316L不锈钢中氮气合金化行为

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 316L不锈钢中氮气合金化行为 时彦林12)，包燕平12)区，崔衡》，陈亚楠) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)北京科技大学治金工程研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:baoyp@usth.cdu.cn 摘要通过FactSage热力学计算软件和实验室实验研究了在常压和真空条件下温度、氮分压和碳含量对316L不锈钢中氮 溶解度的影响.结果表明：钢中氮的溶解度随着温度的降低而升高，随着氮分压的增大而增大，随着钢液碳含量的增加而减 少，其中氮分压对钢液氮溶解度的影响最大.不同吹氮条件下氮溶解度实测值与FactSage热力学软件计算值较吻合.生产控 氮型316L不锈钢可以在吹氧脱碳阶段实现，生产氮质量分数大于0.10%的中氮型316L不锈钢，只能在氮分压大于30kP的 加料阶段以及破真空后大气微调阶段实现 关键词氮气；溶解度：316L不锈钢：热力学软件 分类号 Nitrogen alloying behavior of 316 L stainless steel SHI Yan-lin'),BAO Yan-ping,CUl Heng,CHEN Ya-nan2) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT The influences of liquid steel temperature,nitrogen partial pressure,and carbon content on the nitrogen solubility in 316 L stainless steel under normal atmosphere and vacuum were studied by the Factsage thermodynamic calculation software and labora- tory experiments.Results show that nitrogen solubility increases with decreasing the liquid steel temperature,increasing the nitrogen partial pressure,or decreasing the carbon content.The nitrogen partial pressure is the most important one among the three parameters. The thermodynamic calculation results are in coincidence with the measurement results in different nitrogen blowing processes.Produ- cing 316 LN with the N content of 0.05%-0.10%(mass fraction)could be conducted during oxygen blowing.Producing 316LN with the N content of 0.10%-0.40%should be carried out during charging (the nitrogen partial pressure must be over 30kPa)and under atmospheric pressure. KEY WORDS nitrogen:solubility:316L stainless steel:thermodynamic software 大量研究表明，不锈钢中的氮可部分甚至全部造成含氮钢生产成本提高：另一类是用氮气增氮 代替昂贵的镍，氮含量达到一定量后，不锈钢在力利用资源丰富且价格低廉的氮气作原料，通过向钢 学、机械、耐腐蚀性能等方面具有优越的性能，经济 液中吹氮气进行合金化，进一步降低治炼成本，改变 效益显著.含氮不锈钢的增氮工艺基本可以分 传统的合金增氮方法.此法得到了不锈钢生产厂家 为2类日：一类是用富氮合金（如氮化铬、氮化硅、重视，但应用较少，主要原因囚：(1）常压下氮在钢 氮化钒、氮化锰、氮化铁)等进行合金化，其优点是 液中的溶解度不高：(2)在精炼炉中采用氮气吹入 钢中氮含量较易精确控制，其缺点是富氮合金昂贵 钢液加氮，钢液温度损失严重，治炼温度不易控制： 收稿日期：2013-1119 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.028:http://jourals.ustb.edu.en

