不锈钢熔体中氮溶解度的热力学计算模型
脉冲加热惰气熔融–热导法测定不锈钢冶金粉末中氮含量
脉冲加热惰气熔融–热导法测定不锈钢冶金粉末中氮含量
孙丽;朱春要;秦建;张继明
【期刊名称】《冶金工程》
【年(卷),期】2024(11)1
【摘要】对脉冲加热惰气熔融-热导法测定不锈钢冶金粉末中氮含量的方法进行优化,试样在110℃干燥箱中干燥1 h,脱气周期2次,脱气功率5.7 kW,燃烧功率为5.2 kW,氮分析时间55 s,样品称样量为0.2 g~0.5 g,锡囊做包裹容器、镍囊做助熔剂,
室内空气湿度< 70%条件下,样品中的氮释放完全,无拖尾现象,可以获得最佳结果。
同时校准曲线标准物质与试样均采用锡囊包裹容器、镍囊做助熔剂,可以消除影响。
方法的检出限为0.0000408%,检出下限为0.000136%。
分别对3种不同含量试样进行精密度试验,测定结果的相对标准偏差(n = 6)为0.32%~0.75%,方法回收率在95.7~105.6之间,方法准确、快速,可用于不锈钢冶金粉末中氮含量的快速测定。
【总页数】8页(P27-34)
【作者】孙丽;朱春要;秦建;张继明
【作者单位】江苏省(沙钢)钢铁研究院张家港
【正文语种】中文
【中图分类】TG1
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量4.脉冲加热惰气熔融-热导法测定微氮合金中氮含量5.惰气熔融-热导法测定高含氮量碳氮化钛粉末中氮含量
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氮在液态FeCrMnNi系不锈钢中的溶解
第4卷第1期材 料 与 冶 金 学 报Vol 14No 11 收稿日期:2004211209. 基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(项目批准号50374053). 作者简介:张峰(1976-),男,河南正阳人,硕士研究生;李光强(1963-),男,辽宁盖州人,武汉科技大学教授,博士生导师.E 2mail :ligq 2wust @mail 1wust 1cdu 1cu2005年3月Journal of Materials and MetallurgyMarch 2005氮在液态Fe 2Cr 2Mn (Ni)系不锈钢中的溶解张 峰,李光强,朱诚意,彭其春,杨成威(武汉科技大学 材料与冶金学院,湖北武汉430081)摘 要:对14Cr8Mn ,16Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo 不锈钢中氮的溶解行为进行了实验研究.研究结果表明,1873K ,N 2气压力为011MPa 时,14Cr8Mn ,16Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo 不锈钢中氮的溶解度(质量分数)分别为01242%、01299%和01226%,氮在液态不锈钢中的溶解符合Sie 2vert 定律;在对钢液没有搅拌的情况下,测定了1873K 时氮在这三种不锈钢中的传质系数,分别为5172×10-3m/min ,6113×10-3m/min 和7168×10-3m/min ;氮在不锈钢中的传质系数受表面活性元素氧、硫含量的影响.关键词:氮;不锈钢;溶解度;传质系数中图分类号:TF 068.24 文献标识码:A 文章编号:167126620(2005)0120178205Nitrogen dissolution in liquid Fe 2Cr 2Mn (Ni)stainless steelZHAN G Feng ,L I Guang 2qiang ,ZHU Cheng 2yi ,PEN G Qi 2chun ,YAN G Cheng 2wei(Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081,China )Abstract :Nitrogen dissolution in 14Cr8Mn ,16Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo has beenexperimentally investigated.The results show that ,at 1873K ,011MPa nitrogen atmosphere ,the solubilities of nitrogen in 14Cr8Mn ,16Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo steels are 01242%,01299%and 01226%,respectively.Nitrogen dissolution in liquid stainless steel follows Sievert’s law.The mass transfer coefficient of nitregen in these three liquid stainless steels was measured at 1873K without stirring.Their values are 5172×10-3m/min ,6113×10-3m/min and 7168×10-3m/min respectively.It is also confirmed that the mass transfer of nitrogen in these three liquid steels was influenced by the content of surface active elements ,such as oxygen and sulphur.K ey w ords :nitrogen ;stainless steel ;solubility ;mass transfer coefficient 含氮不锈钢因为用氮代替部分镍而比较经济,且在性能上具有优势[1～5],故得到了世界各国的广泛关注.近年来,国内外纷纷开始研制并生产含氮不锈钢,规模日益扩大.但限于氮在液态钢中有限的溶解度,目前常压下能工业化生产的含氮钢中氮的质量分数一般≤014%,以致向钢中添加氮的优点还没有完全发挥出来,进一步向钢中增加氮需要采用特殊的手段.先熔制含氮不锈钢,然后再向固态钢中渗氮是比较简单的高氮不锈钢制备方法[6～8].作为该方法制备含氮不锈钢的前提,本研究测定了1873K 时14Cr8Mn ,16Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo 三种含氮不锈钢中氮的溶解度,在对钢液没有搅拌的情况下,测定了1873K 时氮在这三种不锈钢中的传质系数.1 实 验111 实验设备及装置实验装置由铬酸镧高温电阻炉、气路以及气体流量的计量和控制系统组成.用于熔制不锈钢的高温电阻炉恒温区长度为80mm ,温度的测量采用B 型热电偶,控温采用Shimaden FP93温控仪,控温精度为±2℃;气路由瓶装氮气(φ(N 2)=99199%)、氩气(φ(Ar )≥99199%)、转子流量计、混合气体控制阀等组成;混合气体经变色硅胶脱水后,从炉底通入炉内,通过气2液界面扩散进入钢液,总流量为600ml/min ;不锈钢在高纯刚玉坩埚(内径44mm ,外径48mm ,高100mm )中熔化,此刚玉坩埚外套另一个刚玉坩埚作保护坩埚.实验装置如图1所示.图1 实验装置示意图Fig 11 Experimental apparatus112 实验用原材料实验选用工业用金属锰(w [Mn ]=9718%)、铬铁(w [Cr ]=6210%)、钼铁(w [M ]=6012%)、镍铁(w [Ni ]=45151%)和铝铁(w [Al ]=41111%)等合金以及还原铁粉作为熔炼不锈钢的原料.113 实验方法将按比例配合好的合金原料400g 装入刚玉坩埚,放入电阻炉内,在氩气下升温至1873K时,待试样熔化并在1873K 时保持015h ,用直径=315mm 的石英玻管取初始样淬火;然后按实验要求调节不同比例的氮、氩混合气体通入炉内,间隔一定时间取样淬火;试样经研磨抛光除去表皮后进行氧氮和其他化学成分分析,试样中氧、氮、碳、硫含量的分析分别采用了L ECO 公司生产的氧氮分析仪和碳硫分析仪,处理好的试样经混酸溶解后用ICP 2A ES 作化学分析,Si 用重量法分析.实验终点淬火试样的主要化学成分见表1.表1 实验用钢的主要化学成分(质量分数)T able 1 Chemical composition (m ass fraction)of steel used in present w ork%钢 种C Si Cr Mn Mo P S O N 14Cr8Mn 01260116141248106/01018010380100350124216Cr7Mn2Mo 013401621613971222121010210101901020129918Cr8Ni2Mo0111011317173Ni :715121310101401072010012012262 实验结果与讨论钢液的吸氮反应[9]可表示如下:N 2+2V a =2[N ]ad(1)[N ]ad =[N ]gm +V a(2)[N ]gm =[N ](3)总反应为:N 2=2[N ](4)式中:V a 表示气2液相界面可吸附氮的空位;N ad表示吸附态的氮;N gm 表示气2液相界面游离态的氮.即N 2首先在金属液面上发生物理吸附,N 2的键伸长,离解为氮原子,占有表面可吸附的空位,形成吸附态[N ]ad ,然后脱附成气2液相界面的游离态[N ]gm ,溶解进入钢液.吸氮反应的平衡常数可表示为:K =a N /p N 2/p=f N ×w [N ]eq p N 2/p(5)式中:a N 为钢液中氮的活度;f N 为氮的活度系数;w [N ]eq 为钢液中平衡时氮的质量分数,%;971第1期 张 峰等:氮在液态Fe 2Cr 2Mn (Ni )系不锈钢中的溶解p N 2为氮分压;p为标准压力.