（钢铁冶金专业论文）奥氏体不锈钢熔体氮溶解行为的研究.pdf

冀 岛 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u n i t r o g e ns o l u t i o nb e h a v i o r i na u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lm e l t s b y y i ns h i y o u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gz h o u h u a p r e l e c t o rl iy a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 i 丛 l l 髓一v 、 、吐 东北大学硕士学位论文独创性声明。学位论文版权使用授权书 独创性! 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思。 学位论文作者签名： 歹也友 日期：2 矽口孑2 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： r ：+ 。 l r r 博 重要的现实意义。 本课题研究的目标是运用冶金热力学、动力学的理论和研究方法，结合某钢厂奥氏 体不锈钢不同品种氮含量的控制要求( n 为0 0 2 - 0 1 范围内) 和冶炼工艺路线，研 究氮在奥氏体不锈钢的溶解行为。采用平衡反应的热力学方法确定典型奥氏体不锈钢钢 水中氮的溶解度计算公式。根据实验室模拟试验、半工业试验，采用冶金动力学分析实 际a o d 炉和l t s 冶炼奥氏体不锈钢过程各阶段渗氮和脱氮的基本规律及其影响因素， 建立了各阶段氮含量的计算方法和相应离线计算软件，以满足生产实际的氮含量的控制 精度要求。 本课题通过钢液氮的溶解行为的研究，建立了钢水中氮的溶解度计算模型、建立了 a o d 工位的渗氮和脱氮模型、l t s 工位的渗氮模型，用v b 编写了该模型的应用界面， 并进行部分结果的现场数据验证。 在实验室条件下，研究了奥氏体不锈钢中采用顶吹氮气条件下，不同温度和氮分压 下氮的溶解行为。实验发现，对于奥氏体不锈钢，存在p n 越大其氮的溶解度越大，而 温度越高其氮的溶解度则越小的特点。在实验室实验基础上，建立了奥氏体不锈钢中氮 溶解度的热力学计算模型，通过与实验数据对比发现其精确度均较高。 在实验室实验基础上采用联合控制理论，建立了奥氏体不锈钢中渗氮动力学计算方 法，通过与实际数据对比发现，该计算方法与实际数据吻合较好，计算绝对误差均小 于0 0 1 ，相对误差小于1 0 ；建立了奥氏体不锈钢中脱氮动力学计算方法，通过与 实际数据对比发现，该计算方法与实际数据吻合较好，绝对误差基本小于0 0 1 ，相 对误差小于1 5 。 在某钢厂的实验工场进行了半工业试验，发现对于不锈钢母液，存在碳含量越高， 其氮的溶解度越小。建立了奥氏体不锈钢中氮溶解度的热力学计算模型，与试验数据对 比发现，其计算绝对误差小于0 0 0 4 ，精确度较高。以半工业试验为基础上采用联合 控制理论，建立了奥氏体不锈钢中渗氮动力学计算方法，通过与实际数据对比发现，剔 除个别错误数据后，该计算方法与实际数据吻合较好，计算绝对误差小于0 0 1 。以 半工业试验为基础上采用联合控制理论，建立了奥氏体不锈钢中脱氮动力学计算方法， i i 东北大学硕士学位论文摘要 通过与实际数据对比发现，该计算方法与实际数据吻合较好，绝埘误差基本小于 0 0 0 2 。 针对奥氏体不锈钢，采用界面反应控制删论建立了a o d 工位的渗氮模型，采用联 合控制理论建立了a o d 工位的脱氮模型。牛产考核结果表明，在全部7 2 数据中，脱 硫期氮含量计算值与实测值之问的绝埘误差在1 0 0 1 0 4 计1 0 0 1 0 4 的炉数为7 0 炉，命中率为9 7 2 。采用联合控制理论建立了l t s 工位的渗氮模型。牛产考核结果表 明，从l t s 工位现有的3 1 6 l 、3 0 4 l 、3 0 4 、3 0 l s 和0 0 c r l 9 n i l 0 等5 个钢种的8 8 炉数 据来看，氮含量计算值与实测值之j 、日j 的绝对误差在6 0 1 0 4 + 6 0 1 0 4 的炉数为8 4 炉，命中琦墨为9 5 5 ，完全能够用来指导现场实际牛产。 为更方便现场工程师和操作人员进行现场大牛产条件下的实时计算，用v b 编写了 该模趔的应用界面及使用说明f ；，安装在现场各工位的l 3 计算机上，通过输入实际生 产数据，可以实现现场数据的同步预测。 