第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 316 L 不锈钢中氮气合金化行为 时彦林1，2) ，包燕平1，2) ，崔 衡3) ，陈亚楠1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083  通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 通过 FactSage 热力学计算软件和实验室实验研究了在常压和真空条件下温度、氮分压和碳含量对 316 L 不锈钢中氮 溶解度的影响． 结果表明: 钢中氮的溶解度随着温度的降低而升高，随着氮分压的增大而增大，随着钢液碳含量的增加而减 少，其中氮分压对钢液氮溶解度的影响最大． 不同吹氮条件下氮溶解度实测值与 FactSage 热力学软件计算值较吻合． 生产控 氮型 316 L 不锈钢可以在吹氧脱碳阶段实现，生产氮质量分数大于 0. 10% 的中氮型 316 L 不锈钢，只能在氮分压大于 30 kPa 的 加料阶段以及破真空后大气微调阶段实现． 关键词 氮气; 溶解度; 316 L 不锈钢; 热力学软件 分类号 Nitrogen alloying behavior of 316 L stainless steel SHI Yan-lin1，2) ，BAO Yan-ping1，2)  ，CUI Heng3) ，CHEN Ya-nan1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Engineering Ｒesearch Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The influences of liquid steel temperature，nitrogen partial pressure，and carbon content on the nitrogen solubility in 316 L stainless steel under normal atmosphere and vacuum were studied by the Factsage thermodynamic calculation software and labora￾tory experiments． Ｒesults show that nitrogen solubility increases with decreasing the liquid steel temperature，increasing the nitrogen partial pressure，or decreasing the carbon content． The nitrogen partial pressure is the most important one among the three parameters． The thermodynamic calculation results are in coincidence with the measurement results in different nitrogen blowing processes． Produ￾cing 316 LN with the N content of 0. 05% － 0. 10% ( mass fraction) could be conducted during oxygen blowing． Producing 316 LN with the N content of 0. 10% － 0. 40% should be carried out during charging ( the nitrogen partial pressure must be over 30 kPa) and under atmospheric pressure． KEY WOＲDS nitrogen; solubility; 316 L stainless steel; thermodynamic software 收稿日期: 2013--11--19 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 028; http: / /journals． ustb． edu． cn 大量研究表明，不锈钢中的氮可部分甚至全部 代替昂贵的镍，氮含量达到一定量后，不锈钢在力 学、机械、耐腐蚀性能等方面具有优越的性能，经济 效益显著［1--3］． 含氮不锈钢的增氮工艺基本可以分 为 2 类［4］: 一类是用富氮合金( 如氮化铬、氮化硅、 氮化钒、氮化锰、氮化铁) 等进行合金化，其优点是 钢中氮含量较易精确控制，其缺点是富氮合金昂贵 造成含氮钢生产成本提高; 另一类是用氮气增氮． 利用资源丰富且价格低廉的氮气作原料，通过向钢 液中吹氮气进行合金化，进一步降低冶炼成本，改变 传统的合金增氮方法． 此法得到了不锈钢生产厂家 重视，但应用较少，主要原因［5］: ( 1) 常压下氮在钢 液中的溶解度不高; ( 2) 在精炼炉中采用氮气吹入 钢液加氮，钢液温度损失严重，冶炼温度不易控制;