对式(5)两边取对数,得lg w [N ]eq =015lg (p N 2/p )+lg K -lg f N(6)式中平衡常数和活度系数的计算分别采用了Anson 等人[10]和Chip man 等人[11]的研究结果lg K =-322T-11182(7)lg f N =(3280T-0175)∑nj =1e jN w [j ](8) 1873K 时,铁液中元素的相互作用系数见表2.联立式(6),(7),(8),并忽略微量元素对钢液w [N ]eq 的影响,得到液态钢中平衡氮含量的计算公式:lg w [N ]eq =015lg (p N 2/p )-322T-11182-(3280T-0175)(01051w [N ]+01125w [C]+01047w [Si ]+0101w [Ni ]-0102w [Mn ]-01012w [Mo ]-01045w [Cr ])(9)式中:w [C ],w [Si ]……等分别代表钢液中[C ],[Si ]……等元素的质量分数,%.表2 铁液中元素的相互作用系数,1873K [10,12～14]T able 2 Interaction coeff icients of various elementson nitrogen in molten iron ,1873Ke N Ne CNe Si Ne Mn N e CrN e Ni N e Mo N010510112501047-0102-010450101-01012211 钢液中w [N ]的变化高温电阻炉内通入氮气后,钢液中氮的质量分数w [N ]与吸氮时间的关系如图2所示.图2 钢中氮含量与吸氮时间的关系Fig 12 V ariation of nitrogen contentin molten steel with time 从图2可以看出,随吸氮时间的增加,钢液中w [N ]不断增加并达到各自的稳定值,在本实验条件下钢液的吸氮反应主要发生在吸氮过程的前50min ,50min 以后,吸氮反应达到平衡.平衡时,钢液中实际测得的氮含量与按式(9)计算出的平衡氮含量的比较如表3所示.从表3可以看出,钢液中w [N ]eq 的实测值与计算值之间吻合较好.表3 钢液中氮含量的实测值与计算值(质量分数)T able 3 Measured and calculated nitrogen contents(in m ass fraction)in molten steel%钢 种实测值计算值14Cr8Mn 012420124816Cr7Mn2Mo 012990129418Cr8Ni2Mo0122601232212 钢中氮溶解的平衡常数K由式(6)可知,011M Pa 氮气氛中,钢中w [N ]eq 受氮溶解的平衡常数K 和钢中氮的活度系数的影响,而氮的活度系数与钢液成分有关.在正常冶炼情况下,钢液成分的波动不大,因此,氮溶解的平衡常数K 值对于准确预测钢中氮含量至关重要.Pehlke 等人[10,13,15,16]对氮溶解的平衡常数K 进行了测定,但不同的研究者测定的数值不尽相同.本研究通过测定钢中平衡氮含量并根据式(5)计算了氮气压力011M Pa ,1873K 时氮溶解的平衡常数K ,并与Pehlke 等人的测定结果进行了比较,如图3所示.图3 平衡常数与温度的关系Fig 13 R elationship betw een equilibriumconstant and temperature 从图3可以看出,本实验测定的1873K 时钢中氮溶解的平衡常数K 与Pehlke ,Sigwort h ,Anson 等人的结果相当吻合,由此说明式(9)可以用来预测1873K 时钢中氮含量.81材料与冶金学报 第4卷213 传质系数k N 的计算吸氮过程分为三个环节:由气相向气2液界面的传质;在气2液界面的化学反应;由气2液界面向液相的传质.一般认为,由气2液界面向液相的传质是钢液增氮的限制性环节.若按一级反应,钢液增氮的动力学公式如下[17]:ln w [N ]eq -w [N ]0w [N ]eq -w [N ]=k N ×F V mt(10)式中:F 为钢液气2液相界面积,cm 2;V m 为钢液体积,cm 3;k N 为氮在钢液中的传质系数,cm/s ;w [N ]0为钢液初始氮质量分数;w [N ]为钢液t 时刻氮质量分数;w [N ]eq 为钢液平衡氮质量分数;t为反应时间,s.1873K ,氮气压力011M Pa 时,钢液的吸氮反应是一级反应[18].式(10)中F 取坩埚横断面面积(15120cm 2),V m 取钢液在坩埚中所占的体积(121160cm 3).将实验数据代入式(10)进行线性拟合,可计算出吸氮过程中氮在14Cr8Mn ,17Cr7Mn2Mo ,18Cr8Ni2Mo 不锈钢液中的传质系数k N ,分别为5172×10-3m/min ,6113×10-3m/min 和7168×10-3m/min.与鍋岛诚司等[19,20]测得的k N =10×10-3～25×10-3m/min 相比,本实验测得的k N 值略显偏低,这除了受氧、硫表面活性元素的影响外,还可能受气体流量的影响.214 影响钢液吸氮的主要因素21411 氮分压与钢液吸氮的关系氮分压与钢中氮含量的关系如图4所示.图4 钢中氮含量与氮分压的关系Fig 14 R elationship betw een nitrogen contentin molten steel and N 2pressure 由图4可以看出,炉内氮分压的增加,钢中氮含量随之增加,钢中氮含量与炉内氮分压的关系符合Sievert 定律.21412 钢液成分与钢中氮含量的关系氮的活度系数受钢液成分的影响.1873K 时,氮的活度系数与钢中氮含量的关系如图5所示.图5中氮的活度系数的计算采用了式(8),即lg f N =(3280T-0175)×(01051w [N ]+01125w [C]+01047w [Si ]+0101w [Ni ]-0102w [Mn ]-01012w [Mo ]-01045w [Cr ])(11)图5 钢中氮含量与氮的活度系数的关系Fig 15 R elationship betw een nitrogen content and activity coeff icient of nitrogen in molten steel 由图5及式(11)可以看出,钢中Cr 、Mn 、Mo等元素的添加,降低了钢中氮的活度系数,使钢中氮含量增加;钢中Ni 元素的添加,增高了钢中氮的活度系数,使钢中氮含量降低,这就是不锈钢18Cr8Ni2Mo 中的氮含量比14Cr8Mn 和16Cr7Mn2Mo 明显偏低的原因.21413 表面活性元素氧、硫对钢液吸氮的影响如前所述,氮由气2液界面向液相的传质是钢液增氮的限制性环节,气2液界面上可吸附氮的空位数量是影响钢液吸氮的主要因素,而可吸附氮的空位主要被表面活性元素氧、硫占据,因此,钢中氧、硫的存在阻碍了钢液的吸氮[20～22].原島等人[23]给出的式(12)则说明,钢中氧、硫含量越低,钢液吸氮的速度就越快,氮的传质系数k N 就越大;钢中氧、硫含量越高,钢液吸氮的速度就越慢,氮的传质系数k N 就越小.k N =αf 2N /(1+161w [O ]+6314w [S])2(12)本实验测得的钢液初始氧(质量分数)w [O ]Init.与氮的传质系数k N 的关系如图6所示.181第1期 张 峰等:氮在液态Fe 2Cr 2Mn (Ni )系不锈钢中的溶解图6 钢液中初始氧质量分数w[O]I nit.与氮的传质系数k N的关系Fig16 R elationship betw een m ass transfer coeff icient and initial oxygen content in molten steel3 结 论(1)在氮分压为011M Pa下,1873K时, 14Cr8Mn,16Cr7Mn2Mo,18Cr8Ni2Mo不锈钢中氮的溶解度(质量分数)分别为01242%、01299%和01226%,氮在液态不锈钢中的溶解符合Sievert定律;(2)在对钢液没有搅拌的情况下,测定了1873K时14Cr8Mn、16Cr7Mn2Mo、18Cr8Ni2Mo 不锈钢中氮的传质系数,分别为5172×10-3m/ min,6113×10-3m/min和7168×10-3m/min;(3)氮在不锈钢中的传质系数受钢中表面活性元素氧、硫含量的影响.参考文献:[1]K oji Shibata,Y osuhike K obiki.Mechnical properties of highyield st rengt h high manganese steels at Cryogenic tempera2 tures[J].Clark A F,Reed R P,eds.Advances in cryogenic Engineering Materials,N Y:Plenum,1984,30:153-160. 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高氮奥氏体钢中氮析出和溶解的热力学与动力学研究
第5期总第201期冶金丛刊Sum．201No．52012年10月METALLURGICAL COLLECTIONSOctober 2012作者简介：曹春磊（1986－），男，安徽工业大学硕士研究生.高氮奥氏体钢中氮析出和溶解的热力学与动力学研究曹春磊周俐（安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山243002）摘要常压下氮在钢中的溶解度遵循Sieverts 定律，溶解度较低（通常低于0．3%），因此，在高氮钢的冶炼中，如何提高氮含量成为了研究的焦点。
本文介绍了氮在高氮奥氏体钢中的作用，分析了氮在高氮钢中析出和溶解的热力学原理，为增压提高氮含量的措施提供了理论基础；同时分析了其动力学原理，探讨了钢液吸氮和脱氮的限制性环节。
此外，本文还从微观角度，即从形核机理阐述了高氮奥氏体钢氮析出和溶解的新的研究方向。
