高压底吹氮法高氮钢精炼热力学与动力学研究

氮气增氮是生产高氮钢成本最为低廉的方法。申请者在实验室用高压底氮法高氮钢精炼设备对Cr18Mn18钢进行了试验研究，得到了一些有价值的热力学、动力学研究结果。在相同钢种、压力和时间条件下，这种方法得到的氮含量明显高于文献给出的实验结果和理论值。本项目拟以Cr18Mn18N和Cr12N钢为试验钢种，通过试验研究钢中氮溶解度、增氮速率、钢中有效氮含量与炉内氮分压、底吹氮强度、吹氮时间等因素之间的关系，进一步探讨钢中氮溶解度、高压底吹氮气条件下的气体增氮热力学基础与界面反应、传质等动力学机制，为精确控制氮含量、缩短精炼时间或工作压力，建立钢中氮含量控制模型。.本项目着重试验压力高于1.0MPa条件下底吹氮气向钢液中增氮，由于底吹气体的搅拌作用或者其他尚未明了、有待于探讨的作用效果，使获得的钢中氮含量远高于其他文献给出的数据。探讨其热力学动力学机制，也正是本项目的特色与创新之处。

高氮钢是一种性能优越的特殊钢。目前，高氮钢冶炼是国内外含氮钢生产中开发研究的一项新技术。冶炼过程中氮的加入是关键，本项目研究了高压-底吹氮气方法，高压可以提供了良好的热力学条件，大大提高了氮含量；底吹氮气改善了冶炼的动力学条件，明显缩短冶炼时间。. 本项目完成了国内首套高压-底吹氮法高氮钢冶炼实验装置的制造和完善，为高氮钢冶炼实验的开展提供了合理有效的实验手段；完善了高温高压视频图像记录设备，发明制造了适合实验室底吹用异型坩埚，炉膛和坩埚扩容后，冶炼出了含氮量超过1.0%和0.35%的公斤级钢锭。. 以Cr18Mn18N和Cr12N为实验钢种，研究了钢中氮饱和溶解度和氮含量控制模型，分析了熔炼时影响钢中氮含量的热力学因素和动力学因素，确定了凝固压力等条件对钢中氮分布的影响。. 对于熔炼Cr18Mn18N高氮钢，在0.6MPa<P<2.0MPa、1813K<T<1913K下，氮含量随熔炼压力的升高而增加，随温度的升高而降低。1.0MPa、1853K下，氮饱和溶解度为1.16%；钢中氮含量随底吹流量和底吹时间的增加而增加，底吹流量达到0.24m3/h以上，底吹时间20min，氮含量均趋于饱和。对于熔炼Cr12N高氮钢，氮的饱和溶解度随熔炼压力的增大而增大，随熔炼温度的降低而增大；1.2MPa、1873K下，钢中氮的饱和溶解度为0.345%；底吹流量0.18Nm3/h时，氮达到饱和溶解度的时间为15min。对于凝固时Cr12N高氮钢，凝固压力大于1.2MPa后，宏观偏析基本消除。. 通过Fluent软件和水模拟实验，首次开展了高压流场的数理模拟研究。模拟结果表明，高压-底吹条件下的钢液流场明显不同于常压条下的情况，钢液中靠近坩埚壁的小循环区消失，大循环区循环中心下移至坩埚中部，湍动能分布均匀。相同底吹流量下钢液中氮气的体积分数随出口压力的增加而增加，使得氮气泡增多，分布趋于均匀。水模结果表明，随压力的增加，液面波动降低，钢液中的气泡尺寸明显变小。. 高压-底吹法提高了氮在钢中的溶解度，增加了钢液吸氮速率，缩短了冶炼时间，改善了钢锭宏观偏析，具有良好的工艺效果和推广应用前景。本项目的研究获得了原创性的成果，具有重要的科学价值，也为进一步扩大实验规模奠定了良好的理论和实践基础。