·152 北京科技大学学报 第36卷 (3)回收率未知且不稳定，一般在治炼现场缺少快 碳含量增大而略减少.常压下，不锈钢中碳质量分 速分析仪器等.目前主要依靠理论和经验相结合的 数从0.035%脱至0.015%时，钢液中氮的溶解度由 办法控制氮的质量分数 0.1863%增至0.1880%，增加17×10-6.而随着氮 从目前需要开发的不锈钢品种结构来看，新开 分压的降低，氮的溶解度增幅也降低，如氮分压为 发的品种钢许多属于超低碳氮型不锈钢和低碳控氮 2kPa时，不锈钢中碳质量分数从0.035%脱至 型不锈钢，超低碳含氮不锈钢必须通过VOD工艺冶 0.015%时，钢液中氮的溶解度由0.0274%增至 炼，VOD治炼316L不锈钢要经历真空准备、吹氧脱 0.0276%,只增加2×10-6：(2)氮分压对钢液氮氯含 碳、深真空自由脱碳、加料、还原脱硫、大气微调等处 量的影响更大，如碳质量分数为0.015%时，氮分压 理阶段因，不同阶段真空压力不同，氮在钢液中的 由2kPa变为101kPa时，氮含量由0.0276%增至 溶解度会有所变化，针对不同氮含量的不锈钢，在哪 0.1880%.由此可知，在316L不锈钢生产过程，钢 个阶段吹氮，如何制定吹氮工艺直接影响氮的终点 液碳含量的变化对氮的溶解度影响很小，而氮分压 命中率.故研究VOD不同精炼工艺下钢中氮的溶 的影响要大得多，因此提高钢液中氮的含量应该从 解度是用吹氮方法生产超低碳含氮不锈钢的前提. 提高氮分压入手 本文通过FactSage计算软件研究了不同VOD 1.2不同温度对钢液氮溶解度的影响 怡炼工艺对316L不锈钢中氮溶解度的影响规律， 图2为碳质量分数为0.03%时，模拟不同氮分 并通过实验室实验进行验证，旨在探索VOD炉精炼 压条件下，不同钢液温度下氮在不锈钢液中的溶解 条件下的低成本增氮工艺的可行性 度变化曲线 0.22r 1 热力学计算 0.20 0.18 101 kPa FactSage热力学计算软件是将蒙特利尔综合工 0.16 67 kPa 业大学（加拿大）的FACT软件和GTT公司（德国） 0.14 0.12 50 kPa 010 33 kPa 的ChemSage软件相结合，形成了集化合物和多种溶 液体系的热化学数据库与先进的多元多相平衡计算 0.08 15 kPa 0.06 程序ChemSage为代表的多种功能计算程序为一体 0.04 的综合性集成热力学计算软件.通过输入316L不 0.02 锈钢成分、温度、氮分压，可以计算得到不同条件下 1760178018001820184018601880 温度K 的316L钢液氮的溶解度 图2不同氮分压下钢液温度对氮溶解度的影响（碳质量分数为 1.1不同碳含量的影响 0.03%) 图1为温度1833K、不同氮分压条件下，钢中碳 Fig.2 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel with 质量分数对氯溶解度的影响 temperature under different nitrogen partial pressures (mass fraction of C:0.03%) 0.22 1833K 0.20 101 kPa 从图2中可以看出钢液中氮的溶解度随着钢液 0.18 0.16 67 kPa 温度的增大而减小，并随着氮分压的减小降幅减小， 0.14 50 kPa 0.12 如钢液温度从1773增至1873K,101kPa时钢液氮 010 33 kPa 溶解度降低0.0337%，而2kPa时氮溶解度只降低 0.08 15 kPa 0.0053%.而当钢液温度为1873K时，氮分压从 0.06 0.04 101降至2kPa时，氮溶解度降低了0.1488%.从钢 0.02 0 液碳含量、氮分压、温度这三个影响因素来看，氮分 0.0150.0200.0250.030 0.035 碳质量分数/% 压对钢液氮溶解度的影响最大，温度次之，钢液碳含 图1不同氮分压下316L不锈钢中碳质量分数对氮溶解度的 量的影响最小. 影响 1.3不同氮分压对钢液氨溶解度的影响 Fig.1 Relationship between nitrogen solubility and carbon mass frac- 316L不锈钢属于超低碳钢，一般需经VOD tion in 316 L stainless steel under different nitrogen partial pressures 炉处理，这使得深真空脱碳与VOD吹氮成为一 从图1可以看出：(1)钢液中氯的溶解度随着 对矛盾.VOD处理过程要经历真空准备阶段、真

