摘要：隨著經濟的發(fā)展，我國高壓冶金技術呈現(xiàn)出了裹挾之勢，不僅整體技術得到了有效的升級，技術實際應用領域也逐漸擴展。文章首先對高氮鋼冶煉項目的背景進行了分析，并闡釋了高壓冶金數(shù)理模擬類型，以試驗為基礎著重分析了高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中的應用參數(shù)，旨在為技術人員提供有效的數(shù)據(jù)信息。

關鍵詞：高壓冶金技術,高氮鋼冶煉,應用參數(shù),數(shù)值模擬類型,有色金屬冶金 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF142 文章編號：1009-2374（2016）31-0045-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.023

我國工業(yè)近幾年的發(fā)展速度激增，其中應用比較廣泛的就是高壓技術，但是其和冶金行業(yè)的項目融合還需要進一步探索，由于高壓技術在冶金行業(yè)中應用的條件、要求以及應用策略都有別于其他技術，因此主要技術人員對其主要應用環(huán)境和參數(shù)進行集中分析。在冶金項目中，有色金屬冶金已經研究過高壓技術，例如鋁土礦加壓漸浸項目、金礦加壓氧化預處理技術等都已經開展了比較深入的探討，都是借助一些外力進行礦物元素的預處理，對于整體技術研發(fā)項目的效率有很大的幫助，并且也有一部分技術已經大規(guī)模投入應用。

1 高氮鋼冶煉項目的背景

在我國工業(yè)發(fā)展進程中，鋼鐵項目一直是重工業(yè)中的佼佼者，也是我國重工業(yè)的代表，近幾年來高氮鋼受到了社會各界廣泛的關注。High Nitrogen Steels也稱高氮鋼，在同類鋼鐵中是一種性能優(yōu)越的特殊鋼材，由于其內部含氮量較高而得名，不僅具有較高的穩(wěn)定和擴大奧氏體相區(qū)的能力，也能有效地提升鋼強度，與此同時不會對鋼的塑性和韌性產生影響，并且高氮鋼的耐腐蝕性能也特別突出。在我國，主要是在汽車制造、國際航空、化工生物以及建筑項目等利用高氮鋼，其中主要是利用高壓底吹氮法。高壓底吹氮法既能保證整體工藝的原料比較清潔，還能保障其鋼液氮化的效率比較高，由于氮氣并不是稀缺資源，因此試驗技法的原材料十分豐富，將高壓冶金技術應用在高氮鋼冶煉中，是時代發(fā)展的必然趨勢。

2 高壓冶金數(shù)理模擬類型

在建立對應模型之前，首先要對其參數(shù)進行簡要的分析。在常規(guī)條件下，鐵液中氮含量并不是很高，通常在溫度為1873K、壓力為0.1MPa的基礎條件下，其含量只會控制在0.043%左右，在鐵液中，由于鐵物質最外層電子和氮元素的最外層電子之間發(fā)生作用，就會導致其形成價電子，在對其進行多次試驗后，會發(fā)現(xiàn)氮元素在鐵液中會發(fā)生溶解現(xiàn)象，試驗人員會用氮原子來描述實際溶解行為，并且利用Sieverts定律來計算氮在奧氏體鐵中的溶解性。另外，在實際試驗處理過程中，利用底吹氮氣的方式，能保證氮氣鐵液中產生較為劇烈的振動和對流，并不能對鋼液增氮行為產生限制。增氮過程屬于一級反應，并且能保證其化學反應界面不會和氮相界面產生擴散型的混合控制。

2.1 高壓底吹PqEAl37eSqYpMYPJHucLBg==冶鐵數(shù)值模擬類型分析

在實際試驗處理過程中，主要利用的就是Fluent軟件，利用其特性在高壓反應器內部進行數(shù)值模擬的操作，從而對整個高壓底吹冶鐵技術進行研究。首先要對坩堝底吹氮過程進行情景模擬，通過參數(shù)對比才能繼續(xù)試驗。其一，在試驗項目中，經過數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)驅使鋼液循環(huán)流動的主動力是氣泡浮力,其二，在實際試驗項目中，針對流體的性質要進行仔細確認，其密度為常數(shù)，且是不可壓縮的粘性流體物質,其三，對坩堝進行比對，其液面是較為光滑的自由面,其四，對鋼液循環(huán)產生作用的氣泡不僅大小均勻，而且其具有同一直徑。另外就是要分析鋼液的壓力場結構，在常壓條件下，氣液兩相區(qū)的鋼液速度會在鋼液面附近發(fā)生轉向作用，從而形成可以進行試驗的循環(huán)流，也就是說，在實際試驗過程中，鋼液的循環(huán)中心位于鋼液的上部位。但是在實驗中發(fā)生的增氮反應吸收到的氮元素卻并不能進入鋼液的中下部，這就導致在整體鋼液中氮分布結構并不均勻。通過試驗結構和數(shù)據(jù)證明，在高壓作用下，鋼液只有在坩堝的中部氣液兩相區(qū)才會發(fā)生實際轉向，從而形成循環(huán)流，此時在坩堝的中部位置會形成循環(huán)流中心，鋼液中吸收的氮也能有效的進入到鋼液中下部。

