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        一種高氮鋼的生產(chǎn)實(shí)踐

        2021-03-09 05:52:32肖邦志楊新泉李慕耘唐樹平
        中國金屬通報(bào) 2021年22期
        關(guān)鍵詞:含氮鋼包鋼液

        鄧 偉,肖邦志,楊新泉,李慕耘,唐樹平

        (武鋼有限煉鋼廠,湖北 武漢 430080)

        高氮鋼的定義:如果鐵素體基體中W(N)>0.0080%的鋼是高氮鋼。鋼種氮超過熔融條件下的平衡溶解度時(shí),這些鋼就稱作超高氮鋼[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的全方位發(fā)展,高氮鋼由于其在力學(xué)及耐蝕性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的無氮鋼,所以高氮鋼的需求將會(huì)日益增加,應(yīng)用日益廣泛。含氮鋼和普通碳鋼相比,有明顯優(yōu)勢(shì),氮在奧氏體中的溶解度比碳高,溶解氮與碳不同,它可加強(qiáng)局部耐腐蝕能力??刂其撝械腫N]元素含量在0.100%~0.150%之間,形成穩(wěn)定的奧氏體組織,改善鋼的宏觀組織,使之致密堅(jiān)實(shí);氮與鋼中Al、V、等合金元素化合成氮化物,可提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗蝕性等。

        目前國內(nèi)外控制[N]成分主要是在精煉工序添加含氮合金,不僅合金成本較高,同時(shí),添加含氮合金,含氮合金含有雜質(zhì)對(duì)鋼水會(huì)造成二次污染,影響鋼水潔凈度,含氮合金屬于單列的特殊合金,如果使用必須單獨(dú)管理增加了一系列管理上的工作量。

        為了克服上述的不足,武鋼有限煉鋼廠三煉鋼產(chǎn)線(簡(jiǎn)稱“三煉鋼”)在冶煉一種典型高氮鋼時(shí),經(jīng)過煉鋼全流程工藝,特別是爐外精煉經(jīng)過RH真空處理時(shí),不添加任何含氮合金,也不需要增加任何設(shè)備,而是通過階段控制RH真空度和RH提升氣體流量等,來利用鋼水穩(wěn)定增氮。而且不需要添加含氮合金,使生產(chǎn)成本大幅下降。同時(shí),不添加含氮合金,避免了含氮合金含有雜質(zhì)對(duì)鋼水的二次污染,提高了鋼水潔凈度,提高了鋼質(zhì)。減少了含氮合金單獨(dú)管理的工作量。

        1 生產(chǎn)工藝概況

        三煉鋼生產(chǎn)的高氮鋼,典型鋼種其冶煉工藝流程為:高爐鐵水→鐵水預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→吹A(chǔ)r(增氮處理)→LF鋼包爐(調(diào)溫、深脫硫、增氮處理)→RH真空(脫氣、去夾雜、增氮)→連鑄。

        這類鋼種的典型化學(xué)成分要求如下表。

        表1 典型化學(xué)成分

        2 生產(chǎn)實(shí)踐及工藝優(yōu)化

        由于高氮鋼要求的磷、硫含量較低,同時(shí)要求含氮量較高,要求一級(jí)探傷合格率高,故生產(chǎn)的主要重心是確保鋼水穩(wěn)定增氮的同時(shí)確保探傷合格率。

        2.1 氮含量的控制

        2.1.1 鋼液增氮的理論依據(jù)

        (1)熱力學(xué)分析:氮在各種狀態(tài)下的鋼水中都有一定的溶解度,溶解過程吸熱(氮在γ-Fe的溶解度例外)。故氮在鋼水中的溶解度隨溫度的升高而增加,這個(gè)過程中,氮?dú)夥肿酉缺晃皆跉?鋼界面上,并分解成兩個(gè)氮原子,然后這些原子被鋼液吸收,其化學(xué)分子反應(yīng)式:

        氮在鋼液中的溶解度符合平方根定律:

        式中:Nα—氮在鋼液中的活度。

        KN?--氮在鋼液中的質(zhì)量百分濃度。

        fN—氮的活度系數(shù)。

        KN--氮在鋼液中溶解的平衡常數(shù)。

        [N%]—氮在鋼液中的質(zhì)量百分濃度。

        PN2--氮的分壓力,以大氣壓力為單位。

        氣體的溶解度除與溫度有關(guān)外,還取決于鐵的相結(jié)構(gòu),即在不同的相結(jié)構(gòu)中,氣體溶解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)不同,即溶解度不同,溶解度隨溫度變化的速率不同,由此可標(biāo)出在不同溫度下氣體在鋼中的溶解度,其結(jié)果如下表2所示。

