王 濤 羅玉立

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

N在鋼中溶解特性的分析研究

王 濤 羅玉立

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

統(tǒng)計(jì)碳鋼、Cr1～Cr5鋼、不銹鋼在冶煉過(guò)程中的N含量變化情況，分析了不同Cr含量水平、冶煉條件、真空精煉后的出鋼時(shí)間等因素對(duì)N的溶解度的影響，找出降低鋼中N含量的方法。

C鋼;Cr鋼;N含量;溶解度

N作為鋼液中的氣體元素，對(duì)材料的性能有很大的危害，在一般的材料中均作為有害元素加以控制。但是，N可溶解于鋼液中，形成間隙式固溶體，有擴(kuò)大鋼的奧氏體相區(qū)的作用，同時(shí)可以與Mn、Cr、Al、V、Ti形成穩(wěn)定的氮化物，又難以去除。另外如果鋼中殘留的N過(guò)高會(huì)導(dǎo)致宏觀組織疏松或氣孔。所以加氫、轉(zhuǎn)子、支承輥等產(chǎn)品對(duì)N含量的上限均作了嚴(yán)格的要求。

為了掌握N在鋼中的溶解規(guī)律，了解常見(jiàn)鋼種中N含量的實(shí)際水平，準(zhǔn)確掌握鋼中N含量與合金元素的相互影響關(guān)系，對(duì)此開(kāi)展了系列研究工作，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 氮在鋼液中的溶解度的理論計(jì)算

由于鋼液中有C、Si、Mn、Cr等合金元素的存在，所以，N的溶解就不能作為稀溶液處理，fN≠1，而lg fN=∑еJN［j］。

N在鋼液中的溶解服從平方根定律為:

各種元素的еXN參數(shù)值如表1所示。利用公式(4)、(5)對(duì)碳鋼、Cr1～Cr5、不銹鋼六大類(lèi)鋼中N的溶解度進(jìn)行理論計(jì)算，見(jiàn)表2。

表1 各種元素的еXN參數(shù)值Table 1 ParametersеXNof various elements

表2 常見(jiàn)鋼種中N的理論溶解度Table 2 Theoretical solubility of N in common steel grade

從表2可以看出，總體來(lái)說(shuō)，N的溶解度隨Cr含量的增加而增加，但Cr1鋼中N含量不完全符合這一規(guī)律，這是因?yàn)镃r1鋼中Mn、V含量較高，故導(dǎo)致了N含量較其他鋼種要高。

2 生產(chǎn)實(shí)際情況

為了準(zhǔn)確掌握在冶煉過(guò)程中N在鋼液中的溶解度，對(duì)比理論計(jì)算與實(shí)際含量之間的差異，對(duì)C鋼及不同Cr含量的鋼種在冶煉的不同時(shí)期取樣，進(jìn)行了N含量的統(tǒng)計(jì)、分析。

圖1 不同Cr含量下N的變化曲線Figure 1 Changing curves of N in condition of different Cr contents

2.1 N含量隨鋼中Cr含量的變化趨勢(shì)

不同Cr含量下N的變化曲線見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，N含量變化趨勢(shì)符合表2理論計(jì)算的總體趨勢(shì)。實(shí)際N含量低于理論計(jì)算值。

2.2 N含量隨取樣時(shí)間的變化趨勢(shì)

不同取樣時(shí)間的N含量變化曲線見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，電爐兌鋼N含量水平對(duì)成品N含量有影響，兌鋼N含量越高，爐前成品樣N含量越高。真空精煉后N含量最低。

2.3 真空精煉后N含量與出鋼時(shí)間的關(guān)系

真空后取樣個(gè)數(shù)越多，意味著真空后至出鋼的時(shí)間越長(zhǎng)，故用取樣個(gè)數(shù)代表真空精煉時(shí)間，真空精煉后N含量的變化見(jiàn)圖3。從圖3可知，隨真空精煉后時(shí)間的延長(zhǎng)，N含量有增加趨勢(shì)，時(shí)間越長(zhǎng)，增加越明顯。

