氮是不锈钢中重要的合金元素,对不锈钢的性能有重要影响,氮在不锈钢钢液中的行为及其在冶炼过程中的控制技术是目前不锈钢研究领域的前沿热点。本文采用冶金热力学、动力学的理论和研究方法,结合宝钢股份不锈钢事业部典型316L奥氏体不锈钢氮含量的控制要求和冶炼工艺路线,在充分研究不锈钢事业部VOD精炼工艺的基础上,对不同工艺条件下,氮在不锈钢熔体中的溶解行为进行了理论和实验研究；建立了316L奥氏体不锈钢VOD精炼过程中氮溶解行为的热力学和动力学模型,对氮在不锈钢VOD精炼过程中的溶解行为进行了理论计算；研究还引入了FactSage热力学软件对316L不锈钢VOD钢水氮的溶解量进行了研究。本文进行了316L不锈钢控氮的实验室的热模拟实验和现场的工业试验。最后,在上述模拟计算和试验研究的基础上,开发了VOD精炼控氮软件,并将软件应用于宝钢工业生产,为316L奥氏体不锈钢VOD精炼过程氮含量的精确控制提供依据。本文对氮在不锈钢熔体中的溶解行为进行了理论计算,开发出了316L奥氏体不锈钢冶炼过程中钢水增氮、控氮的计算模型。热力学模型结果表明,不锈钢钢水中氮的溶解度、初始氮含量以及终点氮含量的函数与钢水的吹氮时间呈线性关系。316L奥氏体不锈钢喷吹氮气的分压力是影响不锈钢钢水氮溶解度的主要因素,随氮分压的提高,钢水中氮的溶解度逐渐增大,不同温度条件下,氮溶解度的变化趋势相同。1600℃及氮分压在100kPa条件下,316L不锈钢钢水中氮的溶解度在0.208%左右。热力学平衡条件下,对于控氮型(w(N)为0.05%～0.1%)和部分中氮型(w(N)为0.1%-0.4%)的316L奥氏体不锈钢,可以在VOD生产过程进行,而对于氮含量较高的高氮型(w(N)>0.4%)316L不锈钢,采用VOD工艺基本不能满足生产要求,必须采用加压生产工艺进行冶炼。氮溶解行为的动力学计算表明,确定不锈钢钢水增氮、控氮反应速率常数是精确研究不锈钢冶炼过程中氮溶解行为的基本要求。316L奥氏体不锈钢钢水采用不同的底吹氩气量,其脱氮速率各不相同,吹氩气流量越大,脱除钢水中氮的速率越大；吹氩时间越长,钢水中氮的含量越低,直至趋于平衡。采用大流量吹氩气量,有利于前期快速降低钢水中的氮含量,即采用大流量吹氩气,可以缩短吹氩时间。实验室喷吹氮气增氮的结果表明,316L不锈钢钢水喷吹气体(包括全氮气和氮氩混吹两种方式)的总量宜控制在0.3NL·min-1左右,且氮气的分压应控制在66.7kPa以上,可以达到理想的钢水底吹氮气增氮效果。真空条件不利于316L不锈钢钢水的吹氮气增氮。适当低的钢水温度有利于钢水喷吹氮气增氮,VOD钢水吹氮气增氮,钢水的温度宜控制在1500℃C左右。通过热力学软件FactSage计算得到,316L奥氏体不锈钢中氮的溶解度随着钢液碳含量的增加而减少,随钢液温度的增加而减小,随着氮分压的增大而增大。氮分压对钢液氮溶解度的影响最大,温度次之,钢液碳含量的影响最小。生产控氮型(w(N)=0.05%-0.10%)316L不锈钢可以在吹氧脱碳阶段实现,生产氮含量大于0.10%的中氮型(w(N)=0.10%～0.40%)316L不锈钢时,只能在真空室压力大于30kPa的吹氧脱碳阶段、加料阶段以及破真空后大气微调阶段。不同吹氮条件下氮溶解度实测值与FactSage热力学软件计算值较吻合。316L奥氏体不锈钢采用吹氩气控氮的实验表明,钢水终点的氮含量与吹氩时间存在着显著的函数关系。当吹氩气量控制在0.1NL·min-1时,钢水终点氮含量与吹氩时间成线性关系,而当氩气量控制在0.2NL·min-1或者0.3NL·min-1时,钢水终点氮含量与吹氩时间成二次函数关系。宝钢现场控氮分压增氮的工业试验表明,316L奥氏体不锈钢控氮分压增氮的吹氮时间宜控制在7min左右。本文研究开发的VOD精炼控制软件应用于宝钢工业生产,结果表明,316L不锈钢吹氮气增氮工业应用选取的绝大部分炉次的实测值w(N)基本围绕着计算值波动,实测值与软件计算值的相对误差在10%以下,研究开发的软件可靠,软件的现场应用效果显著。