高压_底吹氮法高氮钢精炼因素分析

Iron and St eel
高压 - 底吹氮法高氮钢精炼因素分析
赵定国1 , 吕晓芳2 , 王书桓3 , 白艳江3
2. 邢台职业技术学院 ( 1. 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点 实验室 , 北京 100081; 资源与环境工程系 , 河北 邢台 054000; 摘
3. 河 北理工大学冶金与能源学院 , 河北 唐山 063009)
修订日期 : 2009 -01 -15
。 20 世纪 30 年 代和 40 年代 , 战争
期间由于镍的短缺刺激了以氮代镍以稳定奥氏体区 的可能性研究。高氮钢精炼技术已在世界上一些国 家大力发展应用。精炼过程中 , 利用高压气氛和底 吹氮气提高高氮钢中氮的含量 , 是制造高氮钢的可 行方法。向钢中增加氮的方法主要分为两类, 固态 氮化法和熔炼增氮 ( 液态氮化 ) 法[ 3] 。目前高压 -底 吹氮气的技术尚处于实验研究阶段 , 还难以大量应 用于实际的生产中 , 对高氮钢的研究还有相当多的 工作可做。
and Energ y, Hebei P olytechnic U niv ersity , T ang shan 063009, H ebei, China) Abstract: Char acters of hig h nit rog en steels r ef ining w ith high pr essure and botto m - blow n nit rog en w as ex pounded. T hermal state miniative ex per iments in the laborato ry was car ried out and co nfirmed that the gr ade of factor s w hich affect the nitro gen co ntent in steels are pressur e, the Cr content, t he M n content and temperature w hich the o rder is from hig h to low by ana lyzing the ex perimental data. Based on the ex per imental data and thermodynamic data, expressio ns of nitro gen co ntent in hig h nitro gen steels have been established, and the nitr og en content can be calculated wit h differ ent pressures, the content o f different alloy and different temper atures. Key words: high nitro gen steel; ort ho go nal experiment; factors analysis; calculat ion of nit rog en so lubility
凝固过程中高压氮气也起到了重要作用由于在树枝晶与熔融金属糊状区不均匀界面间有大量氮形核的机会而停止吹气后正在凝固的金属净压头和熔池上部的高压共同作用限制了表面张力的波动范围使得氮难以形成气泡和逸出
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第 8期
钢
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Vo l. 44, N o. 8 Aug ust 2009
2 0 0 9 年 8 月
平均离差平方和 M S 0. 262 404 0. 013 680 0. 027 288 0. 021 400 0. 003 625 F值 72. 380 75 3. 773 446 7. 527 124 5. 902 997 显著性
查 F 分布表: F ( 3, 3) = 29. 46, F ( 3, 3) = 9. 28, F 0. 10 ( 3, 3) = 5. 39。可见 , F A > F 0. 01 ( 3, 3) , F 0. 05 ( 3, 3) > F C > F D > F 0. 10 ( 3, 3) , 而 F B < F 0. 10 ( 3, 3) 。显著性检验结果表明, 因素 A 对指 标影响 高度显著 ; 因素 C 、 D 对指标影响显著 , 且因素 C 的 影响程度大于因素 D; 因素 B 对指标影响不显著。
1
高压 - 底吹氮法精炼的特点
钢液中含氮量随氮气压力的提高而提高, 但实 际生产中能否达到要求的含氮量 , 还与动力学因素 密切相关。高的氮气压力使氮难于从液面逸出 , 搅
作者简介 : 赵定国 ( 1981 -) , 男 , 博士生 ; E -mai l: gyyz hao@ 163. com ;
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2
2. 1
数据分析
实验设备和方法 实验设备为高温高压反应釜, 如图 1 所示 , 高氮 熔化 精炼 凝固
钢精炼实验主要流程为装料
2. 3 方差分析 方差分析可以把因子水平变化引起的实验数据 的差异和误差引起的实验数据的差异区分开来。实 验有 m = 4 个因素 , 做 n = 16 炉实验 , 钢中氮含量为
Table 1
炉次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 压力 / M Pa 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 1. 0 1. 0 1. 0 1. 0 1. 5 1. 5 1. 5 1. 5 2. 0 2. 0 2. 0 2. 0 5 9 1 粗碳管 ; 6 坩埚 ; 2 粗刚玉管 ; 透气塞 ; 13 7 11 3 密封垫 ; 4 8 12 细碳管 ; 上石墨套筒 ; 耐火砖 ; 细刚玉管 ; 下石墨套筒 ; 石墨保温套 ; 14 热电偶
要 : 阐述了高压 - 底吹氮法精炼高氮钢的特点 。在实验 室进行了小 型热态 正交实 验 , 通 过分析 实验数 据 , 确 定
