶炼温度提高能增大钢液对氮的溶解吸 收速率； ∑ e j N ［％ j ］＋γ j N ［％ j ］ 2 ＞—0∙057317 时提 高 钢 液 温 度钢 液 中 氮 的 溶 解 度 增 高； ∑ e j N ［％ j ］＋γ j N ［％ j ］ 2 ＜—0∙057317时提高 钢液温度钢液中氮的溶解度是降低的． （3） 钢液中的表面活性元素氧、硫含量高就会 显著地降低增氮速率． （4） 吹氮流量增大钢液对氮的吸收速率增大． （5） 采用 N2 增氮的合理工艺为：吹入 N2 之前 应进行脱氧保持钢液脱氧良好；脱氧良好后合金 化；根据冶炼温度对不同成分钢种的影响提高或降 低冶炼温度；在不发生喷溅的情况下适当提高吹 N2 流量． 参 考 文 献 ［1］ Kamachi U MBaldev R． High Nitrogen Steels and Stainless Steel-s Manuf acturing Properties and Applications． Li J Huang Y HTranslated．Beijing：Chemical Industry Press2006 （卡曼奇 U M贝德威 R．高氮钢和不锈钢—生产、性能与应用． 李晶黄运华译．北京：化学工业出版社2006） ［2］ Dunning JSimmons JRawers J．Advanced processing technology for high-nitrogen steels．JOM199440（3）：20 ［3］ Huang X G．Theory of Metallurgy．Beijing：Metallurgical Industry Press2002：35 （黄希祜．钢铁冶金原理．北京：冶金工业出版社2002：35） ［4］ Zhou D L．Study on Solution Behavior of Nitrogen in Stainless Steel ［Dissertation］ Shenyang：Noutheast University2004：76 （周德玲．氮在不锈钢熔体中的溶解行为的研究．硕士学位论 文沈阳：东北大学2004：76） ［5］ Li GLi J SWang Y G．The thermodynamics model and experimental study of stainless steel with nitrogen steelmaking alloyed by blowing nitrogen gas．Metall Res20073（1）：239 （李刚李京社王玉刚．含氮不锈钢采用氮气增氮的热力学 模型和实验研究．冶金研究20073（1）：239） ［6］ Cheng G GZhao PLi X Pet al．Effect of surface active elements on nitrogen desorption from steel melt．Eng Chem Metall 199718（2）：169 （成国光赵沛李小平等．表面活性元素影响钢液脱氮动力 学．化工冶金199718（2）：169） Vol．31Suppl．1 李 刚等： 含氮不锈钢氮气增氮的实验及工艺 ·87·