关键词：奥氏体不锈钢；氮溶解行为：热力学计算；动力学计算；数学模型 1，、，ji0-t l ， 甜 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n i t r o g e ns o l u t i o nb e h a v i o ri na u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lm e l t s a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s es t a i n l e s ss t e e li n d u s t r y , c h i n ah a s b e c o m et h eb i g g e s ts t a i n l e s ss t e e lc o n s u m p t i o nc o u n t r yi nt h ew o r l d a o di st h em a j o r r e f i n i n ge q u i p m e n tt op r o d u c es t a i n l e s ss t e e lb ym i x i n gb l o w i n go fa r g o na n do x y g e nw h i c h l e a d sh i g h e rc o s t sf o rt h ec o n s u m p t i o no fal o to fa r g o n ，w h i l et h ec o s t sw i l lb ed e c r e a s e d r e m a r k a b l eb yu s i n gn i t r o g e ni n s t e a do fa r g o nd u r i n gr e f i n i n ga n dn i t r o g e na l l o y i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt or e s e a c hn i t r o g e nb e h e v o r si ns m e l t i n gp r o c e s so fs t a i nl e s ss t e e l a n dt h ei n f l u e n c e so fo t h e re l e m e n t st ot h es p e e do fn i t r i d i n ga n dd e n i t r i d i n gi ns t e e lm e l t s f u r t h e rm o r e ，t od e v e l o pt h et e c h n o l o g yo fc o n t r o ln i t r o g e nc o n t e n ti ns m e l t i n gp r o c e s so f s t a i n l e s ss t e e l ，a n da l lo f t h ea b o v er e s e a r c h e sh a v ei m p o r t a n ts o c i a ls i g n i f i c a n c e c o m b i n i n gn i t r o g e nc o n t e n ts t a n d a r d s ( o 0 2 0 1 ) a n ds m e l t i n gp r o c e s so fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e li nap l a n t ，n i t r o g e nb e h e v o r sw e r er e s e a c h e db yu s i n gt h e o r i e sa n dr e s e a r c h m e t h o d so fm e t a l l u r g i c a lt h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ao fn i t r o g e n s o l u b i l i t yi ns t a i n l e s ss t e e lm e l t sw e r ee s t a b l i s h e du s i n gt h e r m o d y n a m i cm e t h o db a s e do nt h e e q u i l i b r i u mr e a c t i o n a c c o r d i n gt ot h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n ds e m i i n d u s t r i a lt e s t s ，t h e r u l e sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fn i t r i d i n ga n dd e n i t r i d i n gw e r ea n a l y s e db ym e t a l l u r g i c a l k i n e t i ci n s m e l t i n gp r o c e s so fa o da n dl t s t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n do f f - l i n e c a l c u l a t i o ns o f t w a r ew e r ee s t a b l i s h e di ne a c hr e f i n i n gp r o c e s s ，w h i c hc a nn e e dt h ed e m a n do f c o n t r o lp r e c i s i o ni nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b