AOD冶炼不锈钢氮合金化控制模型的研究和应用(学习材料九十七)

学习材料（九十七）1AOD冶炼不锈钢氮合金化控制模型的研究和应用孙铭山邹勇范光伟（太原钢铁（集团）有限公司技术中心，太原030003）摘要根据氮在钢中的溶解热力学和脱除动力学理论，建立了AOD精炼氮合金化的控制模型。经45tAOD装置精炼0Cr19Ni9N不锈钢（%：≤0.08C、18～20Cr、8～11Ni、0.10～0.16N）的应用结果表明，模型计算与实测值吻合良好，可通过AOD氮气溶解和氩气脱除，精确控制不锈钢的N含量。关键词AOD氮合金化控制模型不锈钢中实现氮合金化有两种方法：（1）氮化合金加入钢液中；（2）氮气溶解在钢液中。后者具有成本优势。在实际生产中，AOD实现不锈钢氮的合金化主要是在其冶炼过程中利用氮气的溶解和氩气的脱除来实现，具体工艺为两步：（1）AOD冶炼前期吹炼过程中氮气和氧气按一定比例逐步升高吹炼，到最后达到完全氮气吹炼，从而实现氮的饱和溶解，即达到氮的溶解度。（2）后期应用氩气脱氮的动力学理论，精确控制氮含量到目标值范围内。基于氮在不锈钢中的溶解和脱除理论，建立了AOD氮合金化控制模型，经太钢45tAOD生产应用，实现了含氮不锈钢中氮含量的精确控制。1氮在不锈钢液中溶解度模型的建立1.1氮在钢液中的溶解度氮是气体元素，其在钢中的溶解度服从SIEVERTS定律，氮的反应式和溶解度公式为：1/2N2=[N]（1）[N]=2NNNPfK（2）式中：[N]-钢液中氮的质量百分浓度；NK-氮溶解的平衡常数；Nf-钢液中氮的活度系数；2NP-氮气分压。1.2压力、温度和化学成分的影响从（1）式可知：压力对钢中氮的溶解度影响比较简单，随体系氮分压的升高氮在钢中的溶解度增加。氮在纯铁液中的溶解标准自由能采用Pehlke[1]和Elliott[2]推荐的数据，即：[N]=NNTfP245.2118810﹣﹣（3）由（3）式可知：氮在铁液中的溶解是吸热过程，因而随温度升高，氮的溶解度增加。合金元素对氮在钢中溶解度的影响是由于合金元素的加入，改变了氮在钢中的活度。如果合金元素与氮的亲和力强，氮在钢中的活泼程度下降即活度减小，氮含量增加。反之则相反。根据Chipman和Corrigan的研究[3]，在不考虑合金之间交互影响的条件下，合金元素和温度对氮在钢中的活度系数的影响可用下面公式表示：不像冶铸厂所言充[N]，而应叫做氮合金化。取C样后调小氧气流量；进入预还原后停氧吹氮取预还原样后，进入精炼微调成分期因而建议核电锻件用钢在最后出钢前20min进行氮合金化Cr、Mn是与氮亲和力强的元素学习材料（九十七）2lgNf=T3280-0.75jjNe(1873K)·[j]（4）式中：jNe-钢液中元素j对氮的相互作用系数；[j]-钢液中元素j的百分含量。由公式（4）和（3）可推出如下公式：Lg[N]=-T188-1.245＋2lg21NP-T3280-0.75jjNe(1873K)·[j]（5）令(5)式中的温度项-T188-T3280jjNe(1873K)·[j]=0，可得出：温度对钢中氮的溶解度影响因钢种化学成分的不同而不同，当jjNe(1873K)·[j]＞-0.0573时，温度升高钢中氮的溶解度增加。当jjNe(1873K)·[j]＜-0.0573时，温度升高钢中氮的溶解度降低。1.3氮在不锈钢液中的溶解度不锈钢是一种合金钢，合金元素对氮在不锈钢的溶解度影响很大，其合金元素的相互作用系数由表1所示[4]。表1在1600℃时氮与合金元素的相互作用系数jNeTable1InteractioncoefficientjNebetweennitrogenandalloyingelementsat1600℃NNeCNeSiNeMnNePNeSNeONeCrNeNiNeMoNeCuNeTiNeNbNe00.130.047-0.0230.0460.007-0.12-0.0450.01-0.010.0090.85-0.10因不锈钢中[P]、[S]和[O]非常低，其相互作用系数是绝对值不大，对氮的活度系数影响很小，可以忽略不计。将表中的数值代入公式（5）中得出氮在不锈钢熔体中的溶解度为：Lg[N]=-T188-1.245＋21lg2NP-T3280-0.75(0.13[C]＋0.047[Si]-0.023[Mn]-0.045[Cr]＋0.01[Ni]-0.01[Mo]＋0.009[Cu]＋0.85[Ti]-0.10[Nb](6)基于不同的不锈钢的成分利用公式（6）计算（4）式中的jjNe(1873K)·[j]的数值如表2所示。