PDF《第8卷第3期》

P氮溶解在纯铁液 中的平衡常数 是温度 的 函数. 不同研究者测定的 值有所不同, 本文采 用Pehlke和 E l l i o t t 给出的测定值 l g KN :一_1 .

2 4

5 (

3 ) 由于不锈钢液 中溶解 了大量的合金元素 , 这 些元素对氮的活度系数有一定 的影 响. 合金钢中 氮的活度系数可 以用 C h i p m a n 给出的计算公式 求得lg_(3280―

0 .

7 5 )∑e

2 t

7 [ J

3 (

4 ) 式中e 为在给定温度下钢液 中合金元素 j 与氮 的相互作用系数 ( 见表

4 ) ;

[ J ] 为钢液 中j的质 量分 数(%).将表 4中的数据代人式(

4 ) , 再将式(

4 ) 和式 (

3 ) 代人式(

2 ) 中整理后得 l g [ N]: l g [ P N .

2 1―

1 .

3 4

5 4一I o .

1 3 [ c 3+

0 .

0 1

1 w[ N i ]+0 .

0 6

1 w[ s i ]一0 .

0 0

9 w [ M o ]一0 .

0 2 w[ Mn ]一0 .

0 4

7 w[ c r ]一0.1『V]} 表41873K下钢液 中的元素 J 与氮的相互作 用系数 T a b l e

4 I n t e r a c t i o n c o e f f ic i e n t s b e t w e e n a l l o y i n g e l e me n t j a n d N a t

1 8

7 3 K i n s t e e l me l t 式(

5 ) 即为氮在钢液中的溶解度计算公式. 将表 1中钢液的成分及氮气压力

1 3

0 k P a 代人式 (

5 ) , 可得1

8 7

3 K时钢液 中氮的溶解度为 W[ N] =

0 .

1 8

0 % , 与表 1中所示钢 中氮 的实 际含量相 比,误差不超过

5 % . 实际上 , 在钢 液成分 和其他熔炼工艺 ( 包括 熔化温度 、 氮化铬铁加入量 、 熔化时间及浇注温度 等) 不变的情况下 , 钢液中的实际氮含量与保 护 气体的种类以及压力有关. 钢液中氮化铬铁熔化 后氮在气液两相界面的传质包括气相中氮向液相 的扩散和液相 中氮向气相 的溢出, 而此传质过程 的真正驱动力是气液两相 中氮的化学势差. 如表

1 所示, 当炉内保护气体为氮气时 , 气液两相之间 氮的传质过程很容易达到平衡状态, 氮气分压等 于保 护气体总压 力, 此时钢 中氮含量接 近由式 (

5 ) 计算得到的溶解度. 由于气相 中的氮向液 相 扩散而使钢液中的实际氮含量高于设计量, 并使 其在气液两相之间的扩散加剧 , 溢出时形成很多 气泡 , 在浇铸过程中有不少被保留下来 , 导致最后 钢锭有气孔存在. 如表 2和表 3所示 , 当炉内保护 气体为氩气时 , 炉内的氮气只能来 源于钢液 中氮 化铬铁分解后氮的溢出, 维持炉内氮的化学势平 衡. 而此溢出作用势必导致最后钢 的实际氮含量 低于设计量. 另外 , 由于氮在气液两相间的传质过 程还受到炉内保护气体总压力的影响¨ , 使氮在 气相与液相之间的扩散不能及时达 到平衡, 即使 在两炉钢的设计成分相同的情况下 , 也会 由于熔 炼时间的不同¨ , 导致两炉钢的实际氮含量有所 不同( 见表

2 ) .

2 .

2 氮化铬铁添加量对钢种氮含量的影响 真空感应炉熔炼高氮马氏体不锈钢时, 钢中 氮的实际含量除了与钢液化学成分、 保护气体种 类及压力、 熔炼温度和熔炼保温时间有关外 , 还与 氮化铬铁合金的加入量有关. 比较表 1中前两炉 钢与第三炉钢的设计成分及熔炼成分 , 当炉 内保 护气体为近常压的氮气时 , 添加 以氮的设计成分 ( 此设计成分小于这个状态下氮在钢液中的溶解 度) 计算得到 的氮化铬铁合金后, 由于气 相中氮 的化学势高于液相 中氮的化学势 , 氮从气相向液 相扩散 , 最终钢中的氮含量大于设计量 , 并且接近 由式(