        表2 氣體在鋼中的溶解度

        (2)動(dòng)力學(xué)分析:在煉鋼溫度條件下,鋼中Al、Ti、B、V等氮化元素與N的反應(yīng)為氣液反應(yīng),主要分3個(gè)環(huán)節(jié)[3]:①氣體吸附為液體表面,氮化元素向界面?zhèn)鬟f;②氣一液界面化學(xué)反應(yīng);③反應(yīng)產(chǎn)物向液體內(nèi)部擴(kuò)散。由于內(nèi)部擴(kuò)散容易,因此反應(yīng)元素的吸附及傳遞為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。對(duì)于N的傳質(zhì)系數(shù)可根據(jù)下式計(jì)算 :

        式中:[N]e-氮?dú)馀荼砻鍺濃度/(mol/m3)。

        [N]0一鋼中原始[N]濃度/(mol/m3)。

        [N]一實(shí)際N濃度/(mol/m3)。

        A 一傳質(zhì)面積/m。

        Rm 一傳質(zhì)系數(shù)。

        W 一 鋼液質(zhì)量/kg。

        t一時(shí)間/s。

        分析公式可知,吹氮時(shí)間是鋼液增氮的主要?jiǎng)恿W(xué)控制因素,吹氮流量雖不直接影響吸氮速度,但影響著鋼液的攪拌強(qiáng)度和鋼液中氮?dú)馀莸膹浬⒊潭?,彌散程度越高,氮?dú)馀c鋼液的界面就越大,增氮速度越快.

        2.1.2 當(dāng)前設(shè)備條件下氮含量的現(xiàn)狀

        由于目前采取的工藝是高爐鐵水→鐵水預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→吹A(chǔ)r(增氮處理)→LF鋼包爐(調(diào)溫、深脫硫、增氮處理)→RH真空(脫氣、去夾雜、增氮)→連鑄。

        轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉采取正常的模式吹煉,轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)氮的含量平均值一般為25ppm。

        氬站底吹氣體采用氮?dú)猓ㄟ^控制底吹的時(shí)間來增氮,但是由于受生產(chǎn)節(jié)奏的制約,一般情況下氬站底吹氮?dú)鈺r(shí)間小于10分鐘,增氮效果并不明顯,一般情況下氬站增氮平均值小于10ppm,離目標(biāo)還很遙遠(yuǎn),所以控制高氮的核心工藝是在鋼包爐和RH真空工藝。

        一般而言鋼包爐的正常操作是調(diào)節(jié)溫度、深脫硫,一般底吹接的氬氣,受生產(chǎn)節(jié)奏制約,鋼包爐的處理時(shí)間也會(huì)有很大的波動(dòng)。另一方面,鋼包爐的電極加熱在一定程度上會(huì)增氮,但是增氮值與時(shí)間的關(guān)系難以量化,波動(dòng)較大。

        真空處理工藝,由于這類鋼種對(duì)探傷的要求非常高,一方面要滿足鋼液純凈度的要求,要充分的脫氣,去夾雜,采取抽極限真空度的方法,從而確保這類鋼種的探傷合格。另一方面,鋼水中的氮含量要求又非常高,要采取合理的模式來增氮,這兩個(gè)方面是相互矛盾的,鋼液循環(huán)脫氣去夾雜的同時(shí),同樣會(huì)脫氮,使氮達(dá)到一個(gè)平衡值,這個(gè)平衡值為30ppm,在真空循環(huán)狀態(tài)下,當(dāng)鋼水中氮含量大于30ppm時(shí),主要表現(xiàn)為脫氮,即降低鋼水中氮含量。當(dāng)鋼水中氮含量小于30ppm時(shí),脫氮速率明顯降低,脫氮困難。所以當(dāng)正常情況下真空循環(huán)脫氣去夾雜結(jié)束后鋼水中氮含量小于30ppm。