a s e do nt h er e s e a c ho fn i t r o g e nb e h e v o r si ns t a i n l e s ss t e e lm e l t s ，t h em o d e l sf o r n i t r o g e ns o l u b i l i t y , n i t r i d i n ga n dd e n i t r i d i n go fa o d ，n i t r i d i n go fl t sw e r ee s t a b l i s h e d t h e w i n d o w so fm o d e l sw e r ea l s oe s t a b l i s h e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，m o r e o v e r ，t h em o d e l sw e r e p r o v e db yp a r to fi n d u s t r i a ld a t a n i t r i d i n gb e h a v i o r s i nt h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lm e l t sw e r er e s e a r c h e di nt h e l a b o r a t o r yb yb u b b l i n gn i t r o g e ng a su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp a r t i a lp r e s s u r eo f n i t r o g e n u n d e rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h en i t r o g e ns o l u b i l i t yi na u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e li n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fn i t r o g e np r e s s u r ea n dt h ed e c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，n i t r o g e ns o l u b i l i t yi ns t a i n l e s ss t e e lm e l t s w a sc a l c u l a t e db yt h e r m o d y n a m i cm o d e l c o n t r a s t e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h e s t a i nl e s ss t e e lm e l t s ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n t sw i t ht h em e a s u r e d v a l u e s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fn i t r i d i n gw e r ee s t a b l i s h e d b yc o m b i n a t i o nc o n t r o it h e o r yi nt h es t a i n l e s ss t e e lm e l t s c o n t r a s t e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n t sw i t ht h em e a s u r e dv a l u e s t h e a b s o l u t ee r r o ri sl e s st h a n0 0l a n dt h er e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a nl0 t h ec a l c u l a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t h o d so fd e n i t r i d i n gw e r ea l s oe s t a b l i s h e db yc o m b i n a t i o nc o n t r o lt h e o r yi nt h es t a i n l e s s s t e e im e l t s c o n t r a s t e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ed e n i t r i d i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r e a l s oi ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u e s t h ea b s o l u t ee r r o