高压底吹氮法高氮钢冶炼动力学实验研究

论文摘要

铁素体基体中氮含量超过0.08wt%或奥氏体基体中氮含量超过0.4wt%的钢称为高氮钢。与常规钢种相比,高氮钢的性能、质量有着显著的改善。它具有良好的韧性,并兼有高的强度、耐腐蚀性、耐磨损性,蠕变性能和疲劳强度也明显改善。但是在常压下增氮很困难,设计一种合理经济冶炼高氮钢的方法很有意义。根据热力学计算结果,探讨了钢液增氮反应机理,建立增氮动力学模型,并分析了增氮过程的限制环节。通过实验研究,得到不同条件下的钢中的氮含量,确定了主要动力学参数。实验研究和计算结果表明,高压底吹氮气冶炼高氮钢冶炼工艺,影响的钢中氮含量的最显著性因素是压力,其次是合金含量,再次是吹炼时间,最后是温度;实验条件下钢液增氮反应的限制环节是界面化学反应和液相边界层混合控制,反应不是一级反映也不是二级反应;确定了不同温度下的反应速率常数及表观活化能,测定不同条件下,氮在钢中的表观传质系数。实验研究并分析了炉内压力、底吹氮气流量、熔炼温度、吹炼时间等因素对钢液增氮动力学的影响。气量较小的情况下,钢中氮含量与底吹氮气流量近似成直线关系,气量控制在0.15～0.20m3·h-1为宜;熔炼温度对钢液增氮动力学影响很大,温度控制在1920K对增氮动力学最有利;吹炼过程前期25min钢中氮含量是随温度的升高而增加,35min时钢中的氮含量接近饱和或已饱和;45min时钢中的氮含量已经达到饱和;受热力学因素的影响,钢中氮溶解度随温度的升高而降低。压力对增氮动力学影响不大,冶炼18Cr18Mn-0.9N钢压力应控制在1.15～1.20MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 含氮钢的发展历程
• 1.1.1 人们对氮的认识
• 1.1.2 高氮钢的发展历程
• 1.1.3 高氮钢的定义
• 1.2 高氮钢的强化机理及优良性能
• 1.2.1 碳、氮合金化的比较
• 1.2.2 氮在奥氏体强化作用
• 1.2.3 氮在铁素体钢中的作用
• 1.2.4 高氮钢的优良性能及应用
• 1.3 高氮钢的生产方法
• 1.3.1 固体含氮合金添加增氮法
• 1.3.2 粉末冶金法（PM 法）
• 1.3.3 增压等离子重熔
• 1.3.4 加压电渣重熔熔炼
• 1.3.5 反压铸造法
• 1.3.6 钢包中的电渣加热-高压渗氮
• 1.4 研究内容
• 2 钢液增氮反应动力学模型
• 2.1 双原子分子气体溶解传质的基础
• 2.2 钢液和氮之间的反应机理
• 2.3 钢液增氮动力学反应模型的建立
• 2.4 气泡搅动传质模型
• 2.5 确定吸氮传质系数
• 3 实验原理及方案
• 3.1 实验原理
• 3.2 研究方案
• 3.3 研究方法
• 4 实验结果及分析
• 4.1 正交实验及结果分析
• 4.1.1 正交实验结果及级差分析
• 4.1.2 正交实验显著性分析
• 4.1.3 压力对钢中氮含量的影响
• 4.1.4 温度对增氮反应的影响
• 4.1.5 底吹熔炼时间对增氮反应的影响
• 4.2 单因素实验及结果分析
• 4.2.1 底吹氮气量对钢液增氮反应的影响
• 4.2.2 温度对增氮速率的影响
• 4.2.3 高压釜内氮气的压力对钢液增氮反应的影响
• 4.3 小结
• 5 高压底吹增氮动力学分析
• 5.1 控制环节的确定
• 5.2 活性元素对增氮动力学的影响
• 5.3 氮气搅拌对钢液吸氮的影响
• 5.4 温度对化学反应速率的影响
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集