2.4 真空澆注后N含量的變化

真空澆注后，鍛件實(shí)際N含量見(jiàn)圖4。對(duì)比圖4和表2發(fā)現(xiàn)，鍛件實(shí)際N含量高于理論計(jì)算。

2.5 Al含量對(duì)N含量的影響

為了研究Al含量對(duì)N含量的影響，對(duì)Cr1鋼種進(jìn)行了加Al試驗(yàn)研究，見(jiàn)圖5。同鋼種加入0.015%左右的Al就會(huì)明顯的增加鋼中的N含量。

3 原因分析

N元素由于其自身的特殊性，作為有害氣體元素加以去除時(shí)，非常難以除掉，這是因?yàn)镹在鋼中溶解受多種因素的綜合影響，主要因素有:

(1)冶煉、澆注方法。冶煉澆注方法的不同直接影響著鋼中的N含量，從公式(4)可知真空精煉和非真空精煉、真空澆注和大氣澆注直接關(guān)系到實(shí)際N分壓的大小，進(jìn)而影響N含量。

(2)合金的加入方式、時(shí)間。集中加入和分散加入、真空精煉前加入和真空精煉后加入對(duì)鋼中N含量也是有很大影響的。

(3)合金中的N含量。合金中的N含量的高低也會(huì)對(duì)殘余N有影響。

(4)鋼水溫度。溫度越高，N在鋼液中的溶解度越大，反之，則降低。

(5)鋼種化學(xué)成分。從公式(4)可以看出，C、Si、Ni等元素是降低N的溶解度的元素，而Mn、Cr、V、Nb等元素是提高N的溶解度的元素。從圖5可以看出Al也是親N元素，有很好的固N(yùn)作用。

(6)冶煉時(shí)間。特別是真空精煉后至出鋼的時(shí)間，直接影響著鋼中的N含量。

煉鋼過(guò)程是一個(gè)非常特殊的過(guò)程，各種影響因素相互影響導(dǎo)致理論計(jì)算和實(shí)際結(jié)果差異很大。盡管理論計(jì)算真空澆注的鋼種N含量≤30 ×10-6，但在實(shí)際生產(chǎn)中去N難度很大，這在含Al的鋼種中體現(xiàn)最為明顯，即使采用雙真空的工藝流程，將N控制在較低水平難度也很大。而對(duì)于C鋼，即使沒(méi)有添加親N元素，實(shí)際N≤30× 10-6也是很難的。

圖2 不同取樣時(shí)間的N含量變化曲線Figure 2 Changing curves of N in condition of different sampling times

圖3 真空精煉后N含量變化與取樣時(shí)間的關(guān)系Figure 3 The relationship between N content variation and sampling time after vacuum refining

圖4 真空澆注鍛件N含量Figure 4 N content of vacuum poured forging

圖5 Al含量對(duì)N含量的影響Figure 5 Influence of Al content on N content

4 結(jié)論

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)鋼中N含量隨Cr含量的增加而增加。

(2)電爐粗煉鋼水N含量的高低對(duì)LF精煉鋼水N含量水平有影響。電爐粗煉鋼水N含量越高，熔煉成品鋼水N含量越高。

(3)真空精煉后至出鋼時(shí)間越短，N含量越低。

(4)Al、V等合金對(duì)N的溶解度影響較大。

(5)實(shí)際統(tǒng)計(jì)的N含量與理論計(jì)算有差別，這是冶煉過(guò)程多種因素綜合影響的結(jié)果。

［1］ 黃希祜.鋼鐵冶金原理.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.

［2］ 鄧林濤，劉志穎，等.提高18Mn-18CrN護(hù)環(huán)鋼中氮含量及收得率的研究.大型鑄鍛件，2002(3):5-9.

編輯 杜青泉

Analysis and Research on Dissolved Properties of N in the Steel

W ang Tao，Luo Yuli

The change situations of N contents in smelting processes of carbon steel，Cr1～Cr5 steel and stainless steel are summed up.The influence of different Cr contents，smelting conditions and the tapping time after vacuum refining on solubility of N is analyzed to find out themethod to decrease N content in steel.

C steel;Cr steel;N content;solubility

TF02

B

2014—01—15