高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的應(yīng)用

王書桓,趙定國

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063009)

高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的應(yīng)用

王書桓,趙定國

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063009)

高壓冶金技術(shù)促進了特殊鋼冶煉的發(fā)展,闡述了高壓冶金技術(shù)特征及其在高氮鋼冶煉方面的發(fā)展及應(yīng)用。結(jié)合在高壓底吹條件下冶煉高氮鋼的熱力學(xué)和動力學(xué)理論,開展了高壓精煉過程的數(shù)值模擬和物理模擬研究;分析了精煉壓力和鑄造壓力對鋼中氮含量的影響,在自制高溫高壓反應(yīng)釜上,開展了大量精煉和鑄造高氮鋼的多因素?zé)釕B(tài)實驗,獲得了冶煉合格高氮鋼的高壓冶金工藝參數(shù)。

高壓冶金;高氮鋼;高壓底吹;精煉

高壓技術(shù)已成熟應(yīng)用在許多行業(yè)中,但在冶金行業(yè)仍未充分利用與發(fā)展。高壓冶金是現(xiàn)代冶金行業(yè)中有別于傳統(tǒng)冶金的特殊方法。在有色冶金中,高壓冶金技術(shù)的研究較早,使用方法也較多,如鋁土礦加壓堿浸、硫化鋅精礦加壓浸出、金礦的加壓氧化預(yù)處理等,大多是借助一定壓力條件對礦物進行處理,提高了生產(chǎn)效率,目前已有較大規(guī)模的生產(chǎn)[1]。在鋼鐵冶金中,高壓冶金技術(shù)的使用相對較少,如高壓氣相滲氮生產(chǎn)高氮鋼、高壓CO2固化捕集等,其中高氮鋼的冶煉是典型代表,高溫鋼液處于高壓氮氣氛中,通過向鋼中增氮(氣相或固相)達到精煉和鑄造高氮鋼的目的。

高氮鋼(High Nitrogen Steels,HNS)是一種性能優(yōu)越的特殊鋼,其中的氮是有益的合金元素,具有穩(wěn)定和擴大奧氏體相區(qū)、提高鋼的強度且不降低塑性和韌性、改善鋼的耐腐蝕性能(包括點腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等)的作用[2-6]。高氮鋼廣泛應(yīng)用于國際航空，汽車制造，建筑工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，海洋工程，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。采用高壓底吹氮法冶煉高氮鋼,屬于高壓冶金的應(yīng)用范疇。常規(guī)高氮鋼冶煉過程中加氮化合金,易在高氮區(qū)形成氮氣泡;氮化鉻鐵、氮化錳鐵一般雜質(zhì)含量較高,污染鋼液;氮化合金價格昂貴,高氮的氮化鉻、氮化錳需要多步冶金處理。而高壓底吹氣相滲氮,原料潔凈,鋼液氮化效率高,氮氣是最廉價的合金化原料,利用資源豐富的氮氣向鋼液增氮合金化,可大幅度降低高氮鋼的生產(chǎn)成本,是目前高氮鋼冶煉重點開發(fā)的技術(shù)之一[7]。

1 高壓冶金的數(shù)理模擬研究

一般情況下鐵液中的氮濃度非常小,T=1 873 K、p=0.1 MPa時,氮在鐵液中溶解度非常低,約為0.043%。氮溶解在鐵液中時,鐵的最外層電子與氮的最外層電子發(fā)生了強烈的相互作用,導(dǎo)致在金屬鍵形成時共有化了氮的價電子。然而通過更多的研究發(fā)現(xiàn)氮在鐵液中的溶解行為與碳的溶解行為極其相似,因此常用氮原子來描述其溶解行為而不是用氮離子。氮在奧氏體鐵中的溶解可以用Sieverts定律計算。氮溶解度主要受到溫度、氮分壓以及合金元素相互作用系數(shù)三個因素綜合影響。高壓條件下,飽和溶解度受壓力的影響顯著,呈數(shù)量級變化,這也正是高壓冶金技術(shù)的特色。鋼液增氮動力學(xué)主要研究的是氮氣在反應(yīng)過程中的傳質(zhì)速率。由于底吹氮氣使鋼液內(nèi)部產(chǎn)生強烈攪拌、對流等作用,氣液界面擴散環(huán)節(jié)的擴散速率很快,不會成為鋼液增氮過程的限制性環(huán)節(jié),研究表明增氮過程既不是一級反應(yīng),也不是二級反應(yīng),而是界面化學(xué)反應(yīng)和氮向液相邊界層的擴散混合控制。

1.1 高壓底吹冶煉數(shù)值模擬

采用Fluent軟件對高壓反應(yīng)器內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬研究[8-10]。對坩堝底吹氮過程做以下假設(shè):

1) 氣泡浮力是驅(qū)使鋼液循環(huán)流動的主動力;

2) 流體為不可壓縮的粘性流體,密度為常數(shù);

3) 坩堝液面為光滑的自由面;

