真空感應爐冶煉含氮不銹鋼的控氮工藝研究

王育飛 徐于斌 張福利 李瑞杰 牟瑞宇 王 卓

(河鋼集團鋼研總院, 河北 石家莊 050023)

含氮不銹鋼比傳統不銹鋼具有更高的強度、塑韌性以及優越的生物兼容性和耐蝕性等，因而被廣泛應用于石油化工、生物醫療器械、海洋船舶、橋梁和航空航天等行業[1]。在提高材料力學性能方面，氮作為中間合金元素比碳更具優勢，氮原子半徑比碳小，在鋼基體中固溶度大，能起更好的固溶強化作用。所以通過氮的加入來提高材料的強度、塑韌性和耐蝕性等更為有效[2]。與普通不銹鋼相比，含氮不銹鋼具有更好的抗點蝕性能。此外，在提高抗點蝕性能方面，鉬與氮具有協同作用[3]。氮還能減輕鉻、鎳等合金元素在兩相中分布的差異，減少基體的貧鉻現象[4]。

含氮不銹鋼在冶煉過程中，鋼液的氮含量主要與鋼液表面活性元素、氣相中的氮分壓、合金元素及溫度有關。添加適量的表面活性元素如碲、硒以及鈮等，有利于增加鋼中氮含量。在一定的壓力下，氮在鋼中的溶解度隨溫度上升而增大，且在共晶轉變溫度時，溶解度最大達到0.4%(質量分數，下同)。向鋼中添加合金元素可以提高鋼中氮的溶解度[1]。但相對于溫度和合金元素，壓力對氮溶解度的影響最大[5]。

真空感應爐是中試主要冶煉設備，常用于新鋼種的冶煉。在冶煉含氮不銹鋼過程中，鋼液首先需在一定真空度下脫氣，當鋼液內氧、氫等元素降低到一定程度后再進行合金化、增氮操作。但由于鋼液的增氮是在一定真空條件下操作的，氮分壓低，所以鋼液增氮困難，且鋼液內氮含量難以精準控制。

1 鋼液增氮的機制

1.1 鋼液增氮過程模型

目前，采用真空感應爐冶煉含氮不銹鋼過程中，主要采用氮氣氛增氮和添加氮化合金增氮兩種方式，如圖1所示。

圖1 鋼液增氮過程模型

氮氣氛增氮主要是向感應爐內充入一定壓力的氮氣，氮分子與鋼液表面接觸，分解為氮原子，吸附于鋼液表面的氮原子向溶體內部溶解，氮原子以自由狀態存在或者與鋼液內的金屬原子結合形成氮化物存在于鋼液中，如式(1)所示。

添加氮化合金增氮是當真空感應爐內脫氧、脫硫達到一定程度時，向高溫鋼液內添加氮化合金如氮化錳、氮化鉻，氮化合金會直接熔入鋼液或分解為相應金屬原子和氮原子，如式(2)所示。鋼液內溶解的自由氮原子可與其他金屬原子結合為新的氮化物或氮原子間形成氮分子從而溢出鋼液。

1/2{N2}=[N]

(1)

MXN=X[M]+[N]

(2)

1.2 氮在鋼液中的溶解

研究表明：在冶煉低氮鋼時，若氮分壓小于0.1 MPa，鋼液中氮的溶解度遵循西華特(Sievert)定律[6- 8]，計算公式為：

(3)

由式(3)可以看出，真空感應爐冶煉含氮不銹鋼過程中，鋼液中氮溶解度主要與鋼液溫度、氮分壓、鋼液中合金元素有關。當鋼液溫度、化學成分一定時，氮在鋼液中的溶解度與氣相中氮分壓的平方根成正比，且作用明顯。當氣相中氮分壓、化學成分一定時，鋼液中氮的溶解度隨溫度的升高而降低，但溫度的作用不明顯。

當冶煉成分如表1所示的鋼時，根據文獻[8- 9]鋼液中元素對氮的作用系數，可計算得出鋼液中氮的溶解度與爐氣中氮分壓和鋼液溫度之間的關系，如圖2所示。可見,隨著溫度的升高，氮的飽和溶解度下降；氣相中氮分壓越高，氮的溶解度越大。

圖2 氮的溶解度、氮分壓和溫度之間的關系

溫度對鋼液中氮的溶解度的影響不明顯，主要影響因素是氮分壓。隨著溫度的升高，鋼液中氮含量下降，氮化物的分解以及氮原子的擴散速度等熱力學和動力學條件改善。氣相中氮分壓的高低直接影響鋼液中氮原子的擴散速度，氮分壓越高，氮的擴散速度越大，溶解度越大。

2 試驗準備及流程

采用50 kg真空感應爐冶煉含氮不銹鋼，在氬氣和氮氣下分別添加氮化錳、氮化鉻增氮。試驗鋼及氮化錳、氮化鉻合金的化學成分如表1所示。氮化合金的粒度為3～5 mm，此粒度可增加鋼液的反應界面，有利于氮化合金的吸收[10]。

表1 試驗鋼及氮化合金的化學成分(質量分數)