ri sl e s st h a n0 01 a n d t h er e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a nl5 b a s e do nt h es e m i i n d u s t r i a lt e s tr e s u l t si nap l a n t n i t r o g e ns o l u b i l i t yi ns t a i n l e s ss t e e l m e l t sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fc a r b o nc o n t e n t s t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fn i t r o g e n s o l u b i l i t yw a sa l s oe s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n t sw i t ht h et e s t r e s u l t s t h ea b s o l u t ee r r o ri si e s st h a n0 0 0 4 b a s e do nt h es e m i i n d u s t r i a lt e s tr e s u l t s t h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so fn i t r i d i n gw e r ee s t a b l i s h e db yc o m b i n a t i o nc o n t r o lt h e o r yi nt h e s t a i n l e s ss t e e lm e l t s t h en i t r i d i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n t sw i t ht h et e s t r e s u l t sa f t e rd e l e t e ds o m ee r r o rd a t a t h ea b s o l u t ee r r o ri sl e s st h a n0 01 t h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so fd e n i t r i d i n gw e r ea ls oe s t a b li s h e db yc o m b i n a t i o nc o n t r o lt h e o r yc o n t r a s t e dw i t h t h et e s tr e s ul t s t h ed e n i t r i d i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ea l s oi ng o o da g r e e m e n t sw i t ht h et e s t r e s u l t s t h ea b s o l u t ee r r o ri sl e s st h a n0 0 0 2 b a s e do nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l t h em o d e lf o rn i t r i d i n go f a o dw a se s t a b l i s h e db yi n t e r f a c er e a c t i o nc o n t r o lt h e o r ya n dt h em o d e lf o rd i s n i t r i d i n go f a o dw a se s t a b l i s h e db yc o m b i n a t i o nc o n t r o lt h e o r y t h ed a t ao f7 5h e a t sw e r ep r o v e db yt h e m o d e l 。t h en u m b e ro fh e a t si s7 0h e a t sw h i c ht h ea b s o l u t ee r r o rb e t w e e nt e s tr e s u l ta n d c a l c u l a t i n gv a l u e sf r o mn e g a t i v e0 0 1 t o0 0 1 a n dt h ev e r a c i t yr a t ei s9 7 2 b a s e do nt h ei n d u s t r i a ip r o d u c t i o no fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l t h em o d e lf o rn i t r i d i n go f l t sw a se s t a b l i s h e db yc o m b i n a t i o ne o n t r o it h e o r y t h ed a t ao f8 8h e a