了各因素对钢中氮含量的影响程度由高到低依次为压力、 合金 Cr 含 量、 合金 M n 含量 和温度。根据 实验数据和 热 力学 数据采用回归系数法 , 建立了钢液中氮含量的计算式 , 利用公式可以计算不同 压力、 合 金元素含 量和温度下 钢 中的氮含量。 关键词 : 高氮钢 ; 正交实验 ; 因素分析 ; 氮含量计算 中图分类号 : T F 764. 1 文献标识码 : A 文章编号 : 0449 - 749X( 2009) 08 - 0029 - 05
出炉。实验中考察压力、 温度、 合金元素 Cr 含量和 合金元素 M n 含量 4 个因素 , 设计采用四水平的正 交表 L 16 ( 4 ) 安排实验 。
5 [ 4]
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x 1 , x 2 , , x k , , x n , 每个因素有 n a = 4 个水平 , 每 个水平做 a = 4 次实验。根据表 1 中的正交实验结
10 发热体 ;
支撑砖 ;
图1 Fig. 1
反应容器简图
Sketch of reaction container
2. 2 实验数据 正交实验和结果如表 1 所示。
表 1 正交实验和结果 Orthogonal table and the results of experiment
温度 / K 1 860 1 890 1 920 1 950 1 860 1 890 1 920 1 950 1 860 1 890 1 920 1 950 1 860 1 890 1 920 1 950 合金 17 18 19 20 18 17 20 19 19 20 17 18 20 19 18 17 合金 17 18 19 20 19 20 17 18 20 19 18 17 18 17 20 19 w ( [ N] ) / % 0. 548 0. 571 0. 622 0. 712 0. 803 0. 722 0. 821 0. 639 1. 132 1. 121 0. 786 0. 752 1. 301 1. 113 1. 282 1. 109 w ( Cr) / % w ( M n) / %
表2 Table 2
方差来源 A B C D 误差 离差平方和 0. 787 213 0. 041 040 0. 081 865 0. 064 201 0. 010 876 自由度 3 3 3 3 3
果 , 对影响钢中氮含量的因素进行显著性分析 著性检验方差分析见表 2。
方差分析

,显
Variance analysis
Analysis of High Nitrogen Steels Refining Factors With High Pressure and Bottom - Blown Nitrogen
ZH AO Ding - guo 1 , L Xiao - f ang 2 , WANG Shu - huan3 , BAI Yan - jiang 3
( 1. State K ey L abo rato ry for Advanced Ir on and Steel P rocesses and Pro ducts, Cent ral Iro n and Steel Research Inst itute, Beijing 100081, China; 2. Resource and Envir onment Eng ineer ing Depart ment 3. School of M etallur gy Xingtai V ocational and T echnical Inst itute, Xing tai 054000, H ebei, China;
直到 20 世纪初 , 人们才开始注意到氮在钢铁中 的有益作用
[ 1, 2]
拌却使氮和熔融金属在整个钢水中混合均匀 , 大大 减小氮原子的扩散距离。因此熔融钢液中氮的浓度 取决于大量的热力学和动力学因素, 而最重要的因 素是在熔炼过程中氮的加压溶解和熔融金属的强烈 搅拌。 1. 1 高压气氛 钢铁冶炼生产采用压力的一个极 端 - 真空技 术 , 发展出了以 RH 为代表 的二次精炼设 备, 可以 在生产中冶炼出超低碳钢等高质量纯净钢 , 与此相 反 , 高压技术则采用的是压力的另一个极端。在许 多工业行业中, 高压是推动进步的基础。高压应用 于其它行业已经很长时间了 , 而在冶金领域高压使 用值并不高 , 这就是为什么与压力相关的其它工业 行业技术指标显著的原因。 客观上, 过去十几年间常规冶金和铸造的危机 刺激了高氮钢及增压冶金的发展。常规冶金全球化
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主要原因是几千年来三个热力学参数 ( 压力、 温度、 化学成分 ) 只用了后两个 , 而现在对这两个参数的应 用几乎达到了极限。冶金业也逐渐使用压力这一参 数。压力是强因素, 在三个热力学参数中, 只有压力 可以以数量级形式改变。化学成分及温度对生产成 本有强烈的影响, 而高压的生产成本并不明显。保 加利亚金属研究所根据 30 年的经验, 有理由相信在 生产高氮钢领域 , 高压冶金有很大发展前景。 实验室内熔铸高氮钢实验中, 熔铸氮气氛最高 达到 2 M Pa, 凝固时补充氮气 , 始终保持较高压力 , 使钢中的氮含量得到很大提高。 1. 2 底吹气体 在转炉和 L F 精炼炉等设备上均采用了底吹气 体。连续的气泡涌过钢液, 在钢液内受热后做等压 可逆膨胀 , 含有很多气体的上升液流占据了大部分 的熔池断面, 气体的一部分随下降的液体继续循环 , 过剩的气体逸出钢液 , 留下的液体进行着环流。底 吹使得钢液成分和温度更加均匀 , 同时上升的气泡 可以携带一部分杂质 , 起到了净化钢液作用。 单纯高压法熔铸高氮钢 , 需要向熔液内添加氮 化合金粉末, 或在超过与规定氮含量相平衡的氮分 压许多的超高压条件下, 才能在理想的时间内完成 钢液氮合金化的任 务。若从底 部向钢液中吹 入氮 气, 弥散的氮 气泡可以增加 气相 - 熔体界面的 表面 积, 建立良好的循环流场 , 有效的促进钢液中氮含量 与气相氮分压接近平衡。底吹氮气大大的改善了冶 炼的动力学条件 , 降低精炼容器内的工作压力、 缩短 熔炼时间。采用气体增氮方法 , 即在高于平衡压力 条件下对钢液进行底吹氮气搅拌应该是一种有前途 的、 适合于大规模生产超高氮钢的方法。 实验室内熔铸高氮钢实验中, 通过盛装原料的 坩埚底部偏心 5 mm 的透气塞底吹氮气, 透气塞上 均匀分布 3 个透气孔, 使得底吹的气体在坩埚内搅 拌钢液, 加快了氮的合金化。底吹氮气后, 可以同时 充分的均匀钢水的成分和温度。