.68. 北京科技大学学报 2009年增刊1 f[%N] 在一定的温度下，K、是不变的，这时钢中氨的 (2) 溶解度取决于气相中氨分压和钢液中氮的活度系 数，随着气相中氨分压增加，钢液中氨的溶解度也 式中，f、为氮的活度系数：[%N]为钢液中氮的溶 增加；当氨分压一定时，钢液中氨的溶解度与其活度 解度：P心，为氨分压：p°为标准大气压， 系数有关，氮的活度系数的大小取决于钢液中氨与 101.325kPa·两边取对数，得 其他元素之间的相互作用系数的大小 氮的活度系数f、可表示为[]： Ig[%N]=lg Kx+lg Px./p-lgfN (3) f-e[%N+空c[%1+空[购 对于平衡常数K、,不同研究者测定值有所区 别，本文采用Pehlke测定值可： (5) gKv=-1883-1.2 1873K时不锈钢熔体中常见元素对氨的相互 T (4) 作用系数见表1[6]， 表11873K时不锈钢熔体中常见元素对氮的相互作用系数 元素 Si Mn Cr 少 Mo 0 0.130 0.118 0.043 -0.024 -0.048 0.011 -0.013 0.0480.007 -0.12 3.2×10-5 3.5X10-4 3.5×10-57.9×10-5 其他温度下氦的活度系数f广.r可由Chipmant) 2不同吹氮工艺对钢液氮溶解度的影响 所给的计算公式求出： f,20-0.7对f (6) 2.1实验装置和方法 实验选用进行真空改造后的硅钼棒炉，真空度 其中，j为钢液中其他元素，如镍、碳、铬等；[%]是 可达1kPa,加温温度可达1650℃，可做真空和非真 其他元素在钢液中的含量（质量分数）；©表示元素 空条件下吹氨实验，用可控硅调压器控制输入功率 j对氮元素的一级相互作用系数；、表示元素j对 控制炉温，用双铂铑热电偶测温。实验装置图1所 氮元素的二级相互作用系数， 示.吹氨管用内径3mm的刚玉管，装料用氧化铝 由于不锈钢316L中[%s]、[%P]、[%0]很 坩埚，取样用内径5mm的石英管，用转子流量计 低，且⑧、品、ペ的绝对值不大，对fN的影响不超 控制气体流量，实验用氮气的纯度为99.999%，氩 过1%，故在计算时可忽略不计.将表1中、 气的纯度为99.99%.实验样品中的氨含量采用热 代入式(5)后代入式(6)，再将式(4)、(6)代入式(3) 导法NACIS/CH007:2005,实验钢种为316L,化学 得到氨溶解度热力学计算模型： 成分为表2中的成品成分，实验步骤为：在真空条 4[6N]=-183-1.2+1gNp/p- 件下电阻炉加热升温，当控制温度达到实验要求后， 打开底吹氩气，调节流量使真空度达到实验要求；待 3280-0.7丙(0.130[%N]+0.18r%c]+ 缓冲瓶 ,密封瓶 T 液体石蜡 0.043[%Si]-0.024[%Mn]-0.048[%Cr]+ 直空系 真空表 0.011[%Ni]-0.013[%Mo]+3.2× 10-5[%Mn]2+3.5×10-4[%Cr]2+ 电阻炉 3.5×10-5[%Ni]2+7.9×10-5[%Mo]2)(7) 一石墨坩埚 氧化铝坩埚 从热力学计算模型公式可见，氮在不锈钢中的 不锈钢熔体 溶解度与钢液温度、氨分压和钢液的化学成分有很 填充材料 大关系：随着温度的降低，氮的溶解度升高；Mn、 法兰 Mo、Cr等元素含量增加可使氮溶解度增加，C、Si、 炉内保护气体 测温热电偶 Nⅵ等元素含量增加可降低氨的溶解度；随着氨分压 的升高，氮的溶解度增大， 图1实验装置图K N＝ f N ［％N］ p N2 p ○— 1 2 （2） 式中‚f N 为氮的活度系数；［％N ］为钢液中氮的溶 解 度； pN2 为 氮 分 压； p ○— 为 标 准 大 气 压‚ 101∙325kPa．