4) 氣泡為大小均勻,具有同一直徑d0的球體。坩堝模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 坩堝模型的網(wǎng)格劃分

壓力對鋼液流場的影響如圖2所示,從常壓下循環(huán)流中心的位置可以看出,常壓下氣液兩相區(qū)的鋼液速度幾乎到了鋼液面附近才發(fā)生轉(zhuǎn)向,形成循環(huán)流,所以常壓條件下鋼液的循環(huán)中心位于鋼液的上部。增氮反應(yīng)吸收的氮很難進入鋼液的中下部,造成鋼液內(nèi)氮分布不均勻。從圖3高壓下循環(huán)流中心的位置可以看出,在高壓作用下,大約在坩堝的中部氣液兩相區(qū)的鋼液就開始發(fā)生轉(zhuǎn)向,形成循環(huán)流,所以循環(huán)流的中心基本在坩堝的中部,使鋼液吸收的氮比較容易進入鋼液中下部。

圖2 常壓下速度矢量圖

圖3 1.0 MPa下速度矢量圖

從圖2底吹孔上部的氣液兩相區(qū)可見,常壓條件下兩相區(qū)鋼液速度豎直向上,熔煉過程中鋼液的動能一部分化為循環(huán)流的驅(qū)動力,一部分動能則在液面損失。由圖3可見,高壓條件下底吹孔處鋼液速度和氣液兩相區(qū)頂部鋼液速度都發(fā)生了轉(zhuǎn)向,說明高壓條件下形成的循環(huán)流要比常壓下強烈;同時氣液兩相區(qū)頂部鋼液的速度發(fā)生了轉(zhuǎn)向,避免了鋼液沖出液面并且回落造成的能量損失。

由圖4可見,高壓熔池中絕大部分區(qū)域的鋼液湍動能比常壓下大,且分布均勻,攪拌效果好。

圖4 不同壓力下湍動能分布云圖

圖5為底吹速度為0.5 m/s時鋼液中氮的體積分數(shù)云圖,由圖可見鋼液面的波動高度隨壓力的增加而降低,鋼液中氣體的含量隨壓力的增加而增加。分析認為,高壓抑制了鋼液中氮氣泡的溢出,從而使停留在鋼液中的氮氣泡增加,可以提高增氮反應(yīng)的速度;其次鋼液面波動高度降低,可以避免液面隆起和翻滾造成的能量損失,從而使鋼液攪拌均勻;在生產(chǎn)中,液面的波動程度降低,可以避免鋼渣混卷。

圖5 鋼液中氮氣的體積分數(shù)云圖

1.2 高壓底吹冶煉物理模擬

實驗時將水模擬裝置放入高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi),通過吹入氮氣來實現(xiàn)高壓氣氛,反應(yīng)釜內(nèi)的底吹管可吹入氮氣,通過反應(yīng)釜上的窺視孔進行觀察和視頻記錄。

常壓條件下底吹使整個液面翻滾劇烈,氣泡幾乎充滿了液池上部。隨壓力的增加,氣液兩相區(qū)涌出液面的部分占整個液面的比例明顯增加,液面波動程度降低,當(dāng)壓力為0.46 MPa時,只有上升氣柱所對應(yīng)的液面發(fā)生涌動,其他范圍液面依然存在水平流動,但液面較平靜。水模擬結(jié)果和數(shù)值模擬基本吻合,驗證了數(shù)值模擬的正確性。

2 高壓冶金熱態(tài)實驗研究

2.1 實驗設(shè)備及方法

高壓底吹氮法冶煉高氮鋼,充分利用了高壓冶金技術(shù),經(jīng)過多年的基礎(chǔ)理論與實驗研究,開發(fā)了高溫高壓底吹多功能反應(yīng)釜(溫度:20～2 000 ℃;壓力:7×10-2～6×106Pa(鋼板蓋);底吹流量:0.07～0.7 m3/h),制作了高壓底吹冶煉用異型坩堝(不同型號可容納鋼水量:20～2 000 g)。高溫高壓底吹反應(yīng)釜實驗設(shè)備由反應(yīng)釜主體、溫度控制系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、底吹氣體控制系統(tǒng)等組成。

實驗過程是將裝好原料放入反應(yīng)釜中,做好密封,打開冷卻水,抽真空至40 Pa以下,開始升溫,至1 300℃停止抽真空,保持恒溫。從通氣閥門向爐內(nèi)充入氮氣,溫度和壓力達到熔煉要求后,控制底吹氣量,按照設(shè)計進行底吹精煉。吹煉完成后,停止加熱,隨著溫度的降低補充氮氣使鋼液恒壓凝固。

通過高壓窺視鏡可觀察精煉過程,隨著溫度的提高,坩堝內(nèi)的原料逐漸熔化,1 500℃時,出現(xiàn)部分黃色鋼液,進一步升溫至1 550℃時,原料基本上全部熔化。

