.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 N‚T＝ 3280 T —0∙75 ∑ e j N ［％ j ］＋ γ Cr N ［％Cr］ 2＋γ Mn N ［％Mn］ 2 （1） 式中‚f N‚T 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