范越文等：碳铝硅在铁液中对氨溶解速率的影响 37 表2Fe-M(M:C,AL,Si)样品成分及速率常数计算结果 Table 2 Fe-M(M:C,Al,Si)sample composition and calculated results of the rate constant Reaction area/ Sample element compositions/% Apparent rate constants/ Experiments (10m) (10molm 2.sPa) A 0 N C Al or Si k 1.94 0.039 0.021 0.006 0.0005 3.01 1.96 0.0694 0.0202 0.0354 0.0010 一 7.09 2.16 0.0006 0.0204 0.0360 0.0006 一 3.5 Fe-C alloys 1.86 0.0286 0.0197 0.0545 0.0011 一 8.29 2.30 0.0017 0.0196 0.2300 0.0007 一 4.85 2.11 0.0361 0.0184 0.8000 0.0010 一 4.62 2.09 0.0024 0.0129 1.7800 0.0007 4.01 2.04 0.0115 0.0204 0.0433 0.0006 0.012 4.17 Fe-Al alloys 2.02 0.0009 0.0194 0.0270 0.0008 0.140 3.75 1.96 0.0006 0.0193 0.0202 0.0005 0.370 3.44 2.08 0.0133 0.0203 0.0460 0.0014 0.030 0.83 2.16 0.0086 0.0202 0.0204 0.0009 0.150 1.84 Fe-Si alloys 2.27 0.0057 0.0249 0.0288 0.0010 0.380 0.32 2.27 0.0038 0.0399 0.0175 0.0010 0.870 0.11 表31873K活度相互作用系数e (M:C,AL,Si)合金中，C、Al、Si均会延缓氮的溶 Table 3 Activity interaction coefficient ef in liquid iron alloys at 1873 K 解，降低反应速率常数.其中C的影响最小，S的 影响最大.在1873K,氮气分压为一级反应时，氨 0 C N Si 气溶解于纯铁液的表观反应速率常数k=4.8× 0-0.2 -0.133 -0.45 0.057 -3.9 -0.131 10molm2sPa.氮溶解过程中，氧、硫、碳、铝、硅 -0.27 -0.028 0.11 0.01 0.035 0.063 表面活性元素在铁表面的吸附系数分别为K。= C -0.34 0.046 0.14 0.11 0.043 0.08 0.96,Ks=9.32,Kc=0.02,Ka-0.51,Ks=1.16,用离解 0.05 0.007 0.13 0 -0.028 0.047 速率测定模型表示为： A1-6.6 0.03 0.091 -0.058 0.045 0.0056 4.8×10-6 ka= Si-0.23 0.056 0.18 0.09 0.058 0.11 (1+0.96a0+9.32as+0.02ac+0.51aA1+1.16asi)2 (mol-m-2.s.Pa). 1.16.对于纯铁中氮溶解的表观速率常数k=4.8× 10 mol-m2s Pa. 部 考文献 4.8×10-6 k=a+0.96a0+9,32s+0.02ac+0.51aA1+1.l6asy [1]Hamada J.Inoue H.Effect of nitrogen on planar anisotropy of the r-value and texture in lean duplex stainless steel sheets./S//Int, (mol-m-2.s.Pa) 2019.59(5):935 (10) [2]Ogawa K,Seki A.Modeling of effects of temperature and alloying 3结论 elements on austenite phase growth rate in duplex stainless steel. SJ1m,2019,59(9):1614 实验利用同位素气体交换技术，测量计算了 [3] Gu J B,Liu H Q,Li J Y,et al.Effect of nitrogen on microstructure 在1873K下，Fe-M(M:C,Al,Si)合金的氮溶解 and secondary hardening of H21 die steel.JIron Steel Res Int, 2019,26(5:483 表观速率常数.在本实验条件下，流量控制在 [4] Xu H F,Wu G L,Li J,et al.Microstructure,hardness and contact 600~800 nLmin的范围内，可以忽略气相传质 fatigue properties of X30N high nitrogen stainless bearing steel.J 对氨溶解的速率常数的影响，提高保护气中H2的 Iron Steel Res Int,2018,25(9):954 比例可以有效的减少钢液中的杂质元素.在Fe-M [5]Zhang B L,Chen G,Sun Y Q,et al.Effect of content on the hot1.16. 