        綜上所述,目前的工藝要達(dá)到該典型鋼種氮含量控制在0.0150%的目標(biāo),必須改進(jìn)傳統(tǒng)的工藝。

        2.1.3 高氮鋼氮含量的控制實(shí)踐

        (1)轉(zhuǎn)爐要求新開爐前6爐和補(bǔ)爐后第一爐不得冶煉此鋼,為有效控制出鋼氮含量,轉(zhuǎn)爐在吹煉模式選擇上做出較大改進(jìn),轉(zhuǎn)爐采用全程供氮的吹煉模式進(jìn)行吹煉,必要時(shí)可進(jìn)行雙渣操作,可采用高拉補(bǔ)吹,保證轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C-T協(xié)調(diào)。采用這種模式可有效增加出鋼氮含量,一般可控制氮含量在40ppm左右。

        (2)氬站同樣采取增氮操作:即由原來采用底吹氬氣的操作改為全程底吹氮?dú)鈦砜刂?,但是由于?huì)受生產(chǎn)節(jié)奏的制約,一般而言,接底吹10分鐘的氮?dú)猓缓鬁y(cè)溫,取樣。

        (3)鋼包爐的主要任務(wù)是脫硫、升溫和增氮,脫硫采用深脫硫的方法。主要還是在底吹氣體上做改進(jìn),由原來底吹氬氣改為底吹氮?dú)猓龅姆椒床捎萌痰状档獨(dú)?,鋼包爐操作過程應(yīng)加石灰造好還原渣,石灰量一般為3噸左右,同時(shí)保證過程酸溶鋁含量適量,一般在0.040%左右,以便于脫硫,視大罐底吹效果來定,一般按照1000L/min~1200L/min的流量控制,增氮速率通過試驗(yàn)確定,一般增氮速率為3ppm/min,底吹全程吹氮?dú)?0分鐘,同時(shí)鋼包爐深脫硫的時(shí)候加熱、攪拌同樣是增氮的過程。通過上述操作可將鋼包爐處理結(jié)束樣氮的含量控制在180ppm至200ppm之間,整個(gè)過程操作同樣要多取試樣,以此來及時(shí)掌握鋼水中氮含量的變化。

        (4)真空處理86分鐘,由于鋼液中氮會(huì)隨真空循環(huán)處理過程脫去一部分,會(huì)隨著時(shí)間而變化,故在真空冶煉過程中盡量多取試樣,每5~10分鐘取樣一次,分析[N]元素含量,隨時(shí)掌握氮含量的變化,真空上升管的提升氣體全程采用氮?dú)狻?/p>

        先按D-1模式進(jìn)行真空處理,D-1模式是真空開始處理時(shí)依次啟動(dòng)輔助真空泵和增壓泵,即所有真空泵全啟動(dòng),7分鐘到達(dá)極限真空度,真空度控制在0.130kpa以下,且保持極限真空度8分鐘,按目標(biāo)成份進(jìn)行合金微調(diào),加完合金后循環(huán)時(shí)間≥5分鐘,處理15分鐘以上,使鋼液在高真空度狀態(tài)下充分脫氣,去夾雜,讓鋼液更純凈,確保探傷合格。

        由于按上述D-1模式進(jìn)行真空處理,高真空度下鋼液循環(huán)會(huì)脫去一部分氮,一般而言,在極限真空度狀態(tài)下,當(dāng)?shù)吭?0ppm以上時(shí),真空度在100Pa以下,真空的脫氮速率為10ppm/min,當(dāng)?shù)吭?0ppm以下時(shí),同樣真空度在100Pa以下,真空的脫氮速率明顯減緩,實(shí)驗(yàn)值表明脫氮速率為5ppm/min左右,故當(dāng)保持極限真空度8分鐘后,需要重新操作泵系統(tǒng),控制真空度在3±2kPa,保持時(shí)間45分鐘以上,同時(shí)根據(jù)過程氮樣來控制增氮的時(shí)間。

        通過以上煉鋼全流程精確控制氮成分,能使鋼水中氮含量達(dá)到目標(biāo)要求,且能夠穩(wěn)定、固化下來,其取全流程的氮含量平均值(ppm)得增氮規(guī)律如下圖1。

        圖1 全流程增氮規(guī)律

        3 結(jié)論

        (1)對(duì)于高氮鋼這一類典型的鋼種而言,通過控制真空泵系統(tǒng),合理控制真空度曲線的變化,能克服真空循環(huán)狀態(tài)下增氮與脫氮的困難。

        (2)通過轉(zhuǎn)爐冶煉選擇合理的吹煉模式,吹氬站、鋼包爐、RH真空三大精煉工藝選擇合理的增氮模式,通過全流程改進(jìn)工藝,精確控制,能使鋼液中[N]含量穩(wěn)定受控。

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