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奥氏体不锈钢熔体氮溶解行为的研究

作　者: 尹世友
导　师: 姜周华；李阳
学　校: 东北大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 奥氏体不锈钢氮溶解行为热力学计算动力学计算数学模型
分类号: TF764.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

近年来我国不锈钢产业发展迅速,我国已经成为世界第一大不锈钢消费国。AOD作为目前生产不锈钢的主要精炼手段之一,采用Ar/O2混吹,消耗大量氩气,因而导致生产成本较高,而以氮气来代替纯氩进行精炼及氮气合金化,可大幅度地降低氩气消耗及冶炼成本。因此,研究不锈钢冶炼过程氮在钢液中的行为、其它元素对钢液渗氮和脱氮速度的影响,进而开发不锈钢钢液中氮的控制技术是非常必要的,该项研究具有十分重要的现实意义。本课题研究的目标是运用冶金热力学、动力学的理论和研究方法,结合某钢厂奥氏体不锈钢不同品种氮含量的控制要求(N为0.02%～0.1%范围内)和冶炼工艺路线,研究氮在奥氏体不锈钢的溶解行为。采用平衡反应的热力学方法确定典型奥氏体不锈钢钢水中氮的溶解度计算公式。根据实验室模拟试验、半工业试验,采用冶金动力学分析实际AOD炉和LTS冶炼奥氏体不锈钢过程各阶段渗氮和脱氮的基本规律及其影响因素,建立了各阶段氮含量的计算方法和相应离线计算软件,以满足生产实际的氮含量的控制精度要求。本课题通过钢液氮的溶解行为的研究,建立了钢水中氮的溶解度计算模型、建立了AOD工位的渗氮和脱氮模型、LTS工位的渗氮模型,用VB编写了该模型的应用界面,并进行部分结果的现场数据验证。在实验室条件下,研究了奥氏体不锈钢中采用顶吹氮气条件下,不同温度和氮分压下氮的溶解行为。实验发现,对于奥氏体不锈钢,存在PN2越大其氮的溶解度越大,而温度越高其氮的溶解度则越小的特点。在实验室实验基础上,建立了奥氏体不锈钢中氮溶解度的热力学计算模型,通过与实验数据对比发现其精确度均较高。在实验室实验基础上采用联合控制理论,建立了奥氏体不锈钢中渗氮动力学计算方法,通过与实际数据对比发现,该计算方法与实际数据吻合较好,计算绝对误差均小于0.01%,相对误差小于10%；建立了奥氏体不锈钢中脱氮动力学计算方法,通过与实际数据对比发现,该计算方法与实际数据吻合较好,绝对误差基本小于0.01%,相对误差小于15%。在某钢厂的实验工场进行了半工业试验,发现对于不锈钢母液,存在碳含量越高,其氮的溶解度越小。建立了奥氏体不锈钢中氮溶解度的热力学计算模型,与试验数据对比发现,其计算绝对误差小于0.004%,精确度较高。以半工业试验为基础上采用联合控制理论,建立了奥氏体不锈钢中渗氮动力学计算方法,通过与实际数据对比发现,剔除个别错误数据后,该计算方法与实际数据吻合较好,计算绝对误差小于0.01%。以半工业试验为基础上采用联合控制理论,建立了奥氏体不锈钢中脱氮动力学计算方法,通过与实际数据对比发现,该计算方法与实际数据吻合较好,绝对误差基本小于0.002%。针对奥氏体不锈钢,采用界面反应控制理论建立了AOD工位的渗氮模型,采用联合控制理论建立了AOD工位的脱氮模型。生产考核结果表明,在全部72数据中,脱硫期氮含量计算值与实测值之间的绝对误差在-100×10-4%～+100×10-4%的炉数为70炉,命中率为97.2%。采用联合控制理论建立了LTS工位的渗氮模型。生产考核结果表明,从LTS工位现有的316L、304L、304、301S和00Cr19Ni10等5个钢种的88炉数据来看,氮含量计算值与实测值之间的绝对误差在-60×10-4%～+60×10-4%的炉数为84炉,命中率为95.5%,完全能够用来指导现场实际生产。为更方便现场工程师和操作人员进行现场大生产条件下的实时计算,用VB编写了该模型的应用界面及使用说明书,安装在现场各工位的L3计算机上,通过输入实际生产数据,可以实现现场数据的同步预测。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-16
  1.1 不锈钢概述  13
  1.2 课题的立题背景  13-16
第2章文献综述  16-31
  2.1 不锈钢中氮的控制技术在国内外的发展概况  16-17
    2.1.1 不锈钢控氮技术在国外的发展  16
    2.1.2 不锈钢控氮技术在国内的发展  16-17
  2.2 氮对不锈钢性能的影响  17-20
    2.2.1 氮对不锈钢力学性能和机械性能的影响  17-18
    2.2.2 氮对不锈钢耐腐蚀性的影响  18-19
    2.2.3 氮对不锈钢组织结构的影响  19-20
  2.3 不锈钢液中氮的物理化学行为研究  20-27