两边取对数‚得 lg［％N］＝lg K N＋lg p N2／p ○— －lg f N （3） 对于平衡常数 K N‚不同研究者测定值有所区 别‚本文采用 Pehlke 测定值［5］： lg K N＝－ 188∙3 T －1∙2 （4） 在一定的温度下‚K N 是不变的‚这时钢中氮的 溶解度取决于气相中氮分压和钢液中氮的活度系 数．随着气相中氮分压增加‚钢液中氮的溶解度也 增加；当氮分压一定时‚钢液中氮的溶解度与其活度 系数有关‚氮的活度系数的大小取决于钢液中氮与 其他元素之间的相互作用系数的大小． 氮的活度系数 f N 可表示为［6］： lg f N＝e N N ［％N］＋ ∑ n i＝1 e j N ［％j］＋ ∑ n i＝1 r j N ［％j］ 2 （5） 1873K 时不锈钢熔体中常见元素对氮的相互 作用系数见表1［6］． 表1 1873K 时不锈钢熔体中常见元素对氮的相互作用系数 元素 N C Si Mn Cr Ni Mo P S O e j N 0∙130 0∙118 0∙043 －0∙024 －0∙048 0∙011 －0∙013 0∙048 0∙007 －0∙12 r j N — — — 3∙2×10－5 3∙5×10－4 3∙5×10－5 7∙9×10－5 — — — 其他温度下氮的活度系数 f N‚T可由Chipman ［7］ 所给的计算公式求出： lg f N‚T＝ 3280 T －0∙75 lg f N （6） 其中‚j 为钢液中其他元素‚如镍、碳、铬等；［％j］是 其他元素在钢液中的含量（质量分数）；e i N 表示元素 j 对氮元素的一级相互作用系数；r i N 表示元素 j 对 氮元素的二级相互作用系数． 由于不锈钢316L 中 ［％S ］、［％P ］、［％O ］ 很 低‚且 e S N、e P N、e O N 的绝对值不大‚对 f N 的影响不超 过1％‚故在计算时可忽略不计．将表1中 e i N、r i N 代入式（5）后代入式（6）‚再将式（4）、（6）代入式（3） 得到氮溶解度热力学计算模型： lg［％N］＝－ 188∙3 T －1∙2＋lg p N2／p ○— － 3280 T －0∙75 （0∙130［％N］＋0∙118［％C］＋ 0∙043［％Si］－0∙024［％Mn］－0∙048［％Cr］＋ 0∙011［％Ni］－0∙013［％Mo ］＋3∙2× 10－5［％Mn］ 2＋3∙5×10－4［％Cr］ 2＋ 3∙5×10－5［％Ni］ 2＋7∙9×10－5［％Mo ］ 2） （7） 从热力学计算模型公式可见‚氮在不锈钢中的 溶解度与钢液温度、氮分压和钢液的化学成分有很 大关系：随着温度的降低‚氮的溶解度升高；Mn、 Mo、Cr 等元素含量增加可使氮溶解度增加‚C、Si、 Ni 等元素含量增加可降低氮的溶解度；随着氮分压 的升高‚氮的溶解度增大． 2 不同吹氮工艺对钢液氮溶解度的影响 图1 实验装置图 2∙1 实验装置和方法 实验选用进行真空改造后的硅钼棒炉‚真空度 可达1kPa‚加温温度可达1650℃‚可做真空和非真 空条件下吹氮实验．用可控硅调压器控制输入功率 控制炉温‚用双铂铑热电偶测温．实验装置图1所 示．吹氮管用内径 ●3mm 的刚玉管‚装料用氧化铝 坩埚‚取样用内径 ●5mm 的石英管‚用转子流量计 控制气体流量．实验用氮气的纯度为99∙999％‚氩 气的纯度为99∙99％．实验样品中的氮含量采用热 导法 NACIS／CH007：2005‚实验钢种为316L．化学 成分为表2中的成品成分．实验步骤为：在真空条 件下电阻炉加热升温‚当控制温度达到实验要求后‚ 打开底吹氩气‚调节流量使真空度达到实验要求；待 ·68· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1