高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中的應用

馬忠旭

摘要：隨著經濟的發展，我國高壓冶金技術呈現出了裹挾之勢，不僅整體技術得到了有效的升級，技術實際應用領域也逐漸擴展。文章首先對高氮鋼冶煉項目的背景進行了分析，并闡釋了高壓冶金數理模擬類型，以試驗為基礎著重分析了高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中的應用參數，旨在為技術人員提供有效的數據信息。

關鍵詞：高壓冶金技術；高氮鋼冶煉；應用參數；數值模擬類型；有色金屬冶金 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF142 文章編號：1009-2374（2016）31-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.023

我國工業近幾年的發展速度激增，其中應用比較廣泛的就是高壓技術，但是其和冶金行業的項目融合還需要進一步探索，由于高壓技術在冶金行業中應用的條件、要求以及應用策略都有別于其他技術，因此主要技術人員對其主要應用環境和參數進行集中分析。在冶金項目中，有色金屬冶金已經研究過高壓技術，例如鋁土礦加壓漸浸項目、金礦加壓氧化預處理技術等都已經開展了比較深入的探討，都是借助一些外力進行礦物元素的預處理，對于整體技術研發項目的效率有很大的幫助，并且也有一部分技術已經大規模投入應用。

1 高氮鋼冶煉項目的背景

在我國工業發展進程中，鋼鐵項目一直是重工業中的佼佼者，也是我國重工業的代表，近幾年來高氮鋼受到了社會各界廣泛的關注。High Nitrogen Steels也稱高氮鋼，在同類鋼鐵中是一種性能優越的特殊鋼材，由于其內部含氮量較高而得名，不僅具有較高的穩定和擴大奧氏體相區的能力，也能有效地提升鋼強度，與此同時不會對鋼的塑性和韌性產生影響，并且高氮鋼的耐腐蝕性能也特別突出。在我國，主要是在汽車制造、國際航空、化工生物以及建筑項目等利用高氮鋼，其中主要是利用高壓底吹氮法。高壓底吹氮法既能保證整體工藝的原料比較清潔，還能保障其鋼液氮化的效率比較高，由于氮氣并不是稀缺資源，因此試驗技法的原材料十分豐富，將高壓冶金技術應用在高氮鋼冶煉中，是時代發展的必然趨勢。

2 高壓冶金數理模擬類型

在建立對應模型之前，首先要對其參數進行簡要的分析。在常規條件下，鐵液中氮含量并不是很高，通常在溫度為1873K、壓力為0.1MPa的基礎條件下，其含量只會控制在0.043%左右，在鐵液中，由于鐵物質最外層電子和氮元素的最外層電子之間發生作用，就會導致其形成價電子，在對其進行多次試驗后，會發現氮元素在鐵液中會發生溶解現象，試驗人員會用氮原子來描述實際溶解行為，并且利用Sieverts定律來計算氮在奧氏體鐵中的溶解性。另外，在實際試驗處理過程中，利用底吹氮氣的方式，能保證氮氣鐵液中產生較為劇烈的振動和對流，并不能對鋼液增氮行為產生限制。增氮過程屬于一級反應，并且能保證其化學反應界面不會和氮相界面產生擴散型的混合控制。

2.1 高壓底吹冶鐵數值模擬類型分析

在實際試驗處理過程中，主要利用的就是Fluent軟件，利用其特性在高壓反應器內部進行數值模擬的操作，從而對整個高壓底吹冶鐵技術進行研究。首先要對坩堝底吹氮過程進行情景模擬，通過參數對比才能繼續試驗。其一，在試驗項目中，經過數據的分析可以發現驅使鋼液循環流動的主動力是氣泡浮力；其二，在實際試驗項目中，針對流體的性質要進行仔細確認，其密度為常數，且是不可壓縮的粘性流體物質；其三，對坩堝進行比對，其液面是較為光滑的自由面；其四，對鋼液循環產生作用的氣泡不僅大小均勻，而且其具有同一直徑。另外就是要分析鋼液的壓力場結構，在常壓條件下，氣液兩相區的鋼液速度會在鋼液面附近發生轉向作用，從而形成可以進行試驗的循環流，也就是說，在實際試驗過程中，鋼液的循環中心位于鋼液的上部位。但是在實驗中發生的增氮反應吸收到的氮元素卻并不能進入鋼液的中下部，這就導致在整體鋼液中氮分布結構并不均勻。通過試驗結構和數據證明，在高壓作用下，鋼液只有在坩堝的中部氣液兩相區才會發生實際轉向，從而形成循環流，此時在坩堝的中部位置會形成循環流中心，鋼液中吸收的氮也能有效的進入到鋼液中下部。