t so f3l6 l ，3 0 4 l ，3 0 4 ， 3 0isa n d0 0 0 rl9 n i10s t a i n l e s ss t e e lw e r ep r o v e db yt h em o d e l t h en u m b e ro fh e a t si s8 4 h e a t sw h i c ht h ea b s o l u t ee r r o l b e t w e e nt e s tr e s u l ta n dc a l c u l a t i n gv a l u e sf r o mn e g a t i v e 0 0 0 6 t 0o 0 0 6 a n dt h ev e r a c i t yr a t ei s9 5 5 s ot h em o d e lf o rn i t r i d i n go fu r sc a nb e u s e dt og u i d et h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l i no r d e rt om a k et h eo p e r a t i o nf o re n g i n e e r sa n do p e r a t e re a s i l y , t h ew i n d o w so fm o d e l s w e r ee s t a b l i s h e db yv i s u a lb a s i c6 0 a n dt h eo p e r a t i n gi n s t r u c t i o nm a n h a lw a so f f e r e d t h e m o d e l sh a v eb e e nf i x e do nt h ec o m p u t e r so fl 3l e v e l t h em o d e l sc a np r e d i c t e dt h en i t r o g e n c o n t e n ts y n c h r o n o u s l yb yi n p u t i n gi n d u s t r i a ld a t ao fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；n i t r o g e nb e h e v o r s ；t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ； k i n e t i cc a l c u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g v 中0；工1 1 2 课题的立题背景l 第2 章文献综述4 2 1 不锈钢中氮的控制技术在国内外的发展概况4 2 1 1 不锈钢控氮技术在国外的发展4 2 1 2 不锈钢控氮技术在国内的发展4 2 2 氮对不锈钢性能的影响”5 2 2 1 氮对不锈钢力学性能和机械性能的影响5 2 2 2 氮对不锈钢耐腐蚀性的影响6 2 2 3 氮对不锈钢组织结构的影响7 2 3 不锈钢液中氮的物理化学行为研究”8 2 3 1 氮在钢液中的溶解行为一8 2 3 2 钢液渗氮和脱氮的动力学11 2 3 3 国内外对含氮和控氮不锈钢的研究情况1 2 2 4 氮在液态铁中的溶解度的测定方法1 5 2 4 1s i e v e r t s 法( 直接法) l5 2 4 2s a m p l e d b a t h 法( 间接法) 17 2 4 3l e v i t a t i o n 法”18 2 5 文献评述l8 第3 章不锈钢液渗氮、脱氮热力学和动力学计算模型建立一1 9 3 1 钢液中氮的溶解度计算模型1 9 v i 东北大学硕士学位论丈 目 录 3 2 钢液渗氮和脱氮的汁算模型2 0 3 2 1 钢液渗氮过程计算模型2 0 3 2 2 钏液脱氮过程计算方法2 2 第4 章不锈钢液渗氮、脱氮的实验室研究2 4 4 1 实验方案2 4 4 1 1 实验目的2 4 4 1 2 实验用钢种及成分要求2 4 4 1 3 实验装置2 5 4 1 4 实验步骤2 6 4 2 实验结果与讨论2 6 4 2 1 不锈钢熔体中氮溶解度测定及热力学计算2 6 4 2 2 不锈钢熔体渗氮动力学计算模型参数的确定3 0 4 2 3 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法的实验验证3 2 4 2 4 不锈钢熔体脱氮动力学计算方法参数的确定3 6 4 2 5 不锈钢熔体脱氮动力学计算方法的实验验证3 7 4 3 本章小结4 0 第5 章不锈钢熔体渗氮、脱氮半工业试验研究4 2 5 1 试验方案4 2 5 1 1 试验目的4 2 5 i 2 试验条件及工艺路线4 2 5 1 3 熔炼工艺4 2 5 2 试验结果与讨论4 3 5 2 1 不锈钢熔体中氮溶解度测定及计算4 3 5 2 2 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法参数的选择4 3 5 2 3 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法的试验验证4 4 5 2 4 不锈钢熔体脱氮动力学特征的分析4 7 5 3 本章小结4 8 第6 