高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的應(yīng)用

馬忠旭

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)高壓冶金技術(shù)呈現(xiàn)出了裹挾之勢(shì)，不僅整體技術(shù)得到了有效的升級(jí)，技術(shù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)展。文章首先對(duì)高氮鋼冶煉項(xiàng)目的背景進(jìn)行了分析，并闡釋了高壓冶金數(shù)理模擬類型，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)著重分析了高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的應(yīng)用參數(shù)，旨在為技術(shù)人員提供有效的數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：高壓冶金技術(shù)；高氮鋼冶煉；應(yīng)用參數(shù)；數(shù)值模擬類型；有色金屬冶金 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

我國(guó)工業(yè)近幾年的發(fā)展速度激增，其中應(yīng)用比較廣泛的就是高壓技術(shù)，但是其和冶金行業(yè)的項(xiàng)目融合還需要進(jìn)一步探索，由于高壓技術(shù)在冶金行業(yè)中應(yīng)用的條件、要求以及應(yīng)用策略都有別于其他技術(shù)，因此主要技術(shù)人員對(duì)其主要應(yīng)用環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行集中分析。在冶金項(xiàng)目中，有色金屬冶金已經(jīng)研究過高壓技術(shù)，例如鋁土礦加壓漸浸項(xiàng)目、金礦加壓氧化預(yù)處理技術(shù)等都已經(jīng)開展了比較深入的探討，都是借助一些外力進(jìn)行礦物元素的預(yù)處理，對(duì)于整體技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的效率有很大的幫助，并且也有一部分技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模投入應(yīng)用。

1 高氮鋼冶煉項(xiàng)目的背景

在我國(guó)工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，鋼鐵項(xiàng)目一直是重工業(yè)中的佼佼者，也是我國(guó)重工業(yè)的代表，近幾年來高氮鋼受到了社會(huì)各界廣泛的關(guān)注。High Nitrogen Steels也稱高氮鋼，在同類鋼鐵中是一種性能優(yōu)越的特殊鋼材，由于其內(nèi)部含氮量較高而得名，不僅具有較高的穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的能力，也能有效地提升鋼強(qiáng)度，與此同時(shí)不會(huì)對(duì)鋼的塑性和韌性產(chǎn)生影響，并且高氮鋼的耐腐蝕性能也特別突出。在我國(guó)，主要是在汽車制造、國(guó)際航空、化工生物以及建筑項(xiàng)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?dú)獠⒉皇窍∪辟Y源，因此試驗(yàn)技法的原材料十分豐富，將高壓冶金技術(shù)應(yīng)用在高氮鋼冶煉中，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 高壓冶金數(shù)理模擬類型

在建立對(duì)應(yīng)模型之前，首先要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。在常規(guī)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(chǔ)條件下，其含量只會(huì)控制在0.043%左右，在鐵液中，由于鐵物質(zhì)最外層電子和氮元素的最外層電子之間發(fā)生作用，就會(huì)導(dǎo)致其形成價(jià)電子，在對(duì)其進(jìn)行多次試驗(yàn)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)氮元素在鐵液中會(huì)發(fā)生溶解現(xiàn)象，試驗(yàn)人員會(huì)用氮原子來描述實(shí)際溶解行為，并且利用Sieverts定律來計(jì)算氮在奧氏體鐵中的溶解性。另外，在實(shí)際試驗(yàn)處理過程中，利用底吹氮?dú)獾姆绞剑鼙ＷC氮?dú)忤F液中產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)和對(duì)流，并不能對(duì)鋼液增氮行為產(chǎn)生限制。增氮過程屬于一級(jí)反應(yīng)，并且能保證其化學(xué)反應(yīng)界面不會(huì)和氮相界面產(chǎn)生擴(kuò)散型的混合控制。