对于纯铁中氮溶解的表观速率常数 ka=4.8× 10−6 mol·m−2·s·Pa. ka = 4.8×10−6 (1+0.96aO +9.32aS +0.02aC+0.51aAl +1.16aSi) 2 ( mol·m −2 ·s·Pa) （10） 3    结论 实验利用同位素气体交换技术，测量计算了 在 1873 K 下 ，Fe−M (M∶C, Al, Si) 合金的氮溶解 表观速率常数. 在本实验条件下 ，流量控制在 600～800 mL·min−1 的范围内，可以忽略气相传质 对氮溶解的速率常数的影响，提高保护气中 H2 的 比例可以有效的减少钢液中的杂质元素. 在 Fe−M (M∶C, Al, Si) 合金中，C、Al、Si 均会延缓氮的溶 解，降低反应速率常数. 其中 C 的影响最小，Si 的 影响最大. 在 1873 K，氮气分压为一级反应时，氮 气溶解于纯铁液的表观反应速率常 数 ka=4.8× 10−6 mol·m−2·s·Pa. 氮溶解过程中，氧、硫、碳、铝、硅 表面活性元素在铁表面的吸附系数分别为 KO= 0.96，KS=9.32，KC=0.02，KAl=0.51，KSi=1.16，用离解 速率测定模型表示为： ka = 4.8×10−6 (1+0.96aO +9.32aS +0.02aC+0.51aAl +1.16aSi) 2 ( mol·m−2 ·s·Pa) . 参    考    文    献 Hamada J, Inoue H. Effect of nitrogen on planar anisotropy of the r-value  and  texture  in  lean  duplex  stainless  steel  sheets. ISIJ Int, 2019, 59（5）: 935 [1] Ogawa K, Seki A. Modeling of effects of temperature and alloying elements on austenite phase growth rate in duplex stainless steel. ISIJ Int, 2019, 59（9）: 1614 [2] Gu J B, Liu H Q, Li J Y, et al. Effect of nitrogen on microstructure and  secondary  hardening  of  H21  die  steel. J Iron Steel Res Int, 2019, 26（5）: 483 [3] Xu H F, Wu G L, Li J, et al. Microstructure, hardness and contact fatigue properties of X30N high nitrogen stainless bearing steel. J Iron Steel Res Int, 2018, 25（9）: 954 [4] [5] Zhang B L, Chen G, Sun Y Q, et al. Effect of content on the hot 表 2  Fe−M(M:C, Al, Si) 样品成分及速率常数计算结果 Table 2 Fe−M(M:C, Al, Si)sample composition and calculated results of the rate constant Experiments Reaction area/ (10−4 m 2 ) Sample element compositions/% Apparent rate constants/ (10−6mol·m−2·s·Pa) A O N C S Al or Si ka Fe−C alloys 1.94 0.039 0.021 0.006 0.0005 — 3.01 1.96 0.0694 0.0202 0.0354 0.0010 — 7.09 2.16 0.0006 0.0204 0.0360 0.0006 — 3.55 1.86 0.0286 0.0197 0.0545 0.0011 — 8.29 2.30 0.0017 0.0196 0.2300 0.0007 — 4.85 2.11 0.0361 0.0184 0.8000 0.0010 — 4.62 2.09 0.0024 0.0129 1.7800 0.0007 — 4.01 Fe−Al alloys 2.04 0.0115 0.0204 0.0433 0.0006 0.012 4.17 2.02 0.0009 0.0194 0.0270 0.0008 0.140 3.75 1.96 0.0006 0.0193 0.0202 0.0005 0.370 3.44 Fe−Si alloys 2.08 0.0133 0.0203 0.0460 0.0014 0.030 0.83 2.16 0.0086 0.0202 0.0204 0.0009 0.150 1.84 2.27 0.0057 0.0249 0.0288 0.0010 0.380 0.32 2.27 0.0038 0.0399 0.0175 0.0010 0.870 0.11 表 3    1873 K 活度相互作用系数 ei j Table 3    Activity interaction coefficient ei j in liquid iron alloys at 1873 K i j O S C N Al Si O −0.2 −0.133 −0.45 0.057 −3.9 −0.131 S −0.27 −0.028 0.11 0.01 0.035 0.063 C −0.34 0.046 0.14 0.11 0.043 0.08 N 0.05 0.007 0.13 0 −0.028 0.047 Al −6.6 0.03 0.091 −0.058 0.045 0.0056 Si −0.23 0.056 0.18 0.09 0.058 0.11 范越文等： 碳铝硅在铁液中对氮溶解速率的影响 · 37 ·