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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精炼氮合金化的控制模型。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。不像冶铸厂所言充[N]，而应叫做氮合金化。关键词 AOD 氮合金化 控制模型 不锈钢中实现氮合金化有两种方法：（1）氮化合金加入钢液中；（2）氮气溶解在钢液中。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氮气的溶解和氩气的脱除来实现，具体工艺为两步：（1）AOD冶炼前期吹炼过程中氮气和氧气按一定比例逐步升高吹炼，到最后达到完全氮气吹炼，从而实现氮的饱和溶解，即达到氮的溶解度。（2）后期应用氩气脱氮的动力学理论，精确控制氮含量到目标值范围内。取预还原样后，进入精炼微调成分期 基于氮在不锈钢中的溶解和脱除理论，建立了AOD氮合金化控制模型，经太钢45tAOD生产应用，实现了含氮不锈钢中氮含量的精确控制。取C样后调小氧气流量；进入预还原后停氧吹氮1 氮在不锈钢液中溶解度模型的建立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： 1/2N2=[N] （1） [N]= （2） 式中：[N]-钢液中氮的质量百分浓度；-氮溶解的平衡常数； -钢液中氮的活度系数；-氮气分压。1.2 压力、温度和化学成分的影响 从（1）式可知：压力对钢中氮的溶解度影响比较简单，随体系氮分压的升高氮在钢中的溶解度增加。 氮在纯铁液中的溶解标准自由能采用Pehlke[1]和Elliott[2]推荐的数据，即：因而建议核电锻件用钢在最后出钢前20min进行氮合金化 [N]= （3）Cr、Mn是与氮亲和力强的元素 由（3）式可知：氮在铁液中的溶解是吸热过程，因而随温度升高，氮的溶解度增加。 合金元素对氮在钢中溶解度的影响是由于合金元素的加入，改变了氮在钢中的活度。如果合金元素与氮的亲和力强，氮在钢中的活泼程度下降即活度减小，氮含量增加。反之则相反。 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= -0.75(1873K)·[j] （4）式中：-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]=--1.245＋--0.75(1873K)·[j] （5） 令(5)式中的温度项--(1873K)·[j]=0，可得出：温度对钢中氮的溶解度影响因钢种化学成分的不同而不同，当(1873K)·[j]＞-0.0573时，温度升高钢中氮的溶解度增加。当(1873K)·[j]＜-0.0573时，温度升高钢中氮的溶解度降低。1.3 氮在不锈钢液中的溶解度 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Table 1 Interaction coefficient between nitrogen and alloying elements at 1600℃00.130.047-0.0230.0460.007-0.12-0.0450.01-0.010.0090.85-0.10因钢种不同而异，不锈钢最忌讳低[P] 因不锈钢中[P]、[S]和[O]非常低，其相互作用系数是绝对值不大，对氮的活度系数影响很小，可以忽略不计。将表中的数值代入公式（5）中得出氮在不锈钢熔体中的溶解度为：Lg[N]=--1.245＋lg--0.75(0.13[C]＋0.047[Si]-0.023[Mn]-0.045[Cr]＋0.01[Ni]-0.01[Mo]＋0.009[Cu]＋0.85[Ti]-0.10[Nb] (6) 基于不同的不锈钢的成分利用公式（6）计算（4）式中的(1873K)·[j]的数值如表2所示。表2 不锈钢(1873℃)·[j]数值Table 2 (1873℃)·[j] value of stainless steels钢种(1873℃)·[j]304-0.72304L-0.74316-0.66316L-0.642205-0.96201-0.73202J-0.75 从表2中的数值可知：最常见的不锈钢的(1873K)·[j]的数值都＜-0.0573，因而氮在钢液中的溶解度