2.1 高壓底吹冶鐵數(shù)值模擬類型分析

在實(shí)際試驗(yàn)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(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬的操作，從而對(duì)整個(gè)高壓底吹冶鐵技術(shù)進(jìn)行研究。首先要對(duì)坩堝底吹氮過程進(jìn)行情景模擬，通過參數(shù)對(duì)比才能繼續(xù)試驗(yàn)。其一，在試驗(yàn)項(xiàng)目中，經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)使鋼液循環(huán)流動(dòng)的主動(dòng)力是氣泡浮力；其二，在實(shí)際試驗(yàn)項(xiàng)目中，針對(duì)流體的性質(zhì)要進(jìn)行仔細(xì)確認(rèn)，其密度為常數(shù)，且是不可壓縮的粘性流體物質(zhì)；其三，對(duì)坩堝進(jìn)行比對(duì)，其液面是較為光滑的自由面；其四，對(duì)鋼液循環(huán)產(chǎn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)，在常壓條件下，氣液兩相區(qū)的鋼液速度會(huì)在鋼液面附近發(fā)生轉(zhuǎn)向作用，從而形成可以進(jìn)行試驗(yàn)的循環(huán)流，也就是說，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，鋼液的循環(huán)中心位于鋼液的上部位。但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的增氮反應(yīng)吸收到的氮元素卻并不能進(jìn)入鋼液的中下部，這就導(dǎo)致在整體鋼液中氮分布結(jié)構(gòu)并不均勻。通過試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)證明，在高壓作用下，鋼液只有在坩堝的中部氣液兩相區(qū)才會(huì)發(fā)生實(shí)際轉(zhuǎn)向，從而形成循環(huán)流，此時(shí)在坩堝的中部位置會(huì)形成循環(huán)流中心，鋼液中吸收的氮也能有效的進(jìn)入到鋼液中下部。

在1.0MPa條件下速度矢量會(huì)按照相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，而在此條件下，鋼液是在坩堝的中部氣液兩相區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)向的，從而形成可供研究的循環(huán)流。也就是說，在循環(huán)流中心處于坩堝結(jié)構(gòu)中部時(shí)，此時(shí)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(nèi)部氣液兩相區(qū)頂部的鋼液速度需要進(jìn)行有效的合并分析，兩者都發(fā)生了轉(zhuǎn)向，也就證明了高壓條件的循環(huán)流要比常規(guī)壓力下的循環(huán)流更加的強(qiáng)烈，并且也能有效地規(guī)避由于在循環(huán)過程中超出鋼液面時(shí)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(shí)驗(yàn)主要利用的是高溫高壓反應(yīng)釜，在將氮?dú)獯等胨M裝置后，保證裝置內(nèi)擁有較為充盈的高壓氣氛，再向反應(yīng)釜內(nèi)部直接吹入當(dāng)期，實(shí)驗(yàn)人員利用窺視孔進(jìn)行反應(yīng)變化的觀察，從而建立有效的數(shù)據(jù)參數(shù)，并對(duì)實(shí)際反應(yīng)視頻進(jìn)行有效的記錄。在常壓環(huán)境中，底吹進(jìn)行后會(huì)導(dǎo)致鋼液面發(fā)生非常劇烈的振動(dòng)，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(qū)溢出液面的成分會(huì)逐漸增大，但是在壓力為0.46MPa時(shí)，在液面發(fā)生涌動(dòng)的就只是上升氣柱了，整體鋼液的液面處于平靜狀態(tài)，此時(shí)這對(duì)水模擬以及數(shù)值模擬的參數(shù)進(jìn)行比較，兩者基本吻合，并且能進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬過程中得出的數(shù)據(jù)具有非常高的準(zhǔn)

確率。

3 高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

利用高壓技術(shù)冶煉高氮鋼，主要采取的是高壓底吹氮法。在實(shí)驗(yàn)中，利用的設(shè)備和條件包括功能反應(yīng)釜、底吹流量以及坩堝，其中多功能反應(yīng)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(shù)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(gè)實(shí)驗(yàn)要在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，利用溫度控制系統(tǒng)以及抽真空系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)氛圍的維護(hù)，并且利用底吹氣體控制系統(tǒng)調(diào)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