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 ( 3) 回收率未知且不稳定，一般在冶炼现场缺少快 速分析仪器等． 目前主要依靠理论和经验相结合的 办法控制氮的质量分数． 从目前需要开发的不锈钢品种结构来看，新开 发的品种钢许多属于超低碳氮型不锈钢和低碳控氮 型不锈钢，超低碳含氮不锈钢必须通过 VOD 工艺冶 炼，VOD 冶炼 316 L 不锈钢要经历真空准备、吹氧脱 碳、深真空自由脱碳、加料、还原脱硫、大气微调等处 理阶段［6］，不同阶段真空压力不同，氮在钢液中的 溶解度会有所变化，针对不同氮含量的不锈钢，在哪 个阶段吹氮，如何制定吹氮工艺直接影响氮的终点 命中率． 故研究 VOD 不同精炼工艺下钢中氮的溶 解度是用吹氮方法生产超低碳含氮不锈钢的前提． 本文通过 FactSage 计算软件研究了不同 VOD 冶炼工艺对 316 L 不锈钢中氮溶解度的影响规律， 并通过实验室实验进行验证，旨在探索 VOD 炉精炼 条件下的低成本增氮工艺的可行性． 1 热力学计算 FactSage 热力学计算软件是将蒙特利尔综合工 业大学( 加拿大) 的 FACT 软件和 GTT 公司( 德国) 的 ChemSage 软件相结合，形成了集化合物和多种溶 液体系的热化学数据库与先进的多元多相平衡计算 程序 ChemSage 为代表的多种功能计算程序为一体 的综合性集成热力学计算软件． 通过输入 316 L 不 锈钢成分、温度、氮分压，可以计算得到不同条件下 的 316 L 钢液氮的溶解度． 1. 1 不同碳含量的影响 图 1 为温度 1833 K、不同氮分压条件下，钢中碳 质量分数对氮溶解度的影响． 图 1 不同氮分压下 316 L 不锈钢中碳质量分数对氮溶解度的 影响 Fig． 1 Ｒelationship between nitrogen solubility and carbon mass frac￾tion in 316 L stainless steel under different nitrogen partial pressures 从图 1 可以看出: ( 1) 钢液中氮的溶解度随着 碳含量增大而略减少． 常压下，不锈钢中碳质量分 数从 0. 035% 脱至 0. 015% 时，钢液中氮的溶解度由 0. 1863% 增至 0. 1880% ，增加 17 × 10 － 6 ． 而随着氮 分压的降低，氮的溶解度增幅也降低，如氮分压为 2 kPa 时，不锈钢中碳质 量分数从 0. 035% 脱 至 0. 015% 时，钢液中氮的溶解度由 0. 0274% 增 至 0. 0276% ，只增加 2 × 10 － 6 ; ( 2) 氮分压对钢液氮含 量的影响更大，如碳质量分数为 0. 015% 时，氮分压 由 2 kPa 变为 101 kPa 时，氮含量由 0. 0276% 增至 0. 1880% ． 由此可知，在 316 L 不锈钢生产过程，钢 液碳含量的变化对氮的溶解度影响很小，而氮分压 的影响要大得多，因此提高钢液中氮的含量应该从 提高氮分压入手． 1. 2 不同温度对钢液氮溶解度的影响 图 2 为碳质量分数为 0. 03% 时，模拟不同氮分 压条件下，不同钢液温度下氮在不锈钢液中的溶解 度变化曲线． 图 2 不同氮分压下钢液温度对氮溶解度的影响 ( 碳质量分数为 0. 03% ) Fig． 2 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel with temperature under different nitrogen partial pressures ( mass fraction of C: 0. 03% ) 从图 2 中可以看出钢液中氮的溶解度随着钢液 温度的增大而减小，并随着氮分压的减小降幅减小， 如钢液温度从 1773 增至 1873 K，101 kPa 时钢液氮 溶解度降低 0. 0337% ，而 2 kPa 时氮溶解度只降低 0. 0053% ． 而当钢液温度为 1873 K 时，氮分压从 101 降至 2 kPa 时，氮溶解度降低了 0. 1488% ． 从钢 液碳含量、氮分压、温度这三个影响因素来看，氮分 压对钢液氮溶解度的影响最大，温度次之，钢液碳含 量的影响最小． 1. 3 不同氮分压对钢液氮溶解度的影响 316 L 不锈钢属于超低碳钢，一 般 需 经 VOD 炉处理，这使得深真空脱碳与 VOD 吹 氮 成 为 一 对矛盾． VOD 处理过程要经历真空准备阶段、真 ·152·

增刊1 时彦林等：316L不锈钢中氨气合金化行为 ·153· 空处理阶段、大气微调阶段等，不同阶段氮分压 2不同吹氮工艺对钢液氮溶解度的影响 不同.图3为温度1833K、碳质量分数为0.03% 时，模拟VOD处理吹氧脱碳阶段（氮分压 2.1实验装置和方法 101kPa)的不锈钢液中的氮溶解度曲 输入功率控制炉子温度，用双铂铑热电偶测温， 线.图4为温度1833K、碳质量分数为0.03% 316L不锈钢的化学成分如表1，实验装置如图5 时，模拟VOD处理深真空还原阶段的不锈钢液 所示 中的氮溶解度曲线. 