    2.3.1 氮在钢液中的溶解行为  20-23
    2.3.2 钢液渗氮和脱氮的动力学  23-24
    2.3.3 国内外对含氮和控氮不锈钢的研究情况  24-27
  2.4 氮在液态铁中的溶解度的测定方法  27-30
    2.4.1 Sieverts法(直接法)  27-29
    2.4.2 Sampled-bath法(间接法)  29-30
    2.4.3 Levitation法  30
  2.5 文献评述  30-31
第3章不锈钢液渗氮、脱氮热力学和动力学计算模型建立  31-36
  3.1 钢液中氮的溶解度计算模型  31-32
  3.2 钢液渗氮和脱氮的计算模型  32-36
    3.2.1 钢液渗氮过程计算模型  32-34
    3.2.2 钢液脱氮过程计算方法  34-36
第4章不锈钢液渗氮、脱氮的实验室研究  36-54
  4.1 实验方案  36-38
    4.1.1 实验目的  36
    4.1.2 实验用钢种及成分要求  36-37
    4.1.3 实验装置  37-38
    4.1.4 实验步骤  38
  4.2 实验结果与讨论  38-52
    4.2.1 不锈钢熔体中氮溶解度测定及热力学计算  38-42
    4.2.2 不锈钢熔体渗氮动力学计算模型参数的确定  42-44
    4.2.3 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法的实验验证  44-48
    4.2.4 不锈钢熔体脱氮动力学计算方法参数的确定  48-49
    4.2.5 不锈钢熔体脱氮动力学计算方法的实验验证  49-52
  4.3 本章小结  52-54
第5章不锈钢熔体渗氮、脱氮半工业试验研究  54-61
  5.1 试验方案  54-55
    5.1.1 试验目的  54
    5.1.2 试验条件及工艺路线  54
    5.1.3 熔炼工艺  54-55
  5.2 试验结果与讨论  55-60
    5.2.1 不锈钢熔体中氮溶解度测定及计算  55
    5.2.2 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法参数的选择  55-56
    5.2.3 不锈钢熔体渗氮动力学计算方法的试验验证  56-59
    5.2.4 不锈钢熔体脱氮动力学特征的分析  59-60
  5.3 本章小结  60-61
第6章工业试验及控氮模型建立  61-73
  6.1 工业试验方案  61
    6.1.1 试验目的  61
    6.1.2 试验钢种  61
    6.1.3 试验操作  61
    6.1.4 取样要求  61
  6.2 大生产中氮溶解度的热力学计算  61-62
  6.3 AOD渗氮和脱氮模型建立  62-66
    6.3.1 SUS304不锈钢熔体渗氮动力学模型建立  62-64
    6.3.2 SUS304不锈钢熔体脱氮动力学模型建立  64-66
  6.4 AOD渗氮和脱氮模型参数调整及验证  66-69
    6.4.1 AOD渗氮模型参数调整及验证  66-68
    6.4.2 AOD脱氮模型参数调整及验证  68-69
  6.5 LTS渗氮模型  69-72
    6.5.1 LTS不锈钢熔体吹氮动力学特征分析  69-71
    6.5.2 LTS渗氮模型参数调整及验证  71-72
  6.6 本章小结  72-73
第7章模型的现场应用及结果分析  73-85
  7.1 氮含量精确控制计算软件的现场应用  73-80
    7.1.1 模型主窗体  73
    7.1.2 AOD渗氮过程氮含量预测计算窗体  73-75
    7.1.3 AOD脱氮过程氮含量预测计算窗体  75
    7.1.4 LTS渗氮过程氮含量预测计算窗体  75-78
    7.1.5 LTS终点氮含量控制计算窗体  78
    7.1.6 AOD终点氮含量控制计算窗体  78-80
    7.1.7 氮在钢液溶解度计算窗体  80
  7.2 模型现场应用的计算结果与分析  80-84
    7.2.1 AOD渗氮模型验证  80-81
    7.2.2 AOD脱氮模型验证  81
    7.2.3 LTS渗氮模型验证  81-84
  7.3 本章小结  84-85
第8章结论  85-87
参考文献  87-91
致谢  91-92
作者简介  92-93
攻读硕士期间发表论文  93-94
论文包含图、表、公式及文献  94-95
附录  95-99

奥氏体不锈钢熔体氮溶解行为的研究

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