諸因素對真空感應爐冶煉高氮鋼過程的影響

  制約含氮鋼應用的一個重要因素就是其冶煉問題。由于氮是氣體元素，在鋼中的溶解度較低，目前高氮鋼的冶煉通常采用加壓電渣重熔和反壓鑄造等工藝來完成，其它還有采用熱等靜壓熔煉、加壓感應熔煉及粉末冶金等方法，這些冶煉工藝均需要特殊的設備，成本較高。如何采取經濟有效的方法來冶煉高氮鋼一直備受關注。中國科學院金屬所新近提出了直接采用真空感應爐來冶煉中高氮鋼的技術路線。用這種工藝，不加正壓，可以冶煉出氮含量在0.5%左右的高氮鋼，而且可以有效地控制鋼中的雜質元素含量。目前正在對真空感應爐冶煉高氮鋼過程中各種影響因素作進一步研究。

　　一．合金元素對氮含量的影響。氮在鐵合金溶液中的溶解度受其它合金成分影響較大。不同合金對氮在鋼中的溶解度有不同的作用系數，Cr、Mn、Mo、V、Nb等元素增加氮的溶解度，而Ni、Cu、Si、C等元素降低氮的溶解度。用活度系數可以有效地衡量各種元素對氮在鋼液中溶解度的影響。根據目前的實驗結果，鋼中加入的鉻或錳能有效地提高氮的溶解度。

　　二．添加氮化物種類及方法的影響。利用真空感應爐冶煉高氮鋼，主要通過加入氮化物進行氮的合金化。由于真空感應爐冶煉體系是一個低氣壓系統，氮化物在鋼液中的大量熔化和溶解勢必造成氮在鋼液表面的溢出。如果過早地加入氮化物，溶解在鋼液中的氮會不斷地參與鋼液表面的溢出反應，使鋼液中溶解的氮越來越少。另外，如果氮化物熔化溫度超過鋼液溫度，必然會延長熔化時間，較高的熔化溫度又會促使氮從鋼液中溢出。當氮化物熔化溫度較低時(低于鋼液溫度)，氮化物加入到鋼液中就會迅速熔化，并被攪拌均勻；由于時間較短，鋼液中溶解的大量過飽和氮在澆鑄成鋼錠以前來不及大量溢出而被留在鋼液中，從而得到較高的氮含量。在氮化錳、氮化鉻、氮化硅等幾種氮化合金中，只有氮化錳的熔化溫度較低，約1200℃左右，而氮化鉻、氮化硅的熔化溫度都在1600℃以上。所以在使用真空感應爐冶煉高氮鋼時，以使用氮化錳為宜。

　　三．冶煉參數的影響。實驗表明，隨著溫度的升高，氮在鋼中的溶解度反而下降了，這可能是由于鋼中合金元素的相互作用引起的。因此冶煉時控制好鋼液溫度以及出鋼溫度是保證鋼液中氮含量的一個重要因素。另外，真空爐的一些規格和參數(如爐腔的容積、冶煉用坩堝的規格等)都在一定程度上影響到氮在鋼液中的含量。爐腔小，在壓力不變的情況下，可以減少氮向爐腔的擴散；坩堝的內徑越小，鋼液和外界接觸的比表面積越小，氮參與溢出反應的機會越小，都有利于保持鋼液中較高的氮含量。還有，當鋼中含有大量的氧時，使用碳脫氧生成的CO氣體很容易誘發溶解在鋼液中的氮形成氣泡而溢出，不利于獲得較高氮含量