表1实验用316L不锈钢化学成分（质量分数） 022 Table 1 Chemical composition of 316 L stainless steel% 1833k 0.20 碳质量分数：003% C Si Mn Cr Ni Mo N 0.18 0.0310.5710.0210.00416.1310.122.120.028 0.16 20.14 缓冲瓶 密封瓶 流量计 流量计 液体石蜡 0.10 真空系 0.08 真空表 开关 0.06 0.04 电阻炉 0 20 4060 80 100 石墨坩埚 氨分压从Pa 氧化铝坩锅 不锈钢熔体 图3吹氧脱碳、加料、破真空条件下316L不锈钢钢液中氮溶解 度的变化 填充材料 Fig.3 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel during 法些 oxygen blowing,charging,and under atmospheric pressure 测温热电偶 炉内保护气体 0.0251 1833K 图5吹氮工艺实验装置 碳质量分数：003% Fig.5 Experimental apparatus of nitrogen blowing 0.020 实验步骤为：将石墨保护坩埚放入炉内；将装有 蓝0.015 约0.8kg的316L不锈钢料的刚玉坩埚放入电阻炉 等温带中：将吹氮管自炉口下放至刚玉坩埚上方固 0010 定并随炉升温；在Ar气氛下（炉底吹入）电阻炉加 热升温，待钢料熔清并达到试验要求温度后，保温 0.0050 20min,在真空状态下用石英管抽取（初始样），每次 020.40.60.81.01.21.4 氨分压kP 取样约为20g:根据试验要求，调节氮气和氩气流量 值达到要求后，将吹氮管插入不锈钢熔体中吹气，吹 图4深真空还原阶段316L不锈钢钢液中氮溶解度的变化 Fig.4 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel during 入气体保持稳定和均匀；每间隔10min取样一次； reduction 取样结束后，电阻炉断电降温，在此过程中取出刚玉 坩埚和剩余钢样并冷却至室温 从图3、图4可以看出钢液中氯的溶解度随着 2.2非真空条件下的影响 氮分压的增大而增大.在深真空还原阶段只能生产 在非真空条件下，研究不同温度、不同氮分压对 氮含量小于0.02%的316L不锈钢，生产控氮型 316L钢液中氮溶解度的影响.实验结果如图6和 (N]为0.05%~0.10%)可以在吹氧脱碳阶段（氮 图7所示. 分压通常小于30kPa)实现，生产氮含量大于 图6为温度1833K、吹入气体总流量0.3L· 0.10%的中氮型(N]为0.10%~0.40%)不锈钢 min~l、氮分压不同条件下，模拟不同真空度时氯在 时，只能在氮分压大于30kPa的加料阶段以及破真 不锈钢液中的溶解度曲线。从图中可以看出：钢液 空后大气微调阶段. 中氮溶解度随着吹氮时间的增加而增大；且吹氮约

增刊 1 时彦林等: 316 L 不锈钢中氮气合金化行为 空处理阶段、大气微调阶段等，不同阶段氮分压 不同． 图 3 为温度 1833 K、碳质量分数为 0. 03% 时，模 拟 VOD 处理吹氧脱碳阶段 ( 氮 分 压 ＜ 30 kPa) 、加料阶段( 氮分 压 = 30 kPa) 、破 真 空 后( 分压 ＞ 101 kPa) 的不锈钢液中的氮溶解度曲 线． 图 4 为 温 度 1833 K、碳 质 量 分 数 为 0. 03% 时，模拟 VOD 处理深真空还原阶段的不锈钢液 中的氮溶解度曲线． 图 3 吹氧脱碳、加料、破真空条件下 316 L 不锈钢钢液中氮溶解 度的变化 Fig． 3 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel during oxygen blowing，charging，and under atmospheric pressure 图 4 深真空还原阶段 316 L 不锈钢钢液中氮溶解度的变化 Fig． 4 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel during reduction 从图 3、图 4 可以看出钢液中氮的溶解度随着 氮分压的增大而增大． 在深真空还原阶段只能生产 氮含量小于 0. 02% 的 316 L 不锈钢，生产控氮型 ( ［N］为 0. 05% ～ 0. 10% ) 可以在吹氧脱碳阶段( 氮 分压 通 常 小 于 30 kPa ) 实 现，生 产 氮 含 量 大 于 0. 10% 的中氮型( ［N］为 0. 10% ～ 0. 40% ) 不锈钢 时，只能在氮分压大于 30 kPa 的加料阶段以及破真 空后大气微调阶段． 2 不同吹氮工艺对钢液氮溶解度的影响 2. 1 实验装置和方法 实验选用硅钼棒炉，用可控硅调压器控制炉子 输入功率控制炉子温度，用双铂铑热电偶测温， 316 L不锈钢的化学成分如表 1，实 验 装 置 如 图 5 所示． 表 1 实验用 316 L 不锈钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 316 L stainless steel % C Si Mn P S Cr Ni Mo N 0. 031 0. 57 1 0. 021 0. 004 16. 13 10. 12 2. 12 0. 028 图 5 吹氮工艺实验装置 Fig． 5 Experimental apparatus of nitrogen blowing 实验步骤为: 将石墨保护坩埚放入炉内; 将装有 约 0. 