关键词高氮奥氏体钢；氮析出和溶解；热力学；动力学；形核中图分类号：TG142．25文献标识码：A文章编号：1671－3818（2012）05－0001－04THERMODYNAMIC AND DYNAMIC RESEARCH ON NITROGENPRECIPITATION FROM AND SOLUTION INTO THE HIGHNITROGEN AUSTENITE STEELCao ChunleiZhou Li（Metallurgical ＆Resources School ，Anhui University of Technology ，Ma ’anshan 243002，Anhui ）AbstractThe solubility of nitrogen in the steel follows the Sieverts principle in the atmospheric pres-sure ，and is relatively low （generally speaking ，lower than 0．3%），therefore ，in the process of melting the high nitrogen steel ，how to increase the nitrogen content becomes the focus．This paper has intro-duced the effects of the nitrogen in the high nitrogen austenite steel ，analyzed the thermodynamic princi-ple of the nitrogen precipitation from and solution into the high nitrogen austenite steel ，which will pro-vide theoretical foundations for the pressuring measures to increase the nitrogen content．The dynamic principle has also been analyzed ，including the restricted links of the nitrogen absorption and desorption in the molten steel．Furthermore ，from a microcosmic view ，i．e．nucleation principle ，this paper has ex-pounded a new orientation of researching the nitrogen precipitation from and solution into the high nitro-gen austenite steel．Key wordshigh nitrogen austenite steel ；nitrogen precipitation and solution ；thermodynamics ；dynam-ics ；nucleation高氮钢是指铁素体基体中氮含量大于0．08%或奥氏体基体的氮含量大于0．4%的钢。
超纯铁素体不锈钢精炼过程数学模型
(8)
式中, 、 ：进、出反应区I元素的百分含量。
模型计算参数确定的基础上，结合温度模型，就能模拟冶炼过程中碳、氮、氧含量的变化，探索每个反应区域及反应类型的反应速率。
以上具体解析过程参阅作者前期研究[7]。
3.3模型相关参数确定
模型几何示意如图2所表示，图中点划线为VOD中心对称轴。据水模型试验观测，可假定吹氧反应区为圆柱体，半径为吹氧凹坑半径的5～7倍，深度为凹坑深度1.2倍。钢渣界面区反应深度由热力学条件确定。
图2各个反应区几何示意图
Fig.2 Schematic diagram of each reaction zone
钢中氧含量对VOD脱碳脱氮有着重要的影响，氧含量与碳含量关系曲线如图5所示。对于碳含量高于临界碳的吹氧脱碳阶段，随着碳含量的降低，氧含量升高；碳含量低于临界碳的自由脱碳阶段，碳氧含量一同降低。本计算确定临界碳为0.02%，此时钢中氧刚好处于饱和状态，熔池内氧已足以在自由脱碳时期脱去钢中的碳。如果钢中氧饱和后还继续吹氧，所吹的氧几乎全部氧化钢中的Cr，造成熔池过氧化，增大了此后的还原剂用量。如果吹氧不充分，自由脱碳所需要的氧和温度可能都得不到保证。所以，控制合理临界碳是保证最终钢水质量的重要措施。结合生产实际，本计算选定的0.02%的临界碳含量是合适的。
1 VOD脱碳脱氮特性
VOD脱碳脱氮反应是典型的气液相界面化学反应，C、O及N通过钢液边界层向气液相界面传递，界面脱碳反应C+O=CO可以达到平衡，而脱氮反应N+N=N2反应则需考虑其化学反应速率对整个脱氮速率的影响。不锈钢中Cr的大量存在降低了C、O及N的活度[2]，需要通过其它气体稀释或降低局部压力来降低CO和N2体分压保证低碳条件下脱碳脱氮的正常进行。对于吹氧脱碳过程优先形成的氧化物Cr2O3在炼钢温度下为固体小颗粒，Cr2O3颗粒需再次将氧释放到金属熔体内才能去脱碳[3,4]，O需要象C、N一样扩散到反应界面。
30Cr3Si2Mn2NiNb钢中未溶相的热力学计算及分析
（ ｃ ｔ ｆＭ ｅ ａ ｌ ｇ ｃ ｌａ ｄ Ｅｎ ｒ ｙ Ｅｎｇ ｎｅ ｒｎｇ， ｎｍｉ １ Ｆａ ｕｌｙ ｏ ｔ ｌｕｒ ｉ ａ ｎ ｅ ｇ ｉ ｅｉ Ｋｕ ｎｇ Ｕｎｉ ｅ ｓｔ ｆＳｃｅ ｃ ｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎ ｏ ｃ ｏｌ ｇｙ， Ｋｕｎ ｉ ｇ ６５ ０ ｍ ｎ ０ ９３， Ｃｈｉ ａ； ｎｓ ｉｕ ｅ ｆ ｒ Ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｌＭ ａ ｅ ｉ ｌ Ｃｅ ｒ ｌ ｎ ２ Ｉ ｔｔ ｔ ｏ ｔ ｕ ｔ ａ ｔ ｒａ ｓ， ｎｔ ａ
３Ｃ ３ ｉＭｎ Ｎｉ ０ ｒ Ｓ２ ２ Ｎｂ钢 中 未 溶 相 的 热 力 学 计 算 及 分 析
３ Ｃ ３ ｉＭｎ Ｎｉ ０ ｒ Ｓ２ ２ Ｎｂ钢 中 未 溶 相 的 热 力 学 计 算 及 分 析
Ｔｈｅ ｍ ｏ ｎａ ｉ ｌｕｌｔｏ ｎｄ Ｅｘｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌ ｒ ｄｙ ｍ ｃ ｉ ｎ Ｕ ｎｄ ｓ ｏ ｖ ｄ Ｐｈａ ｅ ｆ ｌ ｓｓｏ ｉｓ ｌ ｅ ｓ ｓｏ ３ Ｃｒ Ｓｉ Ｍ ｎ２ Ｎ ｂ Ｓｔ ｅ ０ ３ ２ Ｎｉ ｅ ｌ
关 键 词 ： ０ ｒ Ｓ２ ２ Ｎｂ钢 ； 力 学 计 算 ； 溶 相 ３ Ｃ ３ ｉＭｎ Ｎｉ 热 未 中 图分 类 号 ： Ｇ１ ２ １ Ｔ ４ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ １４ ８ （ ０ １ ０ — ０ １ ０ １ ０ —３ １ ２ １ ） ９ ０ ０ — ５
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｅｖｏ ｕ ｉ ｎ ｏ ｑｕ ｌｂｒｕ ｐ ｓ ｓ ａ ｄ ｎ — ｑ ｌｂ ｉ ｌ ｔｏ ｆｅ ｉｉ ｉ ｍ ｈａ ｅ ｎ ｏｎ ｅ ｕｉｉ ｒｕｍ ｐｈａ ｅ ｎ ３ ｓ ｓｉ ０Ｃｒ Ｓｉ ｎ２ Ｎｂ ｓ ｅ １ｄｕ — ３ ２Ｍ Ｎｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ｕ ｔ ｎｉｉｉ ｓ ｓｍｕｌ ｔ ｄ ｖ ａ Ｔｈｅ ｍｏ Ｃａ ｃ ｔ ｒ ｏ ｙｎ ｍ ｉ ｏｆｗａ ｅ ｎｇ ａ ｓ ｅ ｔｚｎｇ ｗａ ｉ ａ ｅ ｉ ｒ — ｌ ｈｅ ｍ ｄ ａ ｃ ｓ ｔ ｒ ．Ｅｆ ｅ ｔ ｏ Ｍ ｏ， ｎ ｆ ｃ ｆＣ， Ｎｂ ａ ｄ Ｖ ｏｎ ｕ ｎｄｉＳ ｖ ｄ ｐ ｓ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｓ ｕ ｅ Ｓ ｏｌ ｅ ｈａ ｅ ｎ ｓ ｅ ｌｗａ ｔ ｄｉｄ． Ｅｘ ｒｍｅ ｔ ｌａ ａ ｙｓｓ ｗａ ａ ｒｅ ｕｔｂｙ ＳＥＭ ｎｄ ＸＲＤ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｎ ｌ ｉ ｓ ｃ ｒ ｉ ｄ ｏ ａ ｏｎ ｍ ｉｒ ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｏ ｓ ｑ ｎｃ ｅ Ｃｒ Ｓｉ Ｍ ｎ ｃ ｏｓ ｒ ｔ ｒ ｆ ａ — ｕｅ ｈ ｄ ３Ｏ ３ ２ ２Ｎｉ ｂ ｓ ｅ １ Ｒｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｈ ｒ ｒ ｏ ｅ ｉ ｈ ｄ Ｎ ｔｅ． ｓ ｌ ｓ ｓ ｗ ｈ ｔ ｔ ｅ ｅ ａ ｅ Ｍ — ｎｒｃ ｅ Ｍ ａ ｄ Ｎ ｂ ｅ ｉｈｅ Ｃ ａ ｅ ｎ ｓ ｅ ｌａ ｔ ｒａ ｔ ｎｉｉｉ ｇ ｂｅｏｗ ５ Ｃ ｎ — ｎｒｃ ｄ Ｍ ｐｈ ｓ ｓ ｉ ｔ ｅ ｆ ｅ ｕｓ ｅ ｔｚ ｎ ｌ ９ ０℃ ，ａ Ｃ ｎｄ Ｍ ｐｈａ ｅ ｒ ｒ ｍ ａ — ｓ ｓ ａ ｅ ｄ ａ ｔ
冶金熔体和溶液的计算热力学
冶金熔体和溶液的计算热力学1.引言1.1 概述热力学是研究能量转化和传递的一门科学，它为我们理解和解释自然界中各种现象提供了重要的理论基础。
在冶金过程中，熔体和溶液是广泛存在的物质形态，其热力学性质对于工艺设计和优化至关重要。
熔体是指在高温条件下，物质变为液体状态的物质，而溶液则是指在液体中溶解的其他物质的混合物。
研究熔体和溶液的热力学性质，可以帮助我们理解冶金过程中物质与能量之间的相互作用，探索材料的性能和特性，从而实现冶金工艺的优化和控制。
1.2 目的本文旨在探讨熔体和溶液的热力学特性，以期为冶金工艺的研究和应用提供参考和指导。
具体目的包括以下几个方面：我们将介绍热力学的基本概念和原理，包括热力学系统、状态函数、热力学方程等。
通过深入理解热力学的基本知识，我们可以建立起对熔体和溶液热力学性质的全面认识。
我们将详细讨论熔体的热力学性质。