表2不锈钢jjNe(1873℃)·[j]数值Table2jjNe(1873℃)·[j]valueofstainlesssteels钢种jjNe(1873℃)·[j]304-0.72304L-0.74316-0.66316L-0.642205-0.96201-0.73202J-0.75从表2中的数值可知：最常见的不锈钢的jjNe(1873K)·[j]的数值都＜-0.0573，因而氮在钢液中的溶解度随温度的升高而降低。这与一般碳钢钢液中氮的溶解度随温度升高而增因钢种不同而异，不锈钢最忌讳低[P]学习材料（九十七）3加的规律是不同的，这主要是由于合金元素对氮的作用，改变了碳钢钢液中氮的溶解度随温度增加而升高的规律。2氩气脱氮的动力学控制模型基于AOD氩气脱氮的动力学条件，即氩气侧吹搅拌，氮在钢液传质动力学条件非常好，其脱氮过程主要受氩气泡与钢液之间的界面化学反应控制，氮的脱除为二级反应。根据二级脱氮的动力学模型[5]：-dtNd][=VA·CK(2][N-2][iN)（7）式中：dtNd][-脱氮速度；CK-界面化学反应常数；A-反应表面积/cm2；V-钢液的体积/cm3；[N]-钢液氮的百分含量/%；[N]i-与氩气泡平衡的钢液氮的百分含量/%。用氩气脱氮，可以确定[N]i=0，代入公式积分可以分别得到：][1N-sN][1=VACKt(8)式中：t-时间/s；[N]s-起始氮浓度。假定单位时间氩气流量与其界面面积成正比，即VAr=B·A，公式(8)可变为：CKBV·][1N-sN][1=ArV(9)式中：VAr-吹入的氩气量。通过(6)式和(9)式建立了冶炼AOD不锈钢控制氮含量的数学模型，应用(6)式可计算出AOD吹炼结束后氮的含量；为(9)式提供初始氮含量参数，从而计算出达到目标氮含量需要的吹氩量。AOD实际冶炼中按计算数值切换氮气、氩气冶炼时间，确保吹入氩气量，从而达到目标氮含量。3AOD氮气合金化模型的应用基于上面推导的控制模型，在太钢45t的AOD（表3）上进行了冶炼0Cr19Ni9N含氮钢（%：≤0.08C、18～20Cr、8～11Ni、0.10～0.16N）氮含量控制的大生产应用。具体的操作工艺表345tAOD的主要参数Table3Mainparametersof45tAODunit项目参数公称容量/t45炉子总高/m5.42炉子外径/m3.71工作容积/m322.37炉容比0.497炉子风口数/个3顶枪有除尘能力/(m3·h－1)320000是：脱碳过程全部用氮气和氧气吹炼，吹炼过程结束后，改用氩气来精确控制钢中要求的氮含量目标。实际生产中AOD吹炼结束后测试的结果与根据钢液温度、各合金成分和在1标准操作多了，经验也就摸索出来了，这样的[N]含量基本到精炼期才采用Ar换吹N2，该钢种不经LF炉精炼可直接上连铸。学习材料（九十七）4大气应用控制模型计算的数值对比（图1a），脱氮控制模型（9）式计算得出数值与实测值的对比（图1b）。从图1中的数据可知，实际测定结果与溶解度模型计算结果接近，误差在50×10－6范围之内；从图1（b）的数据可知，实际测定结果与模型计算的结果基本吻合。16901695170017500.050.100.150.200246计算值实测值计算值实测值(a)(b)温度/℃时间/min图10Cr19Ni9N不锈钢中氮溶解度模型理论计算值与实际测定值结果的对比：(a)温度；(b)时间Fig.1Comparisonbetweencalculateddatabyde-nitridingmodelwithargonandmeasureddataforstainlesssteel0Cr19Ni9N：(a)temperature；(b)time基于上述结果，氮在不锈钢中的溶解度模型和氩气脱氮模型完全可以作为AOD冶炼含氮不锈钢的控制模型来应用，从而实现氮含量的精确控制。4结论（1）基于氮在钢液中的溶解度热力学分析推导出不锈钢氮溶解度公式，并分析了合金元素和随温度对氮溶解度的影响，确定了不锈钢氮溶解度随温度变化的临界热力学条件。（2）建立了氩气脱氮的控制模型，经现场应用计算出的数据与实际生产中测定的结果基本吻合。[参考文献]1234魏寿昆，冶金过程热力学，上海：上海科学技术出版社，1980。5傅杰，钢冶金过程动力学，北京：北京工业出版社，2001。孙铭山（1970-），男，博士，高级工程师，2003年上海大学毕业，不锈钢的冶炼、连铸和轧制工艺技术研究及不锈钢产品开发。收稿日期：2008-05-12即0.005%学习材料（九十七）5