8 kg 的 316 L 不锈钢料的刚玉坩埚放入电阻炉 等温带中; 将吹氮管自炉口下放至刚玉坩埚上方固 定并随炉升温; 在 Ar 气氛下( 炉底吹入) 电阻炉加 热升温，待钢料熔清并达到试验要求温度后，保温 20 min，在真空状态下用石英管抽取( 初始样) ，每次 取样约为 20 g; 根据试验要求，调节氮气和氩气流量 值达到要求后，将吹氮管插入不锈钢熔体中吹气，吹 入气体保持稳定和均匀; 每间隔 10 min 取样一次; 取样结束后，电阻炉断电降温，在此过程中取出刚玉 坩埚和剩余钢样并冷却至室温． 2. 2 非真空条件下的影响 在非真空条件下，研究不同温度、不同氮分压对 316 L 钢液中氮溶解度的影响． 实验结果如图 6 和 图 7 所示． 图 6 为温度 1833 K、吹入气体总流量 0. 3 L· min － 1 、氮分压不同条件下，模拟不同真空度时氮在 不锈钢液中的溶解度曲线． 从图中可以看出: 钢液 中氮溶解度随着吹氮时间的增加而增大; 且吹氮约 ·153·

·154 北京科技大学学报 第36卷 温度：1833K 0.08 ·-2kPa:温度：1833K:流量：0.1L·min1 0.20 流量：0.3L·mim1 2kh;温度：1853K:流量：0.L~min 一0.5kP:温度：1853K:流量：0.3Lmin1 ·-101kPa 0.06 0.15 -67 kPa 50 kPa -33 kPa 空0.04 0.10 0.02 0.05 10 20 40 203040 50 吹氨时间/min 吹氯时问/min 图6不同氮分压对316L不锈钢钢液中氮溶解度的影响 图8真空条件下吹氮工艺对316L不锈钢钢液中氮溶解度的 Fig.6 Effect of nitrogen partial pressure on the nitrogen solubility in 影响 316 L stainless steel Fig.8 Changes of nitrogen solubility in 316L stainless steel in vacu- um in different nitrogen blowing processes 0.25 图9所示. 0.20 0.20 0.15 氮分压：101kP 0.15 0.10 流量：0.3L·min- -1773K ◆1793K 0.05 o0 -1833K -1773K计算值■1773K实测值 -1793K计算值▲1793K实测值 0.05 1813K计算值。1833K实测值 0 10 20 30 40 50 -1833K计算值。1853K实测值 吹氨时间/min 0 1853K计算值 1873K计算值 图7不同温度下316L不锈钢钢液中氮溶解度随吹氨时间的 0 20 40 60 80 100 变化 氨分压kPa Fig.7 Changes of nitrogen solubility in 316L stainless steel with the 图9316L不锈钢钢液中氮溶解度实测值与热力学计算值的 nitrogen blowing time at different temperatures 比较 Fig.9 Comparison of the calculated and measurement results of ni- 40min时钢液中的氮溶解度基本达到平衡：钢液中 trogen solubility in 316 L stainless steel 氮的溶解度随着氮分压的增大而增大， 图7为不同温度、氮气流量为0.3Lmin-1条件 由图9可以看出，不同吹氮条件下氮溶解度实 下，模拟VOD破真空后氮在钢液中的溶解度曲线. 测值与FactSage热力学软件计算值较吻合，可以利 从图中可以看出：钢液中氮溶解度随着吹氮时间的 用FactSage热力学软件对VOD生产316L不锈钢过 增加而增大，吹氮时间30min后氮基本饱和. 程中的氮溶解度进行计算. 2.3真空条件下的影响 3结论 在真空条件下，研究不同温度、不同氮分压对 316L不锈钢液中氮溶解度的影响，实验结果如图8 (1)通过热力学软件Factsage计算得到，316L 所示. 不锈钢中氮的溶解度随着钢液碳含量的增加而减 由图8可知：真空条件下钢中氮的溶解度随温 少，随着钢液温度的增加而减小，随着钢液氮分压的 度的降低而降低：真空条件下钢中氮的溶解度随氮 增大而增大.氮分压对钢液氯溶解度的影响最大， 分压的增大而增大；在3种工艺条件下，吹氮40min 温度次之，钢液碳含量的影响最小. 后钢液中的含氮量均达不到0.05%，在此条件下不 (2)生产控氮型([N]为0.05%~0.10%) 能生产控氮型不锈钢. 316L不锈钢可以在吹氧脱碳阶段实现，生产氮含量 2.4实测值与热力学模型计算值的比较 大于0.10%的中氮型([N]为0.10%~0.40%) 将不同吹氮条件下316L不锈钢液中氮溶解度 316L不锈钢时，只能在真空室压力大于30kPa的吹 实测值与FactSage热力学软件计算值进行比较，如 氧脱碳阶段、加料阶段以及破真空后大气微调阶段