冶煉流程包括裝料、熔化、精煉、合金化、出鋼澆注等。首先將配好的純鐵放入坩堝內，將合金料依次放入二次加料斗內，封閉爐體，待爐內真空度達到15 Pa以下時通電，在真空下熔化和精煉(爐壓約6 Pa)。精煉末期關掉真空泵，充入氬氣或氮氣至試驗壓力，進行脫氧、合金化。待鋼液成分均勻后取樣進行直讀光譜成分檢測，達到目標成分后，向坩堝內加入氮化合金，待氮化合金全部熔化后出鋼。澆注溫度控制在鋼液液相線溫度以上50～80 ℃，澆注成150 mm×150 mm的方形鋼錠。澆注后，保持爐內熔煉壓力不變至鑄錠凝固。最后在鋼錠上取樣，利用氧氮分析儀進行氮含量的精準檢測。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

共冶煉8爐次試驗鋼，1號～8號鑄錠如圖3所示，試驗工藝參數及氮的收得率如表2所示。

圖3 1號～8號鑄錠

3.2 分析與討論

由表2可知，在相同氮化合金和保護氣氛條件下，熔煉壓力越大，氮的收得率越高，且熔煉壓力相同時，氮氣保護條件下氮的收得率明顯提高。氬氣保護條件下，熔煉壓力相同，氮化錳的增氮效果優于氮化鉻；氮氣保護條件下，熔煉壓力相同，氮化鉻和氮化錳的增氮效果無明顯差異。

表2 試驗工藝參數及氮的收得率

3.2.1 氬氣氣氛條件下影響氮的收得率的因素

氬氣保護條件下，熔煉壓力越大，氮的收得率越高。添加氮化錳合金，當熔煉壓力從30 000 Pa升高至50000 Pa時，氮的收得率提高了8.6%；添加氮化鉻合金，當熔煉壓力從30 000 Pa升高至50 000 Pa時，氮的收得率提高了7.4%。在氬氣氣氛保護下，熔煉壓力相同時，氮化錳的增氮效果優于氮化鉻。當壓力為30 000 Pa時，氮化錳較氮化鉻的收得率高8%；壓力為50 000 Pa時，氮化錳較氮化鉻的收得率高9.2%。

真空冶煉時，爐內熔煉壓力的大小直接影響鋼液中氮氣的溢出速率，熔煉壓力越大，溢出速率越小，氮的收得率越高。氮化錳的分解溫度約為950 ℃，熔化溫度約為 1 200 ℃；氮化鉻的分解溫度約為1 200 ℃，熔化溫度約為 1 600 ℃。由于鋼液實際溫度遠高于氮化合金的分解溫度，且氮化錳的分解溫度和熔化溫度均低于氮化鉻，氮化錳加入后快速分解、熔化，可以縮短氮化物加入后的熔化停留時間，減少氮從鋼液中溢出，使氮固溶在鋼液中，從而獲得較高的氮含量。

因此在氬氣氣氛條件下冶煉含氮不銹鋼時，需對熔煉壓力、氮化合金種類、氮化合金的熔化停留時間進行嚴格控制才能盡可能提高氮的收得率。

3.2.2 氮氣氣氛條件下影響氮的收得率的因素

氮氣保護條件下，熔煉壓力越大，氮的收得率越高。添加氮化錳合金，當壓力從30 000 Pa升高至50 000 Pa時，氮的收得率提高了14%；添加氮化鉻合金，當壓力從30 000 Pa升高至50 000 Pa，氮的收得率提高了5.2%。在氮氣氣氛保護下，熔煉壓力相同，氮化鉻和氮化錳的增氮效果無明顯差異。

氮氣保護較氬氣保護條件下氮的收得率明顯提高，主要是由于氣相增氮所致。因為當氮的飽和溶解度大于鋼種目標氮含量時，會造成氣相增氮，氮的收得率提高。添加氮化錳合金時，當熔煉壓力分別為30 000、50 000 Pa時，氮氣保護較氬氣保護條件下氮的收得率分別提高了44.2%、49.6%；添加氮化鉻合金時，當熔煉壓力分別為30 000、50 000 Pa時，氮氣保護較氬氣保護條件下氮的收得率分別提高了53.8%、51.6%。

由式(3)可知，在氮氣保護條件下冶煉本試驗鋼，當熔煉壓力為30 000 Pa時，氮的飽和溶解度為0.25%，壓力為50 000 Pa時，氮的飽和溶解度為0.32%，氮分壓越高，氮在鋼液中的飽和溶解度越大，且氮的飽和溶解度遠大于冶煉目標氮含量，所以當氮氣保護壓力為50 000 Pa時，向鋼液中添加氮化錳合金，氮的收得率可達105.2%。

4 結論

(1)50 kg真空感應爐冶煉含氮不銹鋼，鋼液中氮的飽和溶解度隨溫度升高而降低，隨氣相中氮分壓升高而升高，且主要影響因素是氮的分壓，溫度影響不明顯。

(2)在氬氣保護條件下，熔煉壓力越大，氮的收得率越高。熔煉壓力從30 000 Pa升至50 000 Pa，添加氮化錳、氮化鉻氮的收得率分別提高了8.6%、7.4%。

(3)在氮氣保護條件下，熔煉壓力從30 000 Pa升至50 000 Pa，添加氮化錳、氮化鉻后，氮的收得率分別提高了14%、5.2%。

(4)在氬氣保護條件下，熔煉壓力相同時，氮化錳的增氮效果優于氮化鉻，熔煉壓力為30 000、50 000 Pa時，氮的收得率分別提高了8%、9.2%；在氮氣保護條件下，熔煉壓力相同時，氮化鉻和氮化錳的增氮效果無明顯差異。

(5)熔煉壓力相同，氮氣保護較氬氣保護條件下氮的收得率明顯提高。