熔体的特点包括其高温状态、内部结构和相变行为等，这些特性对于冶金工艺的研究具有重要的影响。
我们将探讨熔体的热容、熵、热传导等重要性质，以及在不同温度和压力下的热力学行为。
通过研究熔体的热力学性质，我们可以了解材料在高温条件下的特性，为冶金工艺的设计和操作提供依据。
我们将研究溶液的热力学性质。
溶液是冶金过程中常见的物质形态，其热力学性质对于材料的分离、提纯以及合金化等工艺具有重要的影响。
我们将讨论溶液的热力学行为，包括溶解度、溶液的基本性质和热力学模型等方面。
通过研究溶液的热力学性质，我们可以探索不同物质之间的相互作用，优化溶液的配比和制备方法，为冶金工艺的发展和进步提供支持。
综上所述，通过对熔体和溶液的热力学性质进行研究和分析，我们可以更好地理解材料的特性和行为，为冶金工艺的改进和创新提供理论依据和实践指导。
本文的研究结果将对各类冶金工程师、科研人员和学者具有重要的参考价值，也将为冶金行业的发展和应用做出贡献。
2.正文2.1 冶金熔体的热力学特性冶金熔体是在高温条件下形成的一种流动状态的金属或金属间化合物的混合物。
不锈钢高氮不锈钢
大量的研究者针对不同体系的高氮奥氏体不锈钢的韧脆性转变现象进行了研究，
并对其低温断裂机理进行了解释，目前看法尚不统一。
氮对高氮不锈钢耐点蚀的影响
合金成分对奥氏体不锈钢耐点蚀性能影响
氮是提高奥氏体不锈钢耐点蚀性能最有效元素
PREN=1[Cr]+3.3[Mo]+X[N]，X＝13~30
V Cr 远小于 V C
铬从晶粒内固溶体中扩充到晶界，因而只能消耗晶界附近的铬，造成晶粒
边界贫铬区。（%Cr＜12%）
抑制Cr23C6生成措施
降%C＜0.03%，添加Ni补偿
添加Ti or Nb，抑制Cr23C6生成
不锈钢冶炼工艺流程的演变及发展趋势
不锈钢冶炼热力学
+ 如何实现“去碳保铬”
有奥氏体和铁素体不锈钢的特点
石油、化工、造纸、
海洋等领域
保持一定的耐腐蚀性能，具有较高 蒸汽轮机叶片、餐具、
硬度、强度、耐磨性能
外科手术器械
不锈钢的品种发展
超纯铁素体不锈钢
高性能200系列奥氏体不锈钢
高氮不锈钢
抗菌不锈钢
高氮不锈钢
高氮钢是近年来随着冶金科技的进步出现的一种新型的工程材料。
性能
稀土元素 主要在于改善工艺性能方面。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中
加0.02~0.5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。
不锈钢典型分类、性能、用途
成分特点
铁素体
Ferritics
Cr:11-15%; 16-20%；
21-30%
18%Cr+8Ni
高Cr-Ni系列钢
奥氏体
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)
AOD 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： 1/2N 2=[N] （1） [N]=2N NN P f K （2）式中：[N]-钢液中氮的质量百分浓度；N K -氮溶解的平衡常数； N f -钢液中氮的活度系数；2N P -氮气分压。
1.2 压力、温度和化学成分的影响根据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：lg N f =(T3280 -0.75)∑jjN e (1873K)·[j] （4）式中：jN e -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＋2lg 21N P -T3280-0.75)∑jjN e (1873K)·[j] （5）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jN eTable 1 Interaction coefficient je between nitrogen and alloying elements at 1600℃基于不同的不锈钢的成分利用公式（6）计算（4）式中的∑jjN e (1873K)·[j]的数值如表2所示。
热力学计算在高氮奥氏体不锈钢研究中的应用
ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ ｎ ｉ ｔ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ａ ｕ ｓ ｔ ｅ ｎ ｉ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ａ ｉ ｎ ｌ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｗｉ ｔ ｈ ２ ２ （ ｍａ ｓ ｓ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ） Ｃｒ ． Ｔｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ —
ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｎｄ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｐｉ ｔ ａ ｔ ｅ ｓ ｏ ｆ ｎｅ ｗ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｅ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ａ ｕｓ ｔ ｅ ｎ ｉ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ａ ｉ ｎｌ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｄ ａ ｌ ｓ ｏ ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ Ｃｒ ｉ ｎｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｍａ ｉ ｎｌ ｙ ｔ ｈｅ ｓ ｏｌ ｕ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｎｉ ｔ ｒ ｏ ｇｅ ｎ ｉ ｎ ｌ ｉ ｑｕ ｉ ｄ ｓ ｔ ｅ ｅ １ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ａ ｂｏｕ ｔ ０．１ Ｃ ｔ ｈｅ ｍｉ ｎｉ — ｍｕ ｍ ｓ ｏｌ ｕ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｎ ｉ ｔ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｄ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｈｉ ｇ ｈｅ ｒ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｉ ｓ ｅ ｎｈ ａ ｎｃ ｅ ｄ ｒ ｅ ｍａ ｒ ｋａ ｂ ｌ ｙ． Ｍ ｎ ｉ ｎ— ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｎｏ ｔ ｏ ｎｌ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏｌ ｕ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｎｉ ｔ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｎ ｌ ｉ ｑ ｕｉ ｄ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｂｕ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ｈｅ ｍｉ ｎ ｉ ｍｕ ｍ ｓ ｏ ｌ ｕｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｎｉ ｔ ｒ ｏｇ ｅ ｎ ｄｕｒ ｉ ｎｇ ｅ ａ ｒ ｌ ｉ ｅ ｒ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｏ ｐｅ ｒ Ｍｎ ｔ ｈｅ ｐｈ ａ ｓ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｆ ａ ｕ ｓ ｔ ｅ ｎｉ ｔ ｅ ｉ ｓ ｅ ｘｔ ｅ ｎｄ ｅ ｄ ａ ｎｄ ｍｏ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｙ， ａ ｌ ｓ ｏ ｔ ｈｅ“ ｆ ｅ ｒ ｒ ｉ ｔ ｅ ｔ ｒ ａ ｐ” ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ａ ｖ ｏｉ ｄｅ ｄ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ａ １ ｉ ｔ ｔ ｌ ｅ ｎｉ ｃ ｋｅ ｌ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ ２ ｔ ｈｅ ｍｉ ｎｉ ｍｕ ｍ ｓ ｏ ｌ ｕ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｎ ｉ —
304不锈钢熔体氮溶解度的测定
第3卷第1期材 料 与 冶 金 学 报V ol 3No 1 2004年3月Journal of M aterials and Metallurg y M arch2003304不锈钢熔体氮溶解度的测定邹德玲1,姜周华1,陈兆平2,李花兵1,梁连科1(1 东北大学 材料与冶金学院辽宁沈阳110004;2 宝山钢铁(集团)公司,上海201900)摘 要:介绍并比较了纯铁液中氮溶解度测定方法 直接法和间接法,并在经典的间接法的基础上,重新设计了气体氮的配气、控制和计量系统,以及渗氮的方式。
