高压冶金技术在高氮钢冶炼中的应用

马忠旭

摘要：随着经济的发展，我国高压冶金技术呈现出了裹挟之势，不仅整体技术得到了有效的升级，技术实际应用领域也逐渐扩展。文章首先对高氮钢冶炼项目的背景进行了分析，并阐释了高压冶金数理模拟类型，以试验为基础着重分析了高压冶金技术在高氮钢冶炼中的应用参数，旨在为技术人员提供有效的数据信息。

关键词：高压冶金技术；高氮钢冶炼；应用参数；数值模拟类型；有色金属冶金 文献标识码：A

中图分类号：TF142 文章编号：1009-2374（2016）31-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.023

我国工业近几年的发展速度激增，其中应用比较广泛的就是高压技术，但是其和冶金行业的项目融合还需要进一步探索，由于高压技术在冶金行业中应用的条件、要求以及应用策略都有别于其他技术，因此主要技术人员对其主要应用环境和参数进行集中分析。在冶金项目中，有色金属冶金已经研究过高压技术，例如铝土矿加压渐浸项目、金矿加压氧化预处理技术等都已经开展了比较深入的探讨，都是借助一些外力进行矿物元素的预处理，对于整体技术研发项目的效率有很大的帮助，并且也有一部分技术已经大规模投入应用。

1 高氮钢冶炼项目的背景

在我国工业发展进程中，钢铁项目一直是重工业中的佼佼者，也是我国重工业的代表，近几年来高氮钢受到了社会各界广泛的关注。High Nitrogen Steels也称高氮钢，在同类钢铁中是一种性能优越的特殊钢材，由于其内部含氮量较高而得名，不仅具有较高的稳定和扩大奥氏体相区的能力，也能有效地提升钢强度，与此同时不会对钢的塑性和韧性产生影响，并且高氮钢的耐腐蚀性能也特别突出。在我国，主要是在汽车制造、国际航空、化工生物以及建筑项目等利用高氮钢，其中主要是利用高压底吹氮法。高压底吹氮法既能保证整体工艺的原料比较清洁，还能保障其钢液氮化的效率比较高，由于氮气并不是稀缺资源，因此试验技法的原材料十分丰富，将高压冶金技术应用在高氮钢冶炼中，是时代发展的必然趋势。

2 高压冶金数理模拟类型

在建立对应模型之前，首先要对其参数进行简要的分析。在常规条件下，铁液中氮含量并不是很高，通常在温度为1873K、压力为0.1MPa的基础条件下，其含量只会控制在0.043%左右，在铁液中，由于铁物质最外层电子和氮元素的最外层电子之间发生作用，就会导致其形成价电子，在对其进行多次试验后，会发现氮元素在铁液中会发生溶解现象，试验人员会用氮原子来描述实际溶解行为，并且利用Sieverts定律来计算氮在奥氏体铁中的溶解性。另外，在实际试验处理过程中，利用底吹氮气的方式，能保证氮气铁液中产生较为剧烈的振动和对流，并不能对钢液增氮行为产生限制。增氮过程属于一级反应，并且能保证其化学反应界面不会和氮相界面产生扩散型的混合控制。

2.1 高压底吹冶铁数值模拟类型分析

在实际试验处理过程中，主要利用的就是Fluent软件，利用其特性在高压反应器内部进行数值模拟的操作，从而对整个高压底吹冶铁技术进行研究。首先要对坩埚底吹氮过程进行情景模拟，通过参数对比才能继续试验。其一，在试验项目中，经过数据的分析可以发现驱使钢液循环流动的主动力是气泡浮力；其二，在实际试验项目中，针对流体的性质要进行仔细确认，其密度为常数，且是不可压缩的粘性流体物质；其三，对坩埚进行比对，其液面是较为光滑的自由面；其四，对钢液循环产生作用的气泡不仅大小均匀，而且其具有同一直径。另外就是要分析钢液的压力场结构，在常压条件下，气液两相区的钢液速度会在钢液面附近发生转向作用，从而形成可以进行试验的循环流，也就是说，在实际试验过程中，钢液的循环中心位于钢液的上部位。但是在实验中发生的增氮反应吸收到的氮元素却并不能进入钢液的中下部，这就导致在整体钢液中氮分布结构并不均匀。通过试验结构和数据证明，在高压作用下，钢液只有在坩埚的中部气液两相区才会发生实际转向，从而形成循环流，此时在坩埚的中部位置会形成循环流中心，钢液中吸收的氮也能有效的进入到钢液中下部。