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 6 不同氮分压对 316 L 不锈钢钢液中氮溶解度的影响 Fig． 6 Effect of nitrogen partial pressure on the nitrogen solubility in 316 L stainless steel 图 7 不同温度下 316 L 不锈钢钢液中氮溶解度随吹氮时间的 变化 Fig． 7 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel with the nitrogen blowing time at different temperatures 40 min 时钢液中的氮溶解度基本达到平衡; 钢液中 氮的溶解度随着氮分压的增大而增大． 图 7 为不同温度、氮气流量为 0. 3 L·min － 1 条件 下，模拟 VOD 破真空后氮在钢液中的溶解度曲线． 从图中可以看出: 钢液中氮溶解度随着吹氮时间的 增加而增大，吹氮时间 30 min 后氮基本饱和． 2. 3 真空条件下的影响 在真空条件下，研究不同温度、不同氮分压对 316 L 不锈钢液中氮溶解度的影响，实验结果如图 8 所示． 由图 8 可知: 真空条件下钢中氮的溶解度随温 度的降低而降低; 真空条件下钢中氮的溶解度随氮 分压的增大而增大; 在 3 种工艺条件下，吹氮 40 min 后钢液中的含氮量均达不到 0. 05% ，在此条件下不 能生产控氮型不锈钢． 2. 4 实测值与热力学模型计算值的比较 将不同吹氮条件下 316 L 不锈钢液中氮溶解度 实测值与 FactSage 热力学软件计算值进行比较，如 图 8 真空条件下吹氮工艺对 316 L 不锈钢钢液中氮溶解度的 影响 Fig． 8 Changes of nitrogen solubility in 316 L stainless steel in vacu￾um in different nitrogen blowing processes 图 9 所示． 图 9 316 L 不锈钢钢液中氮溶解度实测值与热力学计算值的 比较 Fig． 9 Comparison of the calculated and measurement results of ni￾trogen solubility in 316 L stainless steel 由图 9 可以看出，不同吹氮条件下氮溶解度实 测值与 FactSage 热力学软件计算值较吻合，可以利 用 FactSage 热力学软件对 VOD 生产 316 L 不锈钢过 程中的氮溶解度进行计算． 3 结论 ( 1) 通过热力学软件 Factsage 计算得到，316 L 不锈钢中氮的溶解度随着钢液碳含量的增加而减 少，随着钢液温度的增加而减小，随着钢液氮分压的 增大而增大． 氮分压对钢液氮溶解度的影响最大， 温度次之，钢液碳含量的影响最小． ( 2) 生 产 控 氮 型( ［N］为 0. 05% ～ 0. 10% ) 316 L不锈钢可以在吹氧脱碳阶段实现，生产氮含量 大于 0. 10% 的 中 氮 型( ［N］为 0. 10% ～ 0. 40% ) 316 L不锈钢时，只能在真空室压力大于 30 kPa 的吹 氧脱碳阶段、加料阶段以及破真空后大气微调阶段． ·154·

增刊1 时彦林等：316L不锈钢中氨气合金化行为 ·155· (3)不同吹氮条件下氮溶解度实测值与Fact- of high-purity austenitic stainless steel and its mechanism re- Sage热力学软件计算值较吻合，可以利用FactSage search.J Iron Steel Res,1996,8(Suppl.)20 热力学软件对VOD生产316L不锈钢过程中的氮 (许崇臣，冈毅民.氮含量对高纯奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的 影响及机理的研究.钢铁研究学报，1996,8（增）：20) 溶解度进行计算. 4]Kang X C.Nitrogen-contained stainless steel.Spee Steel Technol, 1994(3):1 参考文献 (康显澄.含氯不锈钢.特钢技术，1994(3)：1) [1]Wang S T,Yang K,San Y Y,et al.Study on cold deformation 5]Li G.Technical Study on Nitrogen-Containing Stainless Steel Steel- behaviors of a high nitrogen austenitic stainless steel and 316 L making by Adding Nitrogen Using Blowing Nitrogen Gas in Atmos- stainless steel.Acta Metall Sin,2007,43 (2):171 phere Pressure [Dissertation].Beijing:University of Science and (王松涛，杨柯，单以银，等.