用该方法测定了304不锈钢熔体在不同温度和氮分压下的氮的溶解度值.关键词:纯铁液;氮溶解度;渗氮;不锈钢熔体中图分类号:T F01 文献标识码:A 文章编号:1671 6620(2004)01 0013 04Measurement of nitrogen solubility in304stainless steel meltZOU De ling1,JIANG Zhou hua1,CH EN Zhao ping2,LI H ua bing1,LIANG Lian ke1(1 S chool of M aterials and M etallurgy,Northeastern University,Shenyang110004,China;2 Baosteel Group Co.,S hanghai201900,China)Abstract:T w o methods of measuring t he nitrogen so lubility in pure molten ir on,the Siever ts method andSampling method,are introduced and co mpared.T he nitrog en gas deliv ery,control and measur ingsystems,and the nitridatio n mode w ere redesigned on the basis of the classical indirect method.By thismethod,the nitrogen solubility in304stainless steel melt w as measured at different temperatures and partialnitrog en pr essures.Key words:pure molten iron;nitrogen solubility;nitridation;stainless steel melt近年来含氮不锈钢的研究工作发展很快,上世纪70年代末期国内外又开展了以气体氮为氮源的渗氮工艺方法的研究,但是关于气相渗氮过程中氮的溶解度的测定方法和数据等尚缺乏.本文介绍并比较了纯铁液中氮溶解度测定方法 直接法和间接法,并在经典的间接法的基础上,重新设计了气体氮的配气、控制和计量系统,以及渗氮的方式.用该方法测定了304不锈钢熔体在不同温度和氮分压下的氮的溶解度值.1 纯铁液中氮溶解度的测定方法自1911年A Sieverts首创用直接法 热体积法开展测定纯氮(约99 990%~99 999%)在纯铁(电解铁:99%~99 9%)中溶解度以来,到1982年前后又发明了间接法(Sampling法)[1~4].下面以石井不二夫等人[3]的工作为例,简单介绍并比较一下这两种方法.1 1 直接法(Sieverts法)Sieverts法的测定操作过程如下:将电解铁经精确称量后,放入反应管中的坩埚内,通入高纯H2气升温熔化铁样,氢气流量为90m l/min,待铁样熔化后,切断H2气源,将反应管接入真空系统中,抽真空至0 0133Pa,后再通入氮(N2)气约20~25min,保持反应管内p Ar=100kPa,并保持温度一定时,准确记录下此时的热体积V1,之后再接入真空系统将反应管内氮气抽出,再送入Ar气,并保持体系中p Ar=100kPa,测取此时的热体积V Ar,由于Ar不溶入纯铁液中,而N2则溶入纯铁液中,即V1> V Ar,所以V1-V Ar=V1-Ar,称V1-Ar为溶入纯铁液中氮的量,又知纯铁的质量,则可计算氮的溶解度.收稿日期:2004 02 18.作者简介:邹德玲(1977-),女,山东龙口人,硕士研究生;姜周华(1963-),男,浙江萧山人,东北大学教授;梁连科(1935-),男,山东蓬莱人,东北大学教授.这种方法是一种经典的方法,文献中许多气体溶解度的结果都是由这种方法测得的.但这种方法所用设备复杂,投资大,实验操作复杂,平衡时间长等缺点.更重要的是难以模拟氮气渗氮的生产过程.1 2 间接法(Sampling 法)实验装置由反应管、气体净化系统和气路系统及气体流量的计量和控制系统组成.操作过程如下:将试样装入反应管的坩埚中,通入H 2气升温化料,料化清并达到实验温度后,切换氢气为氮气,平衡时间约2h,比较保险的时间长达4h.建立平衡后,用透明石英管抽取渗氮饱和后的样品,水淬冷却后待化验用.纯铁中氮含量用酸溶解水蒸气蒸馏 比色法分析,氮的分析误差为!0 0007%.该方法设备较简单,实验操作过程比较简单方便,为了模拟生产过程,实验中可将刚玉管直接插入铁的熔体,氮饱和时间可大大缩短.2 304不锈钢气相渗氮实验结果及讨论2 1 实验装置本实验在经典间接法的测定氮在熔体中溶解度的方法上,参考何平等[5]气体渗氮实验研究,重新设计了气体氮的配气、控制和计量系统,以及渗氮的方式.实验装置如图1所示.图1 实验装置图Fig 1 Experimental apparatus2 2 实验方法在实验的条件下,将装有约1kg 钢料的M gO 坩埚放入电阻炉等温带中,将吹氮管自炉口下放至M gO 坩埚上方并固定后随炉升温,开启流量计并从炉底向炉内通入Ar 气,即在Ar 气保护下电阻炉送电升温化料.待钢料化清并达到实验要求温度后,将钢液面浮渣打净,用石英管抽取0#样.调节混合气体中p Ar 和p N 2值,使p N 2达实验要求值后,再调节进入炉内和吹氮管中混合气体量,同时将吹氮管插入不锈钢熔体中(出气口距M gO 坩埚底约10mm),实验全过程中不断调节气体控制阀门,使熔体中鼓入气体保持均匀且稳定.经预备实验确定,氮饱和的平衡时间约在15~20min,故选取:3m in 、6min 、9min 、12min 、15min 、20min 、30min 和40m in 时刻抽取化验氮用的钢样.2 3 304不锈钢熔体渗氮的实测结果实验抽取的钢样经定氮分析,其结果如表1和图2所示.表1 不同温度及氮分压下氮溶解度的实测值Table 1 Measurement of nitrogen solubi lity at different tem peratures and partial nitrogen pressures t /∀152015501580p N 2/kPa208010020801002080100w [N ](实测)/%0 0980 2000 2200 0950 1900 2100 0890 1800 20014材料与冶金学报 第3卷图2 304不锈钢熔体在不同温度和氮分压下氮的溶解度w[N]Fig 2 Nitrogen solubili ty w[N]in304stainl ess s teel melt at di fferent temperaturesand parti al ni trogen pressures 2 4 热力学分析讨论吸氮反应可表示为:1/2N2=[N](1)则平衡常数K N=f N w[N](p N2/p0)12(2)式中f N是[N]的活度系数,w[N]是[N]的质量分数(本文的质量分数,均用百分数%表示)对上式取对数,得lg w[N]=1/2lg(p N2/p0)+lg K N-lg f N(3) 氮溶解的平衡常数K N,不同研究者测定其值有一定的差异,其中本文采用R D Pehlke和J F Elliott测定值[2]:lg K N=-188/T-1 245(4) 氮的活度系数f N可由下式求得:lg f N=#e j N w[j](5) 1600∀下不锈钢熔体中常见元素对氮的相互作用系数e j N见表2[3,7].而其他温度下氮的相互作用系数可由Chipman[6]所给的计算公式求出: lg f N,T=(3280/T-0 75)#e j N,1873w[j](6) 鉴于不锈钢中[S]、[P]、[O]的含量甚低,且e S N, e P N的绝对值亦不大,对f N的影响不超过1%,故在式(6)中它们的影响项可以忽略不计.将表1中的e jN值代入式(6),再将式(6)、(4)代入式(3),得:lg w[N]=1/2lg(p N2/p0)-188/T-1 245-{(3280/T-0 75)(0 13w[C]+0 047w[Si]+0 01w[N i]-0 023w[M n]-0 01w[Mo]-0 045w[Cr]}(7)上式即为钢液氮溶解度的热力学计算模型.对于304不锈钢而言,其化学组成的分析值如表3所示:用式(7)计算不同温度和不同氮分压下,304不锈钢中氮的溶解度w[N](计算)值如表4所示.表2 1600∀下某些元素对氮的相互作用系数e j NTable2 Interacti on coeffici ent e j N at1600∀e N N e C N e Si N e Mn N e S N e P N e O N e Cr N e Mo N e Ni N00 130 047-0 0230 0070 046-0 12-0 046-0 010 0115第1期 邹德玲等:304不锈钢熔体氮溶解度的测定表3 304不锈钢化学组成分析值Table3 Chem ical compos i ton of304stainless steel%元素C M n Si Cr N i S P质量分数0 110 9310 30816 378 150 00550 239表4 不同温度及氮分压下氮溶解度的计算值Table4 Calculated value of nitrogen solubi lity at di fferent temperatures and partial nitr ogen pressurest/∀152015501580p N2/kPa208010020801002080100 w[N](计算)/%0 09930 19860 2220 09530 19060 21310 09160 18320 2048 由图2得知,不锈钢熔体渗氮饱和平衡时间约为15~20min.