在1.0MPa条件下速度矢量会按照相应的结构进行改变，而在此条件下，钢液是在坩埚的中部气液两相区发生转向的，从而形成可供研究的循环流。也就是说，在循环流中心处于坩埚结构中部时，此时能更好地将氮元素直接吸收到钢液的中下部。另外，在此高压条件下，底吹孔附近的钢液速度以及坩埚内部气液两相区顶部的钢液速度需要进行有效的合并分析，两者都发生了转向，也就证明了高压条件的循环流要比常规压力下的循环流更加的强烈，并且也能有效地规避由于在循环过程中超出钢液面时流失的能量。

2.2 高压底吹冶铁物理模拟类型分析

物理模拟实验主要利用的是高温高压反应釜，在将氮气吹入水模拟装置后，保证装置内拥有较为充盈的高压气氛，再向反应釜内部直接吹入当期，实验人员利用窥视孔进行反应变化的观察，从而建立有效的数据参数，并对实际反应视频进行有效的记录。在常压环境中，底吹进行后会导致钢液面发生非常剧烈的振动，气泡也几乎充满了液池的上部，并且随着压力的不断增大，气液两相区溢出液面的成分会逐渐增大，但是在压力为0.46MPa时，在液面发生涌动的就只是上升气柱了，整体钢液的液面处于平静状态，此时这对水模拟以及数值模拟的参数进行比较，两者基本吻合，并且能进一步验证数值模拟过程中得出的数据具有非常高的准

确率。

3 高压冶金技术在高氮钢冶炼中的试验分析

3.1 试验准备

利用高压技术冶炼高氮钢，主要采取的是高压底吹氮法。在实验中，利用的设备和条件包括功能反应釜、底吹流量以及坩埚，其中多功能反应釜的温度要控制在20℃～2000℃之间，而压力要控制在7*10-2～6*106Pa之间；底吹流量数值要控制在0.07～0.8m3/h之间，而使用的异型坩埚的纳水量要控制在20～2000克之间。整个实验要在反应釜内进行，利用温度控制系统以及抽真空系统进行试验氛围的维护，并且利用底吹气体控制系统调控整个实验项目。

具体的操作步骤是，首先要将已经调制好的原材料直接放入反应釜，并且要严格管控密封条件，利用冷却水进行真空环境的营造，保证真空低于40Pa，然后逐渐升温，直到内部环境已经升值到1300℃之后，停止抽取真空，保证温度恒定。然后再通过阀门向内部直接充入氮气，在保证温度和压力达到熔炼条件之后，有效地进行底吹操作，试验过程中对于整体环境和参数要进行谨慎的数据关注，保证全部过程按照设计意图进行，待底吹精炼结束，撤出温度加热，在温度逐渐降低的过程中有效地补充氮气，直到钢液在恒压条件下逐渐凝固。实验人员可以通过窥视镜观察到整个过程，具体参数如下：温度T升高，坩埚内原料熔化，在温度T=1500℃时，出现黄色钢液；当温度T=1550℃时，原料全部熔化。针对试验结果，较传统常温冶炼过程，高压冶炼的高氮钢含氮量明显增高，且表面比较平整，实验人员还要取一定的样本进行质量检测。

3.2 含量分析

在对数量进行分析的过程中，含氮量和压力分析结果呈现的线性关系，含氮量的计算值和试验值比较一致，当温度控制在1873K时，若是试验人员冶炼半小时，则压力值为1.32～1.48MPa，此时得到的氮质量分数约为0.9%～1.0%的Cr18Mn18N高氮钢，而当实际压力控制在0.5～2.0MPa之间时，氮含量会随着压力值的增大而逐渐增大。

另外一种情况就是针对Cr12N，压力值从1.1～1.2MPa时，其制备的含氮量的质量分数会有显著的提升，直接增加到了0.036%。总之，随着精炼压力值的不断增加，氮含量也呈现出逐渐增大的趋势。

3.3 偏析分析

在对试验进行分析的过程中，凝固时的具体压力数值会对氮气泡输出值产生影响，也就是说，不同的凝固压力会对氮含量产生影响，在1.0MPa的情况下，整个区域内氮的横纵结构会产生较大的偏析，其中氮的质量分数会控制在0.205%～0.394%之间，并且在铸锭结构中，下部的氮含量会远远对于结构上部，且在凝固过程结束后，铸锭的顶端氮含量数值归于最小。另外，在熔炼压力控制在1.2MPa条件下凝固的铸锭，从横向分析，越是靠近铸锭边缘部位，含氮量越高；从纵向分析，越是靠近铸锭顶部，含氮量越高。而处于相同条件下，在凝固压力直接升高至1.6MPa时，氮元素的偏析程度明显小于低压条件，各个部位的氮含量也会维持在0.34%～0.36%之间，也就是说，高压是减少氮元素宏观偏析的有效

措施。

4 结语

总而言之，应用高压冶金技术在高氮钢冶炼中具有较为广泛的前景，需要研究人员进行进一步的试验

探究。

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