控制双相不锈钢中氮含量的方法

氮是双相不锈钢中重要的合金化元素。氮在双相不锈钢中起着形成、稳定、固溶强化γ相，提高耐孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀能力，防止焊后出现过多铁素体而使焊缝金属脆化等重要作用。因此，氮已成为双相不锈钢中不可缺少的重要合金化元素。准确控制钢中氮含量，是冶炼双相不锈钢的重要工艺措施。

1.中频感应炉冶炼双相不锈钢时的控氮操作要点

中频感应炉冶炼全过程均在大气中进行，炉料和钢液会从大气中吸收氮。因此，整个冶炼过程中，钢液含氮量逐步增加。必须从各个环节来减少增氮量和控制含氮量，才能保证钢中含氮量合格。

（1）控制由炉料带入的氮量 控制由该钢返回料、铬铁、原料纯铁等带入的氮量。通过配料计算平衡得出炉料平均含氮（不包括含氮合金）量不超过成品含氮量的30%。

（2）减少熔化期钢液增氮量 冶炼镍、铬奥氏体不锈钢时，熔化期钢液吸收氮量，约占成品钢中含氮量的40%～50%，是冶炼过程吸收氮量最多的时期。控制熔化期钢液增氮量，是准确控制成品含氮量的关键环节。

熔化期钢液增氮主要来源于以下两方面：

1）在铬铁加热和熔化过程中，自大气中吸收氮。通常使用的真空微碳铬铁吸氮量，是铝热法微碳铬铁的15～20倍。前者从700℃开始吸氮，到熔化前吸氮量（质量分数）达到4%以上。因此，中频感应炉冶炼双相不锈钢时，真空微碳铬铁不准随炉料加入加热熔化，可以直接加入熔清后的钢液中，不会发生增氮。铝热法微碳铬铁应装入坩埚中下部的高温区，坩埚下部应装入易熔的返回料，以加速铬铁熔化。

2）熔化末期熔池形成之后，高温钢液从大气中吸收氮，是熔化期钢液增氮的另一原因。这种增氮量远少于铬铁的吸氮量。通过增加底渣用量，增加萤石比例，提高炉渣的流动性，使炉渣具有良好的覆盖作用，可以降低来自大气的吸收氮量。同时，为了减少炉气的流动，大型感应炉应配备液压移动炉盖。

（3）出钢、浇注过程减少钢流吸氮或逸出 出钢和浇注过程中，钢液增氮量约占成品含氮量的5%～8%，应该给予重视。为此，应注意以下操作：

1）控制出钢温度不能过高，一般应控制在低于1600℃。因为，氮在钢液中的溶解度随温度的升高而下降。冶炼含氮量（质量分数）为0.30%～0.45%的高铬低镍不锈钢时，当出钢温度为1600℃时，出钢量为5t，浇注前分析含氮量比炉内降低了7%～14%。因此，应严格控制出钢温度，减少氮自钢流中逸出。

2）浇注时为了减少钢中含氮量的变化和二次氧化，可采用氩气保护注流浇注。注流氩气保护装置参阅本书3.3.4节有关内容。

2.真空感应炉冶炼双相不锈钢钢中含氮量的控制

利用真空感应炉冶炼含氮双相不锈钢，是近期发展的新的真空冶炼技术。如何在真空下对钢液进行氮合金化，是必须解决的技术问题。目前采用两种钢液合金化方法：一种是向炉内充入高纯氮气，控制液面上方p_N2的压强，使氮溶入钢液，达到氮合金化目的；另一种是将含氮合金，在一定p_N2压强下加入钢液，达到氮合金化目的。前一种氮合金化方法尚处于研究阶段，生产上暂无应用。后一种氮合金化方法已开始得到应用。以下仅介绍后一种方法的操作要点。

（1）含氮合金的选择 可用于冶炼双相不锈钢的含氮铁合金有两种：一种是含N=3.0%～5.0%（质量分数）的低氮级含氮铬铁；另一种是含N=8%～10%（质量分数）的高氮级含氮铬铁。这两种含氮铬铁的化学成分，可参阅参考文献[5]。(www.xing528.com)

含氮铬铁的品质，一方面取决于Cr、Si、C、P、S含量，更重要的是含氮量的均匀性和稳定性。用熔化法生产的低氮级含氮铬铁，在含氮量的均匀性和稳定性方面，要优于真空法生产的高氮级氮化铬铁。因此，使用前要采样分析含氮铬铁的含氮量是否均匀和稳定，然后通过试用加以确认，再大量使用。

氮化锰铁、氮化金属锰，适用于冶炼高锰含氮钢种。双相镍铬不锈钢因含锰量低而不能使用。这两种含氮锰合金中，氮的含量是均匀的，含氮量稳定、熔点低，加入后能迅速熔化。

（2）钢液氮合金化操作 真空感应炉冶炼含氮双相不锈钢时，氮合金化是在精炼期末进行。加氮操作的关键是根据氮的加入量，确定冶炼空间充入氮气的压强。在此氮分压强下，保持氮的回收率达到100%。

利用氮在不锈钢中的溶解度[N]与氮气压强p_N2、温度T、合金元素对氮的相互作用系数的计算式，可以得出[N]与p_N2的对应数据。该计算式如下：

Lg[N]=-188/T-1.25-[（3280/T-0.75）（0.13%C+0.047%Si+0.01%N

从式（7-1）可以看出：气相中氮气压强p_N2越高，氮在钢液中溶解度[N]越高。在一定氮分压强下，加入钢液的氮量低于溶解度时，氮的回收率将达到100%。

利用式（7-1）计算1600℃时，双相不锈钢00Cr23Ni9Mo3N和奥氏体不锈钢0Cr25Ni19NbN在不同氮气压强时，氮在钢中的溶解度，其结果如图7-15所示。该图可以用来作为真空感应炉冶炼含氮双相不锈钢时，在钢液加氮时选择充氮压强的参考使用。纵坐标为钢液的加氮量，横坐标为冶炼空间充氮气的最低压强。

双相不锈钢中，含N≤0.20%（质量分数）时，p_N2≥30kPa；含N=0.21%～0.25%（质量分数）时，p_N2≥50kPa；含N=0.26%～0.30%（质量分数）时，p_N2≥60kPa；含N=0.31%～0.35%（质量分数）时，p_N2≥70kPa。

图7-15 炉内p_N2对镍铬不锈钢中氮溶解度的影响

（3）含氮钢液的出钢与浇注 真空感应炉冶炼双相不锈钢的出钢与浇注温度不宜过高，应控制在低于1600℃。从出钢浇注一直到钢锭凝固，必须保持氮合金化时炉内的氮气压强。否则会发生氮的逸出，使钢锭冒涨或内部产生气泡，致使钢锭报废。

总之，真空感应炉是冶炼双相不锈钢的最佳工艺。它不仅能准确地控制含氮量，还能控制相比例，降低钢中各类夹杂物含量等。可以认为，该工艺将不断完善，成为冶炼双相不锈钢的重要工艺，并将得到广泛的应用。