比较表1和表4的数据,实验实测值和热力学计算值接近吻合.304不锈钢熔体氮的溶解度随着氮分压的增大而增大,随着温度的升高而降低.3 结 论本文在经典的间接法的基础上,重新设计了气体氮的配气、控制和计量系统,以及渗氮的方式.通过气相渗氮实验测定了304不锈钢熔体氮在不同温度和氮分压下的溶解度数据,氮的溶解度随着气氛中氮分压的增加而提高,随着温度的降低而下降.气相渗氮实验的实测值与根据热力学基本原理推导出的数学公式的计算结果基本一致.说明无论是计算和实测结果均是可信的,可以用于指导实际生产.参考文献:[1]Humbert J C,Elliott J F.The s olubility of nitrogen i n li quid FeCr Ni Alloys[J].T rans.M et.Soc.AIM E,1960,218:1076-1088.[2]Pehlke R D,Elli ott J F.S olubility of nitrogen in liquid iron alloys[J].T rans.M et.Soc.AIM E,1960,218:1088-1101.[4]Leew is K G,M cLean A.T hermodynamics of nitrogen dissol utionin liquid iron silicon alloys[J].Canadian M et.Quare.,1979,18(3):333-340.[5]何平,张莱平,玫洪生.吹氮条件下电炉钢增氮的模拟实验[J].特殊钢,1996.17(4):11-14.[6]Chipman J,Corri gan D A.Prediction of the solubility of nitrogenin molten steel[J].M et.Soc.AIM E,1965,(233):1249-1252. [7]梁英教,车荫昌.无机物热力学数据手册[M].沈阳:东北大学出版,1993.510.16材料与冶金学报 第3卷。
钢中气体
钢中氢危害性极大，随钢中氢含量的增加，钢的强度，特别 是塑性和韧性显著下降，使钢变脆，称为“氢脆” 。 氢还是钢中“白点”产生的根本原因。所谓“白点”是存在 于热轧钢坯和大锻件内部的小裂缝。 因其在钢试样的纵向断口上 多呈圆形的银白色粗晶斑上，故称“白点” ，但其在酸浸后的横 向切片上，却呈细小裂缝，故又名“发裂”“白点”对钢的性能 。 有极不利的影响， 主要表现在降低钢的机械性能， 零件淬火使会 开裂。 或使用时裂纹发展造成严重事故， 故白点是钢材不允许存 在的缺陷。
(本节完)
lg K ( l )
1905 1.59 T
（1—163）
在同一标准状态下，氢溶解在熔铁中的标准自由能变化为：
G 0 4.575T lg K 8715 素对熔融铁合金中氢的溶解度的影响程度，可分为三组： 1 ○Ti、Nb、Zr、Th 等元素，能提高氢在熔铁中的溶解度，稀土 元素 Ce、La 和 Nd 等亦能提高氢在熔铁中的溶解度。这是因为这些 元素与氢形成氢化物，如 TiH2、ZrH2、CeH2、LaH3 等的缘故。 2 ○Mn、Mo、Co、Ni 和 Cr 等元素对氢在熔铁中的溶解度影响不 大，因这些元素的性质与铁相近。 3 ○C、Si、B 和 Al 等元素能降低氢在熔铁中的溶解度。因这些元 素与铁的结合力大于铁原子与氢的结合力，这就降低了铁原子的活 度，使氢的溶解度减小。例如在 Fe—Si 系含硅量为 33%时形成化合 物 FeSi，这时铁的溶解度和吸收氢的能力最小，所以氢的溶解度也为 最小。但是进一步增加硅含量时，由于硅对氢的吸收能力增大，所以 氢的溶解度又逐渐增大。
据合金元素对熔融铁合金中氮的溶解度的影响程度， 可以分为三 组： 1 ○V、Nb、Cr、Zr、Ti 等元素：V、Nb 和 Cr 等元素能与氮 形成稳定的氮化物，Zr 和 Ti 与氮形成非常稳定的氮化物，它们 显著的增加氮在熔铁中的溶解度，降低氮在熔铁中的活度。 2 ○Mn、Mo、和 Ni 等元素：它们对氮在溶解铁中的溶解度 影响不大，因为这些元素的性质与铁相近。 3 ○C 和 Si 等元素：它们能显著的降低氮的溶解度。当 C 与 Fe 形成间隙式溶液时，C 占据了铁原子之间的间隙位置，降低 了氮的溶解度。当 C 和 Si 与铁形成化合物时，减少了自由铁的 浓度，亦降低了氮的溶解度。例如在含碳 6.3%的 Fe-C 熔体中， 氮的溶解度接近于零。
不锈钢精炼过程中的热力学分析
能高速脱碳 ，并可大量利用废不锈钢 ，这种方法 在 电弧炉内完成熔化 、精炼 、还原和合金化的冶 金任务 ，但 同时带来 的问题是常压下为减少铬 的 烧损必须提高冶炼温度 ，结果是极大地 降低了炉
衬的使用 寿命。鉴于单步冶炼不锈钢的工艺存在
（ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅ ｔ ，Ｂ Ｓ Ｅ Ｌ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎｅ Ｃ ｒ Ｘ Ｔ Ｅ ，Ｂ ｎ ｉ Ｌ ａ ｎｎ １７ ０ ） ｅｘ ｉｏ ｉｇ ０ ０ １
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｒ ｒ ａ ｋ ｏ ｓ ａ ｌ ｓ ｔｅ ｍａ ｉ ｇ ｗｉｈ ｈ ｇ ｅ ｈ ｏ ｕ ｃ ｎ ｅ ｔ ｉ ｏ ｒ ｉ ｅ ｅ ｐｉ ｍａ ｙ ｔ ｓ ｆ ｔｉ ｅ ｓ ｓｅ ｌ ｋ ｎ ｔ ｉ ｈ ｒ ｃ ｒ ｍｉ ｍ ｏ ｔ ｎ ｓ ｌ ｗｅ ｎ ｔ ｎ ｈ ｄ ｃ ｒ ｕ ｉａｉ ｎ ｆ ｉｕ ｄ ｔｅ ｅ ａｂ ｒｚ ｔ ｏ ｌ ｉ ｓｅ ｌ， Ｂｙ ｔ ｄ ｉ ｇ ｉ ｈ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｂ ｔ ｏ ｃ ｒ ｏ ， ｃ ｒ ｍｉ ｍ ｏ ｉ ｅ ｏ ｑ ｓｕ ｙ ｎ ｈ ｇ —ｅ ｅ ａｕ ｅ ａｈ ｆ ａ ｂ ｎ ｈｏ ｕ ｘｄ ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ｆ ｃｏ ，Ｌｉ ｕ ｄ ｉ ｈ ｇ — ｈ ｏ ｕ ｓｅ ｌｂ ｅｅ ｔ ｅ ｏ ｉ ａ ｏ ｆｃ ｂ ｎ ｌ ａ ｉ ｇ ａ ｄ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍ ａ ｔｒ ｉ ｑ ｉ ｎ ｔ ｅ ｈ ｈ ｃ ｒ ｍ ｍ ｔ ｅ ｙ ｓ ｌｃ ｉ ｘｄ ｔ ｎ ｏ ａ ｏ ｅ ｖ ｎ ｎ ｉ ｉ ｖ ｉ ｒ ｉ ｉ ｅｔ ｓｏ ｍ ｎ ｍ ｚ ｅｌ ｓ ｆ ｈ ｏ ｕ ，Ｔ ｉ ｅｃ ｒ ｆｓａｎ ｅ ｓｓｅ ｌ ｅ ｎ ｎ ｅｋ ｙ ｉｓ ｅ ｎ ｃ ｎ ｌｇ 。 ｉ ｈ ｏ ｃ ｒ ｍ ｍ ｈ ｓｉ ｔ ｏ ｅｏ ｉ ｌｓ ｔｅ ｆ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓｕ ｓａ ｄ ｔ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｓｈ ｔ ｒｉ ｈ ｅ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｓ ａ ｎ ｅ ｓ ｔ ｌ Ｒｅ ｎ ｎ ｙ ｒｓ ｔｉ ｌ ｓ ｅ ； Ｓ ｉ ｆ ｉ ｇ；Ｔｈ ｒ ｏ ｙ ａ ｃ ； ｏ ｉ ａ ｉ ｎ ｅ ｍ ｄ ｎｍ ｓ ｉ ｘｄ ｔ ｏ
溶解度与溶解过程的热力学解释
溶解度与溶解过程的热力学解释热力学是研究物质在不同条件下的热现象和热变化的学科。
在化学领域中，热力学对于溶解过程和溶解度的解释起到了关键作用。
溶解度是指在特定条件下，单位体积溶液中最多可溶解的物质数量。
本文将通过热力学理论来解释溶解度与溶解过程之间的关系。
一、溶解过程的热力学解释溶解过程是指固体物质在溶剂中逐渐分散、溶解的过程。
根据热力学原理，溶解过程中会发生热量的吸收或释放。
当溶解过程中吸热量大于释放热量时，称为吸热过程；当溶解过程中释放热量大于吸热量时，称为放热过程。
在热力学中，溶解过程可以用溶解焓（enthalpy of dissolution）来描述。
溶解焓是指单位摩尔固体物质在溶液中完全溶解所吸收或释放的热量变化。
当溶解焓为正值时，表示溶解过程为吸热反应；当溶解焓为负值时，表示溶解过程为放热反应。
二、溶解度的热力学解释溶解度的热力学解释可以通过熵变（entropy change）来理解。
熵是一个物理量，代表了一个系统的无序程度。
在溶解过程中，溶质离子或分子进入溶剂中，溶剂的熵会增加，而溶质的熵会减小，从而导致总的熵变。
根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵不会减小，因此总的熵变必须为正值。
根据熵变的正负值，可以推导出溶解度的变化规律。
当溶质溶解时，随着溶解度的增加，溶剂分子与溶质分子之间的相互作用力逐渐增强，从而导致溶解度的增加。
而当溶剂分子与溶质分子之间的相互作用力较强时，溶质分子进入溶液的能量较高，溶解度相对较低。
此外，溶解度还受到温度的影响。
根据吉布斯自由能方程，溶解度与温度成正相关。
当温度升高时，溶剂分子的热运动增加，会对溶质分子产生更大的冲击力，有利于溶质分子的分散和溶解，从而导致溶解度的增加。
在热力学解释下，溶解度的变化可以用以下公式表示：ΔG = ΔH - TΔS其中，ΔG表示系统的自由能变化，ΔH表示溶解焓，T表示温度，ΔS表示熵变。
该公式表明，通过调控溶解焓和熵变，可以改变溶解度的值。
不锈钢冶炼过程中相关热力学问题的解析_含铬铁水的去碳保铬及脱气_武拥军
2 VOD 过程中脱碳脱气的热力学 分析
经转炉脱磷和初脱碳的钢水须进入 VOD 进一 步脱碳精炼 ,目的是在真空条件下使碳含量满足成 品要求 ,同时最大限度地脱除钢中的氢气和氮气 。 本节就这三方面的热力学问题进行了探讨 。假定平 衡状态下钢水的成分 (质量分数 , %) 为 :Cr 18 ,Ni 9 , C 0105 ,Si 0132 ,P 01032 ,S 01001 。 211 碳的脱除 VOD 冶炼过程中脱碳反应式及由线性组合法 得到的标准自由能表达式为 :