在1.0MPa條件下速度矢量會按照相應的結構進行改變，而在此條件下，鋼液是在坩堝的中部氣液兩相區(qū)發(fā)生轉向的，從而形成可供研究的循環(huán)流。也就是說，在循環(huán)流中心處于坩堝結構中部時，此時能更好地將氮元素直接吸收到鋼液的中下部。另外，在此高壓條件下，底吹孔附近的鋼液速度以及坩堝內部氣液兩相區(qū)頂部的鋼液速度需要進行有效的合并分析，兩者都發(fā)生了轉向，也就證明了高壓條件的循環(huán)流要比常規(guī)壓力下的循環(huán)流更加的強烈，并且也能有效地規(guī)避由于在循環(huán)過程中超出鋼液面時流失的能量。

2.2 高壓底吹冶鐵物理模擬類型分析

物理模擬實驗主要利用的是高溫高壓反應釜，在將氮氣吹入水模擬裝置后，保證裝置內擁有較為充盈的高壓氣氛，再向反應釜內部直接吹入當期，實驗人員利用窺視孔進行反應變化的觀察，從而建立有效的數(shù)據(jù)參數(shù)，并對實際反應視頻進行有效的記錄。在常壓環(huán)境中，底吹進行后會導致鋼液面發(fā)生非常劇烈的振動，氣泡也幾乎充滿了液池的上部，并且隨著壓力的不斷增大，氣液兩相區(qū)溢出液面的成分會逐漸增大，但是在壓力為0.46MPa時，在液面發(fā)生涌動的就只是上升氣柱了，整體鋼液的液面處于平靜狀態(tài)，此時這對水模擬以及數(shù)值模擬的參數(shù)進行比較，兩者基本吻合，并且能進一步驗證數(shù)值模擬過程中得出的數(shù)據(jù)具有非常高的準

確率。

3 高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中的試驗分析

3.1 試驗準備

利用高壓技術冶煉高氮鋼，主要采取的是高壓底吹氮法。在實驗中，利用的設備和條件包括功能反應釜、底吹流量以及坩堝，其中多功能反應釜的溫度要控制在20℃～2000℃之間，而壓力要控制在7*10-2～6*106Pa之間,底吹流量數(shù)值要控制在0.07～0.8m3/h之間，而使用的異型坩堝的納水量要控制在20～2000克之間。整個實驗要在反應釜內進行，利用溫度控制系統(tǒng)以及抽真空系統(tǒng)進行試驗氛圍的維護，并且利用底吹氣體控制系統(tǒng)調控整個實驗項目。

具體的操作步驟是，首先要將已經調制好的原材料直接放入反應釜，并且要嚴格管控密封條件，利用冷卻水進行真空環(huán)境的營造，保證真空低于40Pa，然后逐漸升溫，直到內部環(huán)境已經升值到1300℃之后，停止抽取真空，保證溫度恒定。然后再通過閥門向內部直接充入氮氣，在保證溫度和壓力達到熔煉條件之后，有效地進行底吹操作，試驗過程中對于整體環(huán)境和參數(shù)要進行謹慎的數(shù)據(jù)關注，保證全部過程按照設計意圖進行，待底吹精煉結束，撤出溫度加熱，在溫度逐漸降低的過程中有效地補充氮氣，直到鋼液在恒壓條件下逐漸凝固。實驗人員可以通過窺視鏡觀察到整個過程，具體參數(shù)如下：溫度T升高，坩堝內原料熔化，在溫度T=1500℃時，出現(xiàn)黃色鋼液,當溫度T=1550℃時，原料全部熔化。針對試驗結果，較傳統(tǒng)常溫冶煉過程，高壓冶煉的高氮鋼含氮量明顯增高，且表面比較平整，實驗人員還要取一定的樣本進行質量檢測。

3.2 含量分析

在對數(shù)量進行分析的過程中，含氮量和壓力分析結果呈現(xiàn)的線性關系，含氮量的計算值和試驗值比較一致，當溫度控制在1873K時，若是試驗人員冶煉半小時，則壓力值為1.32～1.48MPa，此時得到的氮質量分數(shù)約為0.9%～1.0%的Cr18Mn18N高氮鋼，而當實際壓力控制在0.5～2.0MPa之間時，氮含量會隨著壓力值的增大而逐漸增大。

另外一種情況就是針對Cr12N，壓力值從1.1～1.2MPa時，其制備的含氮量的質量分數(shù)會有顯著的提升，直接增加到了0.036%?？傊?，隨著精煉壓力值的不斷增加，氮含量也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

3.3 偏析分析

在對試驗進行分析的過程中，凝固時的具體壓力數(shù)值會對氮氣泡輸出值產生影響，也就是說，不同的凝固壓力會對氮含量產生影響，在1.0MPa的情況下，整個區(qū)域內氮的橫縱結構會產生較大的偏析，其中氮的質量分數(shù)會控制在0.205%～0.394%之間，并且在鑄錠結構中，下部的氮含量會遠遠對于結構上部，且在凝固過程結束后，鑄錠的頂端氮含量數(shù)值歸于最小。另外，在熔煉壓力控制在1.2MPa條件下凝固的鑄錠，從橫向分析，越是靠近鑄錠邊緣部位，含氮量越高,從縱向分析，越是靠近鑄錠頂部，含氮量越高。而處于相同條件下，在凝固壓力直接升高至1.6MPa時，氮元素的偏析程度明顯小于低壓條件，各個部位的氮含量也會維持在0.34%～0.36%之間，也就是說，高壓是減少氮元素宏觀偏析的有效

措施。

4 結語

總而言之，應用高壓冶金技術在高氮鋼冶煉中具有較為廣泛的前景，需要研究人員進行進一步的試驗

探究。

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