诸因素对真空感应炉冶炼高氮钢过程的影响

  制约含氮钢应用的一个重要因素就是其冶炼问题。由于氮是气体元素，在钢中的溶解度较低，目前高氮钢的冶炼通常采用加压电渣重熔和反压铸造等工艺来完成，其它还有采用热等静压熔炼、加压感应熔炼及粉末冶金等方法，这些冶炼工艺均需要特殊的设备，成本较高。如何采取经济有效的方法来冶炼高氮钢一直备受关注。中国科学院金属所新近提出了直接采用真空感应炉来冶炼中高氮钢的技术路线。用这种工艺，不加正压，可以冶炼出氮含量在0.5%左右的高氮钢，而且可以有效地控制钢中的杂质元素含量。目前正在对真空感应炉冶炼高氮钢过程中各种影响因素作进一步研究。

　　一．合金元素对氮含量的影响。氮在铁合金溶液中的溶解度受其它合金成分影响较大。不同合金对氮在钢中的溶解度有不同的作用系数，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。用活度系数可以有效地衡量各种元素对氮在钢液中溶解度的影响。根据目前的实验结果，钢中加入的铬或锰能有效地提高氮的溶解度。

　　二．添加氮化物种类及方法的影响。利用真空感应炉冶炼高氮钢，主要通过加入氮化物进行氮的合金化。由于真空感应炉冶炼体系是一个低气压系统，氮化物在钢液中的大量熔化和溶解势必造成氮在钢液表面的溢出。如果过早地加入氮化物，溶解在钢液中的氮会不断地参与钢液表面的溢出反应，使钢液中溶解的氮越来越少。另外，如果氮化物熔化温度超过钢液温度，必然会延长熔化时间，较高的熔化温度又会促使氮从钢液中溢出。当氮化物熔化温度较低时(低于钢液温度)，氮化物加入到钢液中就会迅速熔化，并被搅拌均匀；由于时间较短，钢液中溶解的大量过饱和氮在浇铸成钢锭以前来不及大量溢出而被留在钢液中，从而得到较高的氮含量。在氮化锰、氮化铬、氮化硅等几种氮化合金中，只有氮化锰的熔化温度较低，约1200℃左右，而氮化铬、氮化硅的熔化温度都在1600℃以上。所以在使用真空感应炉冶炼高氮钢时，以使用氮化锰为宜。

　　三．冶炼参数的影响。实验表明，随着温度的升高，氮在钢中的溶解度反而下降了，这可能是由于钢中合金元素的相互作用引起的。因此冶炼时控制好钢液温度以及出钢温度是保证钢液中氮含量的一个重要因素。另外，真空炉的一些规格和参数(如炉腔的容积、冶炼用坩埚的规格等)都在一定程度上影响到氮在钢液中的含量。炉腔小，在压力不变的情况下，可以减少氮向炉腔的扩散；坩埚的内径越小，钢液和外界接触的比表面积越小，氮参与溢出反应的机会越小，都有利于保持钢液中较高的氮含量。还有，当钢中含有大量的氧时，使用碳脱氧生成的CO气体很容易诱发溶解在钢液中的氮形成气泡而溢出，不利于获得较高氮含量