常壓下冶煉所得鋼錠含氮量低,表面有冶煉后氣泡殘痕;而高壓下冶煉的高氮鋼含氮量高,表面平整。實驗后在徑向上取條狀試樣,進行氮氧分析。

2.2 精煉壓力對氮含量的影響

氮含量和壓力有線性關(guān)系,對于Cr18Mn18N高氮鋼,線性擬合相關(guān)系數(shù)R為0.983,壓力實驗數(shù)據(jù)的線性回歸計算的w[N]與實驗所測w[N]的關(guān)系,如圖6所示,氮含量計算值與實驗值較吻合。在溫度為1 873 K熔煉30 min時,當(dāng)壓力為1.32～1.48 MPa條件下,能熔煉出氮質(zhì)量分數(shù)高達0.9%～1.0%的Cr18Mn18N鋼。在壓力0.5 MPa≤p≤2.0 MPa范圍內(nèi),氮含量隨壓力提高而急劇增大,提高精煉壓力,可大大增加氮在鋼中的含量。

圖6 Cr18Mn18N鋼中壓力和氮含量的關(guān)系

圖7 Cr12N鋼中壓力和氮含量的關(guān)系

由圖7可見,對于Cr12N高氮鋼的精煉,從1.1 MPa到1.2 MPa氮質(zhì)量分數(shù)由0.309%提高至0.345%,增加了0.036%,變化較明顯;1.2 MPa以后,隨著氮分壓的提高,氮質(zhì)量分數(shù)增加幅度開始減小。總之隨著精煉壓力的增加,氮含量呈增大趨勢,1.6 MPa時氮質(zhì)量分數(shù)為0.389%。

2.3 凝固壓力對氮宏觀偏析的影響

凝固時壓力影響氮氣泡的析出,不同凝固壓力下的氮的分布圖如圖8所示。

由圖8-a可見,1.0 MPa下凝固的鑄錠,整個區(qū)域內(nèi)氮的橫縱向偏析都較大,最低氮質(zhì)量分數(shù)為0.205%,最高氮質(zhì)量分數(shù)可達0.394%;鑄錠上部氮含量要低于底部氮含量,后凝固的鑄錠頂端氮的濃度較小。

圖8 不同凝固壓力下氮的宏觀偏析圖

由圖8-b可見,在熔煉壓力1.2 MPa下凝固的鑄錠,邊部偏析很嚴重。橫向上從距鑄錠邊緣3/4R處起,越靠近鑄錠邊部,氮含量越高;縱向上,越靠近鑄錠頂端,氮含量越高。鑄錠中最低氮含量為0.335%,最高氮含量達到0.440%,鑄錠中心部位氮含量基本在0.336%左右;當(dāng)凝固壓力提高到1.4 MPa時,基本都在0.345%左右。即提高凝固壓力至一定值后,鑄錠中氮的宏觀偏析能得到很大改善,甚至消除。

相同條件下,將凝固壓力提高至1.6 MPa,鑄錠中氮的偏析程度較1.0 MPa和1.2 MPa下鑄錠中氮偏析程度輕得多,各部位氮含量都在0.360%左右,如圖8-c所示。因此高壓是減小氮宏觀偏析的重要方法。

3 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明,高壓條件下,鋼液中靠近坩堝壁的小循環(huán)區(qū)消失,大循環(huán)區(qū)循環(huán)中心下移至坩堝中部;鋼液內(nèi)部的速度梯度小,湍動能分布均勻。

2) 水模實驗結(jié)果表明,隨壓力的增加,液面波動程度降低,氣泡的尺寸明顯變小;同時氣體總量相同而氣泡尺寸變小,氣泡的數(shù)量增加。

3) 高壓冶金技術(shù)是實現(xiàn)高氮鋼冶煉的重要手段,在實驗室冶煉出合格的公斤級鋼錠,實驗結(jié)果表明,對于冶煉Cr18Mn18N高氮鋼,在0.6 MPa

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(編輯：劉笑達)

ApplicationofHighPressureMetallurgyTechnologyinSmeltingHighNitrogenSteels

WANGShuhuan,ZHAODingguo

(SchoolofMetallurgicalandEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China)

The high pressure metallurgy technology has promoted the development of smelting special steel.In this paper the characteristic of high pressure metallurgy technology and the development and application of smelting high nitrogen steel were reviewed. Combined with the theory of thermodynamics and kinetics for refining high nitrogen steel under high pressure and bottom blowing, the numerical simulation and physical simulation of refining process were conducted. The factors affecting nitrogen content in steel,including refining pressure and casting pressure,were analyzed. On self-made high temperature and high pressure reaction kettle, multi-factor experiments for refining and casting high nitrogen steel were carried out in laboratory, and the technical parameters of high pressure metallurgy for smelting qualified high nitrogen steel were obtained.

high pressure metallurgy; high nitrogen steels; high pressure and bottom blowing; refining

2013-08-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51304060)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2013209113)

王書桓(1964-)，男，河北藁城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煉鋼新技術(shù)、高壓冶金等方面的研究，(Tel)0315-2592091

趙定國，男，副教授，(Tel)0315-2592091

1007-9432(2014)01-0015-04

TF19

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