具體的操作步驟是，首先要將已經(jīng)調(diào)制好的原材料直接放入反應(yīng)釜，并且要嚴(yán)格管控密封條件，利用冷卻水進(jìn)行真空環(huán)境的營(yíng)造，保證真空低于40Pa，然后逐漸升溫，直到內(nèi)部環(huán)境已經(jīng)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(nèi)部直接充入氮?dú)猓诒ＷC溫度和壓力達(dá)到熔煉條件之后，有效地進(jìn)行底吹操作，試驗(yàn)過程中對(duì)于整體環(huán)境和參數(shù)要進(jìn)行謹(jǐn)慎的數(shù)據(jù)關(guān)注，保證全部過程按照設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行，待底吹精煉結(jié)束，撤出溫度加熱，在溫度逐漸降低的過程中有效地補(bǔ)充氮?dú)?，直到鋼液在恒壓條件下逐漸凝固。實(shí)驗(yàn)人員可以通過窺視鏡觀察到整個(gè)過程，具體參數(shù)如下：溫度T升高，坩堝內(nèi)原料熔化，在溫度T=1500℃時(shí)，出現(xiàn)黃色鋼液；當(dāng)溫度T=1550℃時(shí)，原料全部熔化。針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，較傳統(tǒng)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(shí)驗(yàn)人員還要取一定的樣本進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

3.2 含量分析

在對(duì)數(shù)量進(jìn)行分析的過程中，含氮量和壓力分析結(jié)果呈現(xiàn)的線性關(guān)系，含氮量的計(jì)算值和試驗(yàn)值比較一致，當(dāng)溫度控制在1873K時(shí)，若是試驗(yàn)人員冶煉半小時(shí)，則壓力值為1.32～1.48MPa，此時(shí)得到的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.9%～1.0%的Cr18Mn18N高氮鋼，而當(dāng)實(shí)際壓力控制在0.5～2.0MPa之間時(shí)，氮含量會(huì)隨著壓力值的增大而逐漸增大。

另外一種情況就是針對(duì)Cr12N，壓力值從1.1～1.2MPa時(shí)，其制備的含氮量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)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(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

3.3 偏析分析

在對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析的過程中，凝固時(shí)的具體壓力數(shù)值會(huì)對(duì)氮?dú)馀葺敵鲋诞a(chǎn)生影響，也就是說，不同的凝固壓力會(huì)對(duì)氮含量產(chǎn)生影響，在1.0MPa的情況下，整個(gè)區(qū)域內(nèi)氮的橫縱結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的偏析，其中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)控制在0.205%～0.394%之間，并且在鑄錠結(jié)構(gòu)中，下部的氮含量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)對(duì)于結(jié)構(gòu)上部，且在凝固過程結(jié)束后，鑄錠的頂端氮含量數(shù)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(shí)，氮元素的偏析程度明顯小于低壓條件，各個(gè)部位的氮含量也會(huì)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(jié)語

總而言之，應(yīng)用高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中具有較為廣泛的前景，需要研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)

探究。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙家春，董海剛，范興祥，等.難溶銠物料高溫高壓 快速溶解技術(shù)研究[J].貴金屬，2013，34（1）.

[2] 劉瑞華，郭莉，戰(zhàn)興銳，等.粉末冶金技術(shù)在ADN高 壓噴油泵上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2011，18（4）.

[3] 王書桓，趙定國(guó).高壓冶金技術(shù)在高氮鋼冶煉中的應(yīng) 用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，45（1）.

[4] 謝鏗，王海北，張邦勝，等.輝鉬精礦加壓濕法冶金 技術(shù)研究進(jìn)展[J].金屬礦山，2014，22（1）.

[5] 邵明，關(guān)航健，肖志瑜，等.機(jī)械蓄能式高速壓制設(shè) 備的溫高速壓制試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013， 49（18）.