高氮钢凝固过程中氮的偏析和析出行为研究

摘要

高氮钢是近年来随着冶金科技的进步而出现的一种新型工程材料。高氮钢具有优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能,因而受到国内外的广泛重视。对于高氮不锈钢的熔炼工艺而言,除了保证氮进入不锈钢熔体外,还必须保证氮在其凝固过程中固溶在合金体系中,避免偏析和形成气孔。氮含量较高的不锈钢在凝固过程中容易发生氮的偏析和析出,导致产品出现气孔而报废,已经成为影响高氮钢产业化进程的严重制约因素,因而对于高氮钢凝固过程中偏析和析出行为的理论研究具有十分重要的现实意义。
　　 东北大学电冶金实验室在真空感应炉内冶炼的高氮钢的N含量已经能够达到1.0以上,但是冶炼出的钢锭往往偏析和析出现象严重,有较多的气孔产生,需要经过电渣重熔工艺才能得到合格的钢锭,这样大大提高了成本,而且生产周期变长,不利于高氮钢的产业化,为此电冶金实验室开发了加压感应炉和加压电渣炉等加压冶金设备来生产高氮钢,但生产工艺还处于摸索阶段,需要完备成熟的理论体系进行支撑。
　　 本课题利用Pro Engineer软件和PROCAST软件作为工具,分别对20千克小钢锭和1.7吨大钢锭进行了浇注过程和凝固过程的模拟,得到了流场、温度场、压力场等的动态变化过程。凝固数值模拟技术利用计算机技术能够可视化的显示铸造全过程,对凝固缺陷,凝固时间,缺陷位置等进行估测,能够利用计算机进行预牛产,避免工艺设计的盲目性,缩短新工艺的设计周期和设计成本,提高新产品开发效率。结合PROCAST数值模拟结果,分析了浇注温度、凝固压强、凝固速度因素对凝固过程的影响。
　　 通过分析凝固过程中偏析的因为和液态金属对流产生的因为,讨论了合金成分、氮含量、氮分压以及凝固条件等因素对氮偏析的影响规律。根据枝晶间液态金属流动时的质量守恒和溶质守恒,使用区域宏观偏析预测数学模型()g1/()C1=-(1-K/1-β)(1+v()T/ε)g1/C1对加压感应炉冶炼的20千克小钢锭和文献中报道的1.7吨大钢锭宏观偏析程度进行了预测,预测结果显示20千克小钢锭几乎没有宏观偏析,1.7吨大钢锭宏观偏析现象明显,这与实验检测结果一致。
　　 通过分析钢液吸氮,析氮的过程和影响因素,得到了气泡形成和长大的条件,并结合氮在液相和固相中的溶解度公式,建立了高氮钢中氮析出的控制方程,通过MATLAB数值运算程序,计算得到高氮钢凝固过程中防止气泡析出所需的最小凝固压强。冶炼实验表明在加压感应炉内冶炼高氮钢时,由于凝固压强高于最小凝固压强,冶炼出的钢锭没有气泡析出；而在真空感应炉内冶炼高氮钢时,由于凝固压强低于最小凝固压强,X射线探伤结果表明钢锭有大量气泡析出。
　　 通过本课题的研究,使计算机模拟浇注和凝固过程中温度场、压力场、速度场的动态变化过程成为可能,为分析偏析、气体析出等提供了基础；提出并验证了能够准确预测钢锭宏观偏析的方法,为优化工艺提供了条件；提出并验证了冶炼高氮钢时的最小凝固压强的计算方法,能够为设计冶炼和凝固工艺提供理论依据。