(1)
lg
K=
-
38
840 T
+ 24195
(2)
K = a2Cr ·( pCOΠp0 ) 3Π( a3C·aCr2O3 )
(3)
假定渣中 Cr2 O3 为饱和状态时 ,有 :
aCr2O3 = 1
(4)
将式 (4) 带入式 (3) 得到 :
K =
a2Cr (
pCOΠp0 ) 3Πa3C
含铬铁水经转炉前期的“去磷保铬”处理后 ,假 定其成分 (质量分数 , %) 为 : C 410 ,Si 011 ,Mn 014 , S 01008 ,P 01010～01005 ,Cr 18 ,Ni 9 。尽量扒净去 磷保铬渣后 ,在转炉后期实施去碳保铬精炼处理 ,使 铁水的碳含量降至 012 %～013 % ,以满足后续工 艺 VOD 进一步脱碳时对初始碳含量的要求 (012 % ～016 %) 。
临界转化温度ΠK
1 757 1 667 1 605 1 547 1 903 1 798 1 726 1 659 1 998 1 882 1 803 1 731 2 099 1 971 1 885 1 806 2 246 2 101 2 003 1 914
不锈钢(高氮不锈钢)
d[C] dt
A1
（2）[%C]=0.05~0.10时，脱碳速度与钢液碳含量具有线性关系。
d[C] dt
A2[C]
（3）[%C] ≤ 0.05时的极低碳区，脱碳速度与含碳量呈n次方指数关系
d[C] dt
A3[C]n
Northeastern University
不锈钢钢种合金元素的作用
Cr 生成钝化膜，提高耐腐蚀性能 Ni 扩大奥氏体，提高抗磨蚀性，高温韧性提高 改善机械性能，可焊性 C 奥氏体稳定化元素；易生成Cr23C6，减低耐腐蚀性能 Ti、Nb 消除晶间腐蚀 Mn 稳定奥氏体，降低耐腐蚀性能（MnS） Mo 、Cu 提高某些不锈钢耐腐蚀性能 N 提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能，N和Mo的协同作用能显著提高其耐腐蚀 性能 稀土元素 主要在于改善工艺性能方面。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢 中加0.02~0.5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。
而含有降低溶解度元素的铁基合金， 恰恰相反，随温度提高氮的溶解度增大。
温度和铬含量对钢中溶解的影响
Northeastern University
氮在高氮不锈钢凝固过程中的行为研究
在凝固过程中由于钢按L→δ-Fe→γ-Fe顺序发生相变，由于氮在δFe中溶解度很小，在凝固过程中氮在凝固相的前端富集，若钢液中氮的 含量很高，凝固过程中有可能会析出气泡。
Cr25Mn11Si3N Cr15Ni4Mo2N
Cr12MoVN
W6Cr5V2N W5Cr5V2N W2Cr6V2N 55NiCrMoV7N 3Cr4Mo2VN 30WCrMoVN 55CrVMoN 38CrNi3MoVN
性能特点
奥氏体不锈钢中氮溶解度的热力学计算和实验研究
２１ ０ ０年 １ ０月
特殊 钢
Ｓ ＰＥＣＩ ＡＬ ＴＥＥＬ Ｓ
Ｖｏ ＿ ．Ｎｏ． ｌ ３１ ５
Ｏｃｏ ｅ ２ １ ｔｂ ｒ ０ ０
・１・
・
试验研 究 ・
奥 氏 体 不 锈 钢 中氮 溶 解 度 的 热 力 学 计 算 和 实 验 研 究
沈春 飞 蒋兴元 李 阳 李 双 江 尹世 友 姜 周 华 ，
２ ＳａｎｅｓＳｅ ｌＢ ｓｎ ｓ ｉ．Ｂａｓ ａ ｒｎａ ｄＳｅ ｌＣ ｔ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ４ ） ｔｉｌｓ ｔｅ ｕ ｉｅｓＵｎｔ ｏ ｈ ｎ Ｉｏ ｎ ｔｅ ｏＬ ｄ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ３ ２ １
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｓｌｂｌｙｏ ｉ ｏ ｅ ｏｉ ｓ ｉ ｅｓｓ ｅ ３ ４ ３ Ｌ ０ Ｓ ａ ｄ３ １ （ ｐ ａｅ ｎ ｎ ｍ ｌ ｆ ｓｒ ｃ ｈ ｏｕ ｉ ｔ ｆ ｔ ｇ ｎ ｉ ｓｌ ｔ ｎ ｓ ｔ １ ０ ， ０ ，３ １ ｎ ０ Ｌ 一 ｈ ｓ ）ａ ｄｊ ｅ ｓｏ ｉ ｎｒ ｎ ｄ ａ ｌ ｅ ４ ｔ
ａ ｓ ｎ ｔ ｔ ｉｌ ｓ ｔｅ ａ ｅ ｎ ｃ ｌｕ ａｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａ ｃ ａ ａｙ ｉ ｔ ｏ ｏ ｇ ｔｃ ｍｐ ｔｔ ｎ ｌ ｄ ｌ ｏ ｏｕ ｉ ｕ ｔ ｉ ｓａｎ ｅ ｓ ｓｅ ｌｈ ｓｂ ｅ ａｃ ｌ ｔｄ ｂ ｓｎ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｎ ｌｓｓｍｅ ｈ ｄ ｔ ｅ ｏ ｕ ａ ｉ ａ ｅ ｅ ｏ ｍｏ ｅ ｒｓ ｌ ｂ ｌ ｆ — ｉ ｆｎｔｏ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓｅ ｌ ．ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉ ｉ ｉ ｇ ｂ ｈ ｖ ｏ ｎ ｆ ｕ ｕ ｔ ｎｔ ｔ ｉ ｌｓ ｔｅｓ ｈ ｓｂ ｅ ｔ ｏ ｉ ｇ ｎ ｉ ｈ ｔｅ ｓ ｎ ｈ ｘ ｅ ｉ ｖ ｒ ｍｅ ｔｌｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｎｔ ｄ ｎ ｅ ａ ｉ ｒｉ ｏ ｒａ ｓｅ ｉ ｓａｎ ｅ ｓｓｅ ｌ ａ ｅ ｎ ｒ ｅ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｂ ｇ Ｍｏ ｉｅｅ ｔ ｃ ｒ ｓ ｔｎ ｅｆ ｍ ａ ｅ ｗｉ ３～１ ０ ｋ ａ ａ ２ ～１５ ０ ℃ ．Ｒｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｏ ｕ ｉ ｔ ａ ｒ ｕ ｖ １ ｋ Ｓ ｌ ｃｒ ｅ ｉ ａ ｃ ｕ ｃ ｔ ３ ｅ ｉ ｓ ｈ ０ Ｐ ｔ１５ ０ ８ ｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ｅｓｌｂｌｙ ｓ ｈ ｔ ｉ ｏ ｉ ｏ ｅ ｎ＾—ｐ ａ ｅ ｉ ｏｉ ｕ ｔｎ ｔ ｔ ｉ ｌｓ ｔ ｅｓ ｉ ｉ ｈ ｓ ；ｉ ｏ ｌ ｇ ａ ｄ ｓ ｌ ｉ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｏ ｍａ ｒ ｓ ｕ ｅ ｆｎｔ ｇ ｎ ｉ ｙ ｈ ｓ ｎ ｓ ｌ ａ ｓｅ ｉ ｓａｎ ｅ ｓ ｓｅ ｌ ｓ ｈ ｇ ｅ ｔ ｎ ｃ ｏ ｉ ｎ ｏｉ ｆ ｎ ｒ ｃ ｓ ｔｎ ｒ ｌｐ ｅ ｓ ｒ ｒ ｄ ｅ ｎ ｄｙ
浸入式吹氮过程中氮在不锈钢液中的溶解
５ ０℃ 、０ Ｐ 下 的溶解度 分别为 ０ １ ％和 ０ １ ％。温度升 高氮 的溶 解度 降低 。（ ） １ ４ １ ０ｋ ａ ．４ ．３ ２ ３ ６不 锈 钢在 １５ ０℃ 下 ， 气 分 压 分 别 为 ２ 、 ０ ６ 、０和 １ ０ｋ ａ时的 溶 解 度 分 别 为 ０ １ ％ 、 ４ 氮 ０ ４ 、０ ８ ０ Ｐ ．０
第 １ Ｏ卷 第 １ 期 ２１ ０ ０年 ３月
上 海 应 用 技 术 学 院 学 报（ 然 科 学 版 ） 自
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＨＡ ＯＦＳ ＮＧＨＡＩＩ ＴＩ ＮＳ ＴＵＴＥＯＦ ＥＣ Ｔ ＨＮＯＬ ＯＧＹ（ ＮＡＴＵＲＡＬ Ｓ Ｅ ＣＩＮＣＥ ）
Ｖｏ． ０Ｎｏ １ １１ ．
℃ 和 为 ０ ２ ４ ．３ ％和 ０ ２ ６ ； １ ． ０ ％ ３ ６不锈 钢在 １５ ０℃ 、 ５ ０ ０ １ ４ ℃和 １ ８ ０℃ 、０ Ｐ ５ １０ｋ ａ下的溶解度 分别为 ０ ２ ％、 ． ％和 ０ １ ％ ；２ ．２ （ ２ ） ． ７ ４ ０不锈钢在 １５ ０℃ 和 １ １
Ｍ ａ ．２ １ ｒ ０ ０
文 章 编 号 ：６ １ ３ ３ ２ １ ） １ ００—０ １７ —７ ３ （０ ０ ０ —０ １ ５
浸 入 式 吹 氮 过 程 中氮 在 不 锈 钢 液 中 的 溶解
陈建 斌 ， 陈麒 忠 ， 孙春 ， 唐 胡树 玉
（ 海 应用 技 术 学 院 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ， 海 上 上 ２０３） ０２ ５
摘 要 ： 采用插入钢 液 内部 的吹 氮管进行浸入 式吹 氮方 法 ， 究 了 ３ ４ ３ ６和 ４ ０不锈 钢液 中 研 ０ 、１ ２
氮的溶解度 及温度 和氮 气分 压的影 响 。得到 了三 个品 种 的不锈 钢 ， 不 同温度 和 氮气分 压 下 在
氮在Fe_Cr_Mn合金体系中的溶解度计算模型
度, 但氮在 铁素体相中, 铁的晶格中每添入间 隙位置的氮原子会阻碍该间隙位置的最邻近的 3 个间隙位置被其他氮原子占据 所以其方程变为
1 2
(
G N2
+
RT lnp
N
)
2
=
G
H N
+
3 RT
ln
yN 1- yN
+
G! EN
( 8) 代入相关的热力学参数[ 8- 9] , 即可计算氮在体心 立方 铁素体相中的溶解度
第29 卷第4期 2008 年 4 月
东北大学学报( 自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol 29, NoFe Cr Mn 合金体系中 的溶解度计算模型
李花兵, 姜周华, 张祖瑞, 许宝玉
形成元素的含量, 在合金体系凝固过程中氮溶解 度较小的 相区减小甚 至消失, 因此可减 小氮在其 凝固过 程
中的析出趋势 该模型的计算结果与前人的研究 结果吻合得较好
关 键 词: 氮溶解度; Fe Cr M n; 高氮不锈钢; 热力学计算模型