章工业试验及控氮模型建立4 9 6 1 工业试验方案4 9 6 1 1 试验目的4 9 6 1 2 试验钢种4 9 v i i f、0j、， 6 5l t s 渗氮模型5 7 6 5 1l t s 不锈钢熔体吹氮动力学特征分析5 7 6 5 2l t s 渗氮模型参数调整及验证一5 9 6 6 本章小结6 0 第7 章模型的现场应用及结果分析6 l 7 1 氮含量精确控制计算软件的现场应用6 1 7 1 1 模型主窗体6 l 7 1 2a o d 渗氮过程氮含量预测计算窗体6l 7 1 3a o d 脱氮过程氮含量预测计算窗体6 3 7 1 4l t s 渗氮过程氮含量预测计算窗体6 3 7 1 5l t s 终点氮含量控制计算窗体6 6 7 1 6a o d 终点氮含量控制计算窗体6 6 7 1 7 氮在钢液溶解度计算窗体6 8 7 2 模型现场应用的计算结果与分析6 8 7 2 1a o d 渗氮模型验证6 8 7 2 2a o d 脱氮模型验证6 9 7 2 3l t s 渗氮模型验证6 9 7 3 本章小结7 2 第8 章结论7 3 参考文献7 5 致谢7 9 v i l l 东北大学硕士学位论丈目 录 作者简介8 0 攻读硕士期间发表论文81 论文包含图、表、公式及文献8 2 附录8 3 东北 1 1 锈钢”是指其抗腐蚀性能，可归因于在氧化的环境中，形成一层氧化铬表面膜，这层薄 膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点。不锈钢材料在宇航、原了能、海洋开发、 石油化工、汽车、建筑装潢、家用电器、厨房器皿等行业得到了广泛应用。 不锈钢基本上是一种含铬1 2 以上的低碳钢，依据合金元素和显微组织的不同，不 锈钢可分为：铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和双相不 锈钢。目前世界上不锈钢有三种冶炼方法【l 】，即一步法，二步法，三步法。一步法即是 电炉一步冶炼不锈钢；二步法是电炉+ v o d 或电炉+ a o d ；三步法是电炉+ 复吹转炉 a o d + v o d 。现在世界上8 8 不锈钢采用二步法生产，其中7 6 是通过a o d 炉生产， 二步法比较适合大型不锈钢专业j _ 使用。 氮是不锈钢重要的合金元素之一。根据氮在奥氏休不锈钢中的含量，可将含氮奥氏 体不锈钢分为控氮型( 氮含量0 0 5 - - 0 1 0 ) 、中氮型( 氮含量0 1 0 0 4 0 ) 和高氮 型( 氮含量在0 4 0 以上) 。氮对不锈钢性能的影响有着重要影响【2 3 】。氮在不锈钢的有 益作用有： ( 1 ) 氮是最有效的固溶强化元素。氮在奥氏体不锈钢中的有利作用主要是由固溶 在钢中的氮元素产生。 ( 2 ) 氮在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当于镍的2 5 倍左右。目前有些钢种 开始采用廉价的氮代替贵重的镍生产奥氏体不锈钢。 ( 3 ) 在热处理过程中氮化物粒子可以阻止了奥氏体的长大，还有利于钢的表面渗 碳、碳氮共渗，可以改善钢的表面性能。 ( 4 ) 氮可以明显提高不锈钢耐一般腐蚀、点蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀性能。 ( 5 ) 氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用：当焊接接头热影响区快 速冷却时，氮促进了高温下形成的铁素体转变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平 衡，提高了接头的耐蚀性；氮可以提高高氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与高铬、钼的铁 素体相取得平衡，提高了材料整体的耐孔蚀性能；氮能减轻铬、镍等元素在两相中分 布的差异，降低选择腐蚀的倾向性。 1 2 课题的立题背景 近年来我国不锈钢产业发展迅速，不锈钢的消耗速度正以每年2 5 以上的速度增 长，我国已经成为世界第一大不锈钢消费国，仅2 0 0 6 年镍的表观消费量就已经达到2 5 万吨以上，而2 0 0 6 年全国精镍的年生产能力约为1 0 5 万吨。我国作为一个镍资源比较 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 缺乏的i q 家，同内的镍资源已绛无法满足消费的需要。 a o d 作为目前乍产不锈钢的卡要精炼下段之。由y - a o d 炉采用a r 0 2 混吹，消 耗大量氩气，导致乍产成本较高。其中氲气费用要占a o d 法牛产彳锈钢成本的4 0 a 右。目前闻内外已研究出前期用粗氩( 9 8 a r 、2 n 2 ) 或氮气来代替纯氩进行精炼， 町大幅度地降低氩气消耗。f u 足，如何使精炼终点氮含量控制在要求的目标范围内是一 个复杂的问题。 a o d 炉冶炼含氮不锈钢氮合金化工艺丰要有两种：( 1 ) 用氮气进行合金化；( 2 ) 加入氮化合金进行合金化。后一种工艺在a o d 应用有成本高、氮含量不易控制的缺点。 而完全氮气合金化工艺的开发与应用同a o d 的可以灵活用气的冶金特性相一致，具有 牛产成本低、可以牛产高氮含量产品、氮含量容易控制的显著优点，但其难点是如何在 a o d 炉中精确控制氮含量。 