N在钢中溶解特性的分析研究

王 涛 罗玉立

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

N在钢中溶解特性的分析研究

王 涛 罗玉立

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

统计碳钢、Cr1～Cr5钢、不锈钢在冶炼过程中的N含量变化情况，分析了不同Cr含量水平、冶炼条件、真空精炼后的出钢时间等因素对N的溶解度的影响，找出降低钢中N含量的方法。

C钢;Cr钢;N含量;溶解度

N作为钢液中的气体元素，对材料的性能有很大的危害，在一般的材料中均作为有害元素加以控制。但是，N可溶解于钢液中，形成间隙式固溶体，有扩大钢的奥氏体相区的作用，同时可以与Mn、Cr、Al、V、Ti形成稳定的氮化物，又难以去除。另外如果钢中残留的N过高会导致宏观组织疏松或气孔。所以加氢、转子、支承辊等产品对N含量的上限均作了严格的要求。

为了掌握N在钢中的溶解规律，了解常见钢种中N含量的实际水平，准确掌握钢中N含量与合金元素的相互影响关系，对此开展了系列研究工作，以更好地指导生产。

1 氮在钢液中的溶解度的理论计算

由于钢液中有C、Si、Mn、Cr等合金元素的存在，所以，N的溶解就不能作为稀溶液处理，fN≠1，而lg fN=∑еJN［j］。

N在钢液中的溶解服从平方根定律为:

各种元素的еXN参数值如表1所示。利用公式(4)、(5)对碳钢、Cr1～Cr5、不锈钢六大类钢中N的溶解度进行理论计算，见表2。

表1 各种元素的еXN参数值Table 1 ParametersеXNof various elements

表2 常见钢种中N的理论溶解度Table 2 Theoretical solubility of N in common steel grade

从表2可以看出，总体来说，N的溶解度随Cr含量的增加而增加，但Cr1钢中N含量不完全符合这一规律，这是因为Cr1钢中Mn、V含量较高，故导致了N含量较其他钢种要高。

2 生产实际情况

为了准确掌握在冶炼过程中N在钢液中的溶解度，对比理论计算与实际含量之间的差异，对C钢及不同Cr含量的钢种在冶炼的不同时期取样，进行了N含量的统计、分析。

图1 不同Cr含量下N的变化曲线Figure 1 Changing curves of N in condition of different Cr contents

2.1 N含量随钢中Cr含量的变化趋势

不同Cr含量下N的变化曲线见图1。

从图1可以看出，N含量变化趋势符合表2理论计算的总体趋势。实际N含量低于理论计算值。

2.2 N含量随取样时间的变化趋势

不同取样时间的N含量变化曲线见图2。

从图2可以看出，电炉兑钢N含量水平对成品N含量有影响，兑钢N含量越高，炉前成品样N含量越高。真空精炼后N含量最低。

2.3 真空精炼后N含量与出钢时间的关系

真空后取样个数越多，意味着真空后至出钢的时间越长，故用取样个数代表真空精炼时间，真空精炼后N含量的变化见图3。从图3可知，随真空精炼后时间的延长，N含量有增加趋势，时间越长，增加越明显。

2.4 真空浇注后N含量的变化

真空浇注后，锻件实际N含量见图4。对比图4和表2发现，锻件实际N含量高于理论计算。

2.5 Al含量对N含量的影响

为了研究Al含量对N含量的影响，对Cr1钢种进行了加Al试验研究，见图5。同钢种加入0.015%左右的Al就会明显的增加钢中的N含量。

3 原因分析

N元素由于其自身的特殊性，作为有害气体元素加以去除时，非常难以除掉，这是因为N在钢中溶解受多种因素的综合影响，主要因素有:

(1)冶炼、浇注方法。冶炼浇注方法的不同直接影响着钢中的N含量，从公式(4)可知真空精炼和非真空精炼、真空浇注和大气浇注直接关系到实际N分压的大小，进而影响N含量。

(2)合金的加入方式、时间。集中加入和分散加入、真空精炼前加入和真空精炼后加入对钢中N含量也是有很大影响的。

(3)合金中的N含量。合金中的N含量的高低也会对残余N有影响。

(4)钢水温度。温度越高，N在钢液中的溶解度越大，反之，则降低。

(5)钢种化学成分。从公式(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。从图5可以看出Al也是亲N元素，有很好的固N作用。

(6)冶炼时间。特别是真空精炼后至出钢的时间，直接影响着钢中的N含量。

炼钢过程是一个非常特殊的过程，各种影响因素相互影响导致理论计算和实际结果差异很大。尽管理论计算真空浇注的钢种N含量≤30 ×10-6，但在实际生产中去N难度很大，这在含Al的钢种中体现最为明显，即使采用双真空的工艺流程，将N控制在较低水平难度也很大。而对于C钢，即使没有添加亲N元素，实际N≤30× 10-6也是很难的。

图2 不同取样时间的N含量变化曲线Figure 2 Changing curves of N in condition of different sampling times

图3 真空精炼后N含量变化与取样时间的关系Figure 3 The relationship between N content variation and sampling time after vacuum refining

图4 真空浇注锻件N含量Figure 4 N content of vacuum poured forging

图5 Al含量对N含量的影响Figure 5 Influence of Al content on N content

4 结论

通过统计分析，可以得出以下结论:

(1)钢中N含量随Cr含量的增加而增加。

(2)电炉粗炼钢水N含量的高低对LF精炼钢水N含量水平有影响。电炉粗炼钢水N含量越高，熔炼成品钢水N含量越高。

(3)真空精炼后至出钢时间越短，N含量越低。

(4)Al、V等合金对N的溶解度影响较大。

(5)实际统计的N含量与理论计算有差别，这是冶炼过程多种因素综合影响的结果。

［1］ 黄希祜.钢铁冶金原理.北京:冶金工业出版社，1980.

［2］ 邓林涛，刘志颖，等.提高18Mn-18CrN护环钢中氮含量及收得率的研究.大型铸锻件，2002(3):5-9.

编辑 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