高氮奥氏体不锈钢与316L不锈 Technology Beijing,2010:98 钢的冷变形行为研究.金属学报，2007,43(2)：171) (李刚.含氮不锈钢常压下采用氮气增氮的工艺研究[学位论 Jiang Z H,Chen Z P,Huang ZZ.Control of nitrogen in the stain- 文].北京：北京科技大学，2008：98) less steel during melting and solidification.Iron Steel,2005,40 6 Shi Y L,Bao Y P,Dong Z Q.Effect of non-vacuum nitrogen blo- (3):32 wing process on nitrogen absorption behavior of austenite stainless (姜周华，陈兆平，黄宗泽.不锈钢治炼及凝固过程氮的控制 steel 316 L.Spee Steel,2011,32(5):17 钢铁，2005,40(3)：32) (时彦林，包燕平，董中奇.非真空吹氮工艺对316L不锈钢吸 B]Xu CC,Gang Y M.Influence of N content on corrosion resistance 氮行为研究.特殊钢，2011,32(5)：17)

增刊 1 时彦林等: 316 L 不锈钢中氮气合金化行为 ( 3) 不同吹氮条件下氮溶解度实测值与 Fact￾Sage 热力学软件计算值较吻合，可以利用 FactSage 热力学软件对 VOD 生产 316 L 不锈钢过程中的氮 溶解度进行计算． 参 考 文 献 ［1］ Wang S T，Yang K，San Y Y，et al． Study on cold deformation behaviors of a high nitrogen austenitic stainless steel and 316 L stainless steel． Acta Metall Sin，2007，43( 2) : 171 ( 王松涛，杨柯，单以银，等． 高氮奥氏体不锈钢与 316 L 不锈 钢的冷变形行为研究． 金属学报，2007，43( 2) : 171) ［2］ Jiang Z H，Chen Z P，Huang Z Z． Control of nitrogen in the stain￾less steel during melting and solidification． Iron Steel，2005，40 ( 3) : 32 ( 姜周华，陈兆平，黄宗泽． 不锈钢冶炼及凝固过程氮的控制． 钢铁，2005，40( 3) : 32) ［3］ Xu C C，Gang Y M． Influence of N content on corrosion resistance of high-purity austenitic stainless steel and its mechanism re￾search． J Iron Steel Ｒes，1996，8( Suppl． ) : 20 ( 许崇臣，冈毅民． 氮含量对高纯奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的 影响及机理的研究． 钢铁研究学报，1996，8( 增) : 20) ［4］ Kang X C． Nitrogen-contained stainless steel． Spec Steel Technol， 1994( 3) : 1 ( 康显澄． 含氮不锈钢． 特钢技术，1994( 3) : 1) ［5］ Li G． Technical Study on Nitrogen-Containing Stainless Steel Steel￾making by Adding Nitrogen Using Blowing Nitrogen Gas in Atmos￾phere Pressure ［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2010: 98 ( 李刚． 含氮不锈钢常压下采用氮气增氮的工艺研究［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2008: 98) ［6］ Shi Y L，Bao Y P，Dong Z Q． Effect of non-vacuum nitrogen blo￾wing process on nitrogen absorption behavior of austenite stainless steel 316 L． Spec Steel，2011，32( 5) : 17 ( 时彦林，包燕平，董中奇． 非真空吹氮工艺对 316 L 不锈钢吸 氮行为研究． 特殊钢，2011，32( 5) : 17) ·155·