在1.0MPa條件下速度矢量會按照相應的結構進行改變，而在此條件下，鋼液是在坩堝的中部氣液兩相區發生轉向的，從而形成可供研究的循環流。也就是說，在循環流中心處于坩堝結構中部時，此時能更好地將氮元素直接吸收到鋼液的中下部。另外，在此高壓條件下，底吹孔附近的鋼液速度以及坩堝內部氣液兩相區頂部的鋼液速度需要進行有效的合并分析，兩者都發生了轉向，也就證明了高壓條件的循環流要比常規壓力下的循環流更加的強烈，并且也能有效地規避由于在循環過程中超出鋼液面時流失的能量。

2.2 高壓底吹冶鐵物理模擬類型分析

物理模擬實驗主要利用的是高溫高壓反應釜，在將氮氣吹入水模擬裝置后，保證裝置內擁有較為充盈的高壓氣氛，再向反應釜內部直接吹入當期，實驗人員利用窺視孔進行反應變化的觀察，從而建立有效的數據參數，并對實際反應視頻進行有效的記錄。在常壓環境中，底吹進行后會導致鋼液面發生非常劇烈的振動，氣泡也幾乎充滿了液池的上部，并且隨著壓力的不斷增大，氣液兩相區溢出液面的成分會逐漸增大，但是在壓力為0.46MPa時，在液面發生涌動的就只是上升氣柱了，整體鋼液的液面處于平靜狀態，此時這對水模擬以及數值模擬的參數進行比較，兩者基本吻合，并且能進一步驗證數值模擬過程中得出的數據具有非常高的準

確率。

3 高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中的試驗分析

3.1 試驗準備

利用高壓技術冶煉高氮鋼，主要采取的是高壓底吹氮法。在實驗中，利用的設備和條件包括功能反應釜、底吹流量以及坩堝，其中多功能反應釜的溫度要控制在20℃～2000℃之間，而壓力要控制在7*10-2～6*106Pa之間；底吹流量數值要控制在0.07～0.8m3/h之間，而使用的異型坩堝的納水量要控制在20～2000克之間。整個實驗要在反應釜內進行，利用溫度控制系統以及抽真空系統進行試驗氛圍的維護，并且利用底吹氣體控制系統調控整個實驗項目。

具體的操作步驟是，首先要將已經調制好的原材料直接放入反應釜，并且要嚴格管控密封條件，利用冷卻水進行真空環境的營造，保證真空低于40Pa，然后逐漸升溫，直到內部環境已經升值到1300℃之后，停止抽取真空，保證溫度恒定。然后再通過閥門向內部直接充入氮氣，在保證溫度和壓力達到熔煉條件之后，有效地進行底吹操作，試驗過程中對于整體環境和參數要進行謹慎的數據關注，保證全部過程按照設計意圖進行，待底吹精煉結束，撤出溫度加熱，在溫度逐漸降低的過程中有效地補充氮氣，直到鋼液在恒壓條件下逐漸凝固。實驗人員可以通過窺視鏡觀察到整個過程，具體參數如下：溫度T升高，坩堝內原料熔化，在溫度T=1500℃時，出現黃色鋼液；當溫度T=1550℃時，原料全部熔化。針對試驗結果，較傳統常溫冶煉過程，高壓冶煉的高氮鋼含氮量明顯增高，且表面比較平整，實驗人員還要取一定的樣本進行質量檢測。

3.2 含量分析

在對數量進行分析的過程中，含氮量和壓力分析結果呈現的線性關系，含氮量的計算值和試驗值比較一致，當溫度控制在1873K時，若是試驗人員冶煉半小時，則壓力值為1.32～1.48MPa，此時得到的氮質量分數約為0.9%～1.0%的Cr18Mn18N高氮鋼，而當實際壓力控制在0.5～2.0MPa之間時，氮含量會隨著壓力值的增大而逐漸增大。

另外一種情況就是針對Cr12N，壓力值從1.1～1.2MPa時，其制備的含氮量的質量分數會有顯著的提升，直接增加到了0.036%。總之，隨著精煉壓力值的不斷增加，氮含量也呈現出逐漸增大的趨勢。

3.3 偏析分析

在對試驗進行分析的過程中，凝固時的具體壓力數值會對氮氣泡輸出值產生影響，也就是說，不同的凝固壓力會對氮含量產生影響，在1.0MPa的情況下，整個區域內氮的橫縱結構會產生較大的偏析，其中氮的質量分數會控制在0.205%～0.394%之間，并且在鑄錠結構中，下部的氮含量會遠遠對于結構上部，且在凝固過程結束后，鑄錠的頂端氮含量數值歸于最小。另外，在熔煉壓力控制在1.2MPa條件下凝固的鑄錠，從橫向分析，越是靠近鑄錠邊緣部位，含氮量越高；從縱向分析，越是靠近鑄錠頂部，含氮量越高。而處于相同條件下，在凝固壓力直接升高至1.6MPa時，氮元素的偏析程度明顯小于低壓條件，各個部位的氮含量也會維持在0.34%～0.36%之間，也就是說，高壓是減少氮元素宏觀偏析的有效

措施。

4 結語

總而言之，應用高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中具有較為廣泛的前景，需要研究人員進行進一步的試驗

探究。

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