综e 所述，无论是冶炼超低氮不锈钢、含氮不锈钢，还是从节约生产成本方面考虑， 研究不锈钢冶炼过程氮在钢液中的行为、各种操作条件和其它元素对钢液渗氮和脱氮速 度的影响，进而开发不锈钢钢液中氮的控制技术是非常必要的，也是目前不锈钢冶炼过 程前沿性的研究热点之一，这一课题的研究不仅很高的理论意义，而且具有十分重要的 现实意义。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研究的目标是运用冶金热力学、冶金动力学的理论和研究方法，结合某钢厂 奥氏体不锈钢不同品种氮含量的控制要求( n 为0 0 2 0 o 0 1 范围内) 和冶炼工艺路线， 在充分总结前人研究成果的基础上，采用平衡反应的热力学计算方法确定典型奥氏体不 锈钢各阶段钢水中氮的溶解度，采用实验室模拟试验、冶金动力学分析实际a o d 炉和 l t s 冶炼奥氏体不锈钢过程各阶段脱氮和渗氮的基本规律及其影响因素，并建立适合于 实际工艺条件下，冶炼过程各阶段氮含量的离线计算方法和相应计算软件，满足生产实 际的氮含量的控制精度要求。 具体研究内容如下： ( 1 ) 通过实验室模拟试验，研究3 0 4 、3 0 1 s 和3 0 1 l 等钢种的吹氮气过程的渗氮 反应、吹氩气脱氮反应，并对其进行热力学和动力学分析。 ( 2 ) 根据实验，确定典型钢种在不同温度下钢水中氮的溶解度计算。 ( 3 ) 针对控氮型奥氏体不锈钢( n = 0 0 2 0 1 0 ) ，开发a o d 精炼过程以氮代氩 精炼脱碳时钢液氮含量控制的工艺技术。通过对a o d 前期n 2 0 2 混吹不锈钢液渗氮规 律的研究以及后期吹氩脱氮过程的研究，提出钢液氮含量控制的工艺操作模式和相应的 终点氮含量计算方法，使之达到既能节省氩气、降低成本，又能满足钢中氮含量要求的 目的。 ( 4 ) 根据实验室试验模拟，开发v o d 工位的l t s 精炼过程的氮含量控制的工艺 操作模式和相应的终点氮含量计算方法。 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 ( 5 ) 针对彳i 同的含氮奥氏体不锈钢，综合上述各项研究结果，编制相应的终点氮 含量计算软件( 离线) 指导牛产，使成品氮含量满足产品的成分控制要求。 为了冶炼含氮不锈钢，以及从常约成本方面考虑，研究不锈钢冶炼过程中氮在钢液 中的行为、各种操作条件和其它元素对钢液渗氮和脱氮速度的影响，进而开发不锈钢钢 液中氮的控制技术均是非常必要的。本课题的研究不仅具有十分重要的实际意义，而且 具有很高的学术水平。 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 不锈钢中氮的控制技术在国内外的发展概况 2 1 1 不锈钢控氮技术在国外的发展 钢中的氮一直被认为是一种有害的杂质元素。1 9 1 2 年，a n d r e w s 4 1 首次对液态钢中 氮的溶解度进行的测定结果表明，大气压力下液态钢中氮的溶解度很低，溶解的氮会导 致钢材时效和脆化。对低碳钢来说，由于会析出f e 4 n ，导致时效和蓝脆等现象；氮含 量超过一定限度，易在钢中形成气泡和产牛组织疏松；与钢中的钛、铝等元素形成带棱 角的性脆夹杂物群等。但足，经长期研究发现，钢中的氮在一定的条件下，却是一种重 要的合金元素。在1 9 2 6 年，由于第一次世界大战导致镍的短缺，激发人们研究用氮取 代部分镍来稳定奥氏体。 氮作为合金化元素使用最早报道是在1 9 3 8 年，阻碍氮作为合金元素使用的主要因 素主要足氮的加入问题。在大气压强下，氮在钢中的溶解度低加入网难。2 0 世纪5 0 年 代末，由于人们对低镍高强度奥氏体不锈钢的需求，含氮钢的性能和生产技术的研究得 到了蓬勃发展。人们开始采用廉价的氮气代替价格昂贵的氮化合金来进行钢液渗氮，生 产的钢种也由单一的奥氏体不锈钢系列扩大到奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不 锈钢以及双相不锈钢等系列，并导致了a i s i2 0 0 系列的产生。在这一期间最成功的是 2 0 l 和2 0 2 型不锈钢。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，瑞典人a v e s t a 将氮引入到m o 钢中进行合金化，试制出了含 氮m o 钢s m o ( f e 2 0 c r l 8 n i 6 m o o 7 c u 0 2 n ) 。随后美国人a l l w g h e n yl u d l u m 也试制出 了含氮m o 钢6 x n c ( f e 2 0 c r 2 0 n i 6 3 m o 0 2 n ) 。 2 0 世纪8 0 9 0 年代，一批高c r 、m n 和m o 含量的高氮钢陆续被开发出来。例如， 为提高c r - n i 奥氏体不锈钢的耐局部腐蚀性能和抑制钢中金属间相的析出而开发了高 c r 、m o 及高氮含量的超级奥氏体不锈钢f e 2 4 c r 2 2 n i 7 3 m 0 3 m n 0 5 n 等；为减少贵重元 素镍的使用量而开发了节镍型的奥氏体不锈钢f e l 9 c r l 0 m n l n i 0 5 m o - 0 5 n 和 f e l8 c r l 8 m n l n i 4 m o 0 6 n 等以及无镍型的高氮f e c r m n 系奥氏体不锈钢，如 f e l 8 c r l 8 m n 一0 5 7 n 和f e l 6 c