中图分类号: T F 02
文献标识码: A
文章编号: 1005 3026( 2008) 04 0549 04
Thermodynamic Model to Calculate Nitrogen Solubility in Fe Cr Mn Alloys
L I H ua bing , JIA N G Zhou hua, ZH A NG Zu r ui , X U Bao yu
( School of M aterials & M etallurgy, Nor theastern University, Sheny ang 110004, China. Correspondent: LI Hua bing, E mail: huabing- li @ 163. com)
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( School of M aterials & M etallurgy, Nor theastern University, Sheny ang 110004, China. Correspondent: LI Huabing, E- mail: huabing- li @ 163. com)
限性#本文根据实验室研究和前人的实验研究结 果建立了氮在不锈钢熔体中的热力学计算模型#
1 氮在不锈钢熔体中的热力学计算 模型
氮在铁液中的溶解反应可以表示为
收稿日期: 2006- 02-28 基金项目: 国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目( 50534010) # 作者简介: 李花兵( 1978- ) , 男, 山西壶关人, 东北大学博士研究生; 姜周华( 1963- ) , 男, 浙江萧山人, 东北大学教授, 博士生导师#
n
6 lgf N = eNN[ % N ] +
ejN [ % j ] +
j= 2
n
6 CjN [ % j ] 2 + DpN lg
j= 2
p N / p 0 , ( 4) 2
式中,
e
N N
为元素氮对
N
的相互作用系数;
ejN
为元
素 j 对 N 的一阶相互作用系数,
ejN =
9log f N 9[ % j ]
摘
要: 在实验研究和 前人研究工作的基 础上, 建 立了一个新的不锈钢 熔体中氮溶解度与 体系温度、氮
分压和合金成分的热力学计算模型, 在该模型中 引入了氮分压对氮活度系数 的作用系数#该模型的 计算结 果 与实验值吻合很好# 基于该模 型的计算结果, 讨论了氮分压、温度、合金成分对不锈 钢熔体中氮溶解度的 影响
Abstract: A new thermodynamic model w as developed to calculate t he nit rogen solubility in molt en stainless st eel, in a w ide range of syst em temperature, nitrogen partial pressure and alloying const it uents by introducing an interact ion coef ficient expressing t he ef fect of nitrogen part ial pressure on nitrogen act ivit y coeff icient on t he basis of experiment s and ot her aut hors ' earlier w orks. T he calculation results were in good agreement wit h measured values, w ith w hich the influences of nitrogen part ial pressure, t emperat ure and alloy const ituent s on t he nitrogen solubility in molt en st ainless steels were discussed. U nder high pressure especially the high concent rat ion of alloy ing elements, it was found that the relat ionship betw een nit rogen solubilit y in liquid st ainless st eels and nit rogen part ial pressure doesn ' t f ollow Sievert ' s law . T he dependence of t emperat ure on t he nit rog en solubilit y is determ ined by the com posit ion of alloy ing elements under a cert ain nitrogen part ial pressure. T he mass f ract ion of nit rogen in t he 20% Cr20% Mn alloy can be up to 018% at 1 873 K under normal pressure ( N2 part ial pressure= 011 M Pa) . Key words: nit rogen; nit rogen solubilit y; t hermodynamic calculat ion model; st ainless st eel; high nitrogen st eel
( 3) 可得:
lg[ % N] =
1 2
lg(
p
N/ 2
p
0)
-
1 88 T
-
1117 -
3
2 80 T
-
0. 75
0. 13[ % N] +
0. 118[ % C] + 0. 043[ % Si] +
0. 011[ % N i] + 3. 5 @ 10- 5[ % N i] 2 -
0. 024[ % M n] + 3. 2 @ 10- 5[ % Mn] 2 -
( 8)
可将表 1 中的数据带入式( 4) 中计算得到f N, 1 873# 不同的研究者使用不同 的 K N , 在该模型中
使用的是基于 R. D. Pehlke 和 J. F . Elliott 的研 究结果[ 1] , 经过后来研究者的实验数据修正得到 的[ 3- 5] , 见式( 9) #
lg K N = -
2 计算结果与讨论
2. 1 模型的验证
为了验证该模型的准确性, 利用该模型的计 算值 与 笔 者 前 期 的 实 验 研 究 工 作[ 3] 和 Sat irKolorz[ 4] 与 R aw er[ 5] 的研究工作 进行了比 较, 见
6 74
东北大学学报( 自然科学版)
第 28 卷
图 1#
图 1 氮溶解度的计算值与测量值比较 Fig. 1 Comparison of the calculated nitrogen
规律# 在压力较高( 大于 01 1 M Pa) 特 别是合 金元 素较 高的 不锈 钢熔 体中, 氮 分压 与氮 的溶 解度 关系 不符 合 Sievert 定律# 在一定氮分压下, 温 度对不锈钢熔体中氮溶解度的 影响取决于 合金体系 的化学成分# 在 常压( 氮
分压 为 01 1 M Pa) 下, 20% Cr- 20% M n 的合金体系在 1 873 K 可获得氮质量分 数为 0. 8% 的高氮 无镍奥氏 体不
图 2 为 304 和 316 L 不锈钢熔体中氮溶解度 与氮分压的关系, 从图中可以看出, 在氮分压小于 011 MP a 时, 熔 体中 氮的 溶 解度 与 氮分 压 符合 Sievert 定律#
Fig. 2
图 2 氮分压对 304 和 316 L 不锈钢熔体氮溶解度影响 Effect of ni trogen parti al pressure on ni trogen solubility in liqui d 304 and 316 L stainless steel
,
[% j] y0
( 5)
CjN 为元素 j 对 N 的二阶相互作用系数,
CjN =
1 2
92log f N 92[ % j ]
,
[%j] y0
( 6)
DPN 为氮分压对 f N 的作用系数,
DPN =
9logf N 9log p N / p 0
2
, ( 7)
log p N2/ p 0 y 0
经实验数据[ 4] 回归得出: 当 p N / p 0 [ 2
18 8 T
-
1. 17 #
( 9)
表 1 一些合金元素对氮的一阶和二阶相互作用系数
Table 1 The 1st/ 2nd- order interaction coeffi cients of some alloying elements in Fe at 1 873 K
元素
ejN
CjNTi- 源自. 930第5期李花兵等: 不锈钢熔体中氮溶解度的热力学计算模型
6 73
1 2
N 2( g)
=
[ N] #
( 1)
式( 1) 的平衡常数为
KN =
(
f p
N[
N2
% /p
N] 0)
"-
,
( 2)
式中, f N 为氮的活度系 数, 以质量分 数为 1% 的
符合亨利定律的理想稀溶液为标准态; [ % N] 为
钢液中氮的平衡质量分 数; p N2 为氮分压, Pa; p 0 为一个标准大气压, 11013 25 @ 105 P a#
对式( 2) 两边取对数可得:
lg[ % N] =
1 2
lg(
p
N/ 2
p
0)
+
lg K N -
lgf N #
( 3) 前人在计算氮的活度 系数 f N 中[ 4] , 没有考 虑氮分压对 f N 的影响, 笔者在建立模型的过程
中引入了氮分压对 f N 的作用系数 DPN #在多元合 金体系中氮的活度系数可表示为
锈钢#
关 键 词: 氮; 氮溶解度; 热力学计算模型; 不锈钢; 高氮钢
中图分类号: T F 701. 2