氮在不锈钢熔体中溶解行为的研究

摘要

近年来，不锈钢中氮的作用越来越为人们所重视，原因之一是以氮代镍可以大大降低不锈钢的生产成本。虽然含氮不锈钢的研究工作发展很快，但仍然缺乏气相渗氮过程中氮溶解度的测定方法和数据，为此本文拟采用气相渗氮方法研究氮在不锈钢熔体中的溶解行为。 本文首先通过热力学计算，建立了含氮不锈钢中氮溶解度与温度、氮分压和化学成分之间关系的热力学模型。热力学分析和计算表明，氮在不锈钢熔体中的溶解度主要取决于温度、气相氮的分压和钢液成分。温度升高，氮的溶解度下降；氮分压增大，氮的溶解度增加。通过对渗氮和脱氮速度的动力学分析，提出钢液氮含量的控制模型，应用该模型既能达到节省氩气、降低操作成本的目的，又能使钢中氮含量符合质量要求。 在经典的间接法测定氮溶解度方法的基础上，我们在实验中重新设计了气路控制、配制计量系统和渗氮方式。实验以奥氏体不锈钢304，316L，316，304L和201为研究对象，以气体氮为氮源，测定了在不同温度和氮分压下氮在上述5种不锈钢熔体中的溶解度数据。 实验结果表明，氮分压越大氮溶解度越大，温度越高氮溶解度越小。实测值与理论计算结果基本相吻合，实验测的氮溶解度值与计算值相差很小，平均在0.01％～0.03％之间。304，316L，316不锈钢在相同温度下，溶解度基本接近，例如，在1550℃下渗氮值均在0.20％～0.22％之间。同时在实验条件下，对不同牌号的不锈钢熔体而言，不同温度和不同氮分压下，其氮饱和的时间约为15～20min。可见渗氮速度很快。 根据实验数据结合动力学理论，我们建立了各钢种不锈钢同温度和氮分压下的吸氮和吹氩脱氮的动力学方程。该方程可为冶炼普通奥氏体不锈钢氮含量控制在上限0.05％～0.08％以节约Ni的生产工艺提供技术保证，并为不锈钢气相渗氮和脱氮提供理论依据。 通过对氮溶解特性中氮的溶解度和影响氮溶解度的因素进行研究与讨论，可知氮的溶解度还与钢液成分有关，原因最终归结为氮的溶解度受钢中合金元素对氮的交互作用系数的大小的影响，合金元素含量对氮溶解度的影响也为实际生产提供了重要的参考数据。 此外本文应用热力学模型，借助简单的VB程序，针对典型的20余种含氮不锈钢对其氮的溶解度进行预测，并以Fe-i二元系为基，我们计算和分析了不同合金元素含量对纯铁液氮溶解度的影响，结果可为高氮钢及特殊钢的实际生产提供参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1含氮不锈钢的发展

1.2不锈钢熔体渗氮合金化方法——气体氮渗氮工艺方法

1.3氮在不锈钢中的作用

1.3.1氮在不锈钢中的有害作用

1.3.2氮在不锈钢中的有益作用

1.3.3氮对不锈钢综合性能的影响

1.3.4氮对不锈钢组织结构的影响

1.3.5氮对不锈钢力学性能的影响

1.3.6氮对不锈钢耐腐蚀性能的影响

1.4本研究的目的和主要内容

第二章文献综述

2.1纯铁液中氮溶解度的测定方法

2.1.1直接法(Sieverts法)

2.1.2间接法(Sampling法)

2.2热力学计算研究

2.2.1氮在气—液两相中的平衡

2.2.2其它活度系数参考值

2.2.3纯铁液中氮溶解度[％N]sat及其标准溶解自由能ΔGθ的推荐值

2.3吸氮和脱氮概述

2.3.1吸氮概述

2.3.2脱氮概述

2.4钢液吸氮和脱氮的动力学研究

第三章不锈钢吸氮的热力学和动力学

3.1不锈钢熔体渗氮过程的热力学分析

3.1.1不锈钢熔体渗氮过程热力学数学模型的导出

3.1.2应用热力学数学模型对氮含量的预测

3.2氮的迁移机理和速度

3.2.1钢液吸氮过程

3.2.2钢液脱氮过程

3.2.3氮迁移的总速度式

第四章不锈钢熔体气体渗氮和脱氮的实验研究

4.1实验方案

4.1.1本实验的主要内容

4.1.2实验的主要条件

4.1.3实验装置

4.1.4实验过程

4.2实验结果与讨论

4.2.1不锈钢熔体中氮溶解度测定结果

4.2.2 304不锈钢

4.2.3 316L不锈钢

4.2.4 316不锈钢

4.2.5 304L不锈钢

4.2.6 201不锈钢

4.3不锈钢化学组成对氮溶解度的影响

4.4不锈钢熔体渗氮的动力学特征的分析

4.5含氮不锈钢熔体吹氩脱氮动力学分析

4.5.1 304不锈钢熔体吹氩脱氮

4.5.2含氮316L不锈钢熔体吹氩脱氮

4.5.3含氮不锈钢熔体吹氩脱氮过程动力学分析

4.6重现性实验结果

4.7不锈钢熔体气体渗氮时氮饱和时间的确定

第五章典型含氮不锈钢氮含量的预报及讨论

5.1 1600℃下氮分压对不锈钢熔体氮溶解度的影响

5.1.1选取的典型钢种的化学成分

5.1.2不同钢种在1600℃不同氮分压下的氮溶解度

5.2温度对不锈钢氮溶解度的影响

5.3不同含量元素对Fe-i合金氮溶解度的影响

第六章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表论文

附录：渗氮实验N含量分析结果