叶成立; 杨先芝; 方迁; 曾杰
【期刊名称】《《大型铸锻件》》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】3页(P6-8)
【关键词】Al脱氧; Ti脱氧; 平衡浓度周薄
【作 者】叶成立; 杨先芝; 方迁; 曾杰
【作者单位】二重(德阳)重型装备有限公司 四川618000
【正文语种】中 文
偏心井口【中图分类】TF741.342
1 [Al]-[O]平衡
1.1 Al脱氧产物分析
Al是炼钢过程中最常用的强脱氧剂，对于Al脱氧的产物，一般认为只有在[Al]极低的情况下，生成物为FeO·Al2O3；其余均为纯Al2O3。关于临界[Al]，有不同观点，王天龙[1]从0.0001%的[Al]开始计算，得到的脱氧产物是Al2O3。综上，我们认为一般情况下，Al的脱氧产物为Al2O3。
Al脱氧反应式和反应平衡常数见式(1)、(2)。Al脱氧的平衡常数是极低的，直接测量存在很大误差，所以各个研究者的数据有一定差距。
2[Al]+3[O]=Al2O3 (s)
(1)
(2)
邹元曦[2]曾对各个研究者的数据进行了系统的比较分析，本文采取表1中的两组数据作为
计算依据。
表1 Al脱氧的热力学数据[2]Table 1 Thermodynamic data of Al deoxidationΔGlgKAl-O研究者-1225600+392.19T-1099210+330.15T64000∕T-20.4857400∕T-17.24Chipman邹元曦
1.3 Al脱氧平衡浓度计算
2.25Cr1Mo0.25V钢水中[Al]和[O]的主要活度系数如表2所示。质量分数与活度的关系(仅考虑一阶作用系数)如式(3)、(4)所示。 表2 2.25Cr1Mo0.25V钢水中[Al]和[O]的主要活度系数[3]Table 2 Main activity coefficients of [Al] and [O] in 2.25Cr1Mo0.25V molten steelCSiMnCrNiMoVAlTifi化学成分ejAlejO0.1450.091-0.450.050.0056-0.1310.56--0.0212.45--0.040.15-0.0061.05-0.00350.320.025-0.30.020.045-3.90.02--0.6-1.030.43
ai=fi·w[i]
(3)
(4)
于是，根据式(2)～(4)有：
lgKAl-O=-lga[Al] 2·a[O] 3
=-lgfAl2·fO3-lgw[Al]2·w[O]3
(5)
按式(5)关系式作图，如图1所示，钢水中O含量随Al增加而减少，当w[Al]=0.01%～0.02%时，钢水中的w[O]=(10～20)×10-6。必须注意的是图1仅考虑了一阶相互作用系数。如综合考虑一、二阶相互作用系数以及二阶相互交叉作用系数，当w[Al]超过一定值后继续增加，氧活度a[O]减小，氧的活度系数fO也大幅度降低，将会导致w[O]增加。若只考虑Fe-Al-O三元体系，Itoh[4]详细计算并整理其他实验者的结果，如图2所示，当w[Al]=0.01%～0.02%时，w[O]=0.01%～0.02%时，w[O]最低。但是，如果是多元合金体系，情况就比较复杂，此时氧的活度系数fO不仅和Al含量有关，与其他合金也有关系，那么w[O]最低时的Al含量也会发生变化[5]。另外，由于二阶作用系数及二阶相互交叉作用系数测量困难，不 同研究者有不同的结果，也导致w[O]最低时的Al含量不同[1]。
图1 [Al]-[O]平衡计算值(仅考虑e)Figure 1 [Al]-[O] equilibrium calculation value (consider e only)
图2 [Al]-[O]平衡计算值[2](考虑二阶)Figure 2 [Al]-[O] equilibrium calculated value (consider two stages only)
2 [Ti]-[O]平衡
2.1 Ti脱氧产物
Ti的氧化物主要有TiO2、Ti2O3及Ti3O5，对于钢液中[Ti]不同脱氧产物类型有较多研究。系统地对W. Y. Cha等[1，7-8]不同研究者的研究结果进行了分析，对于形成Ti2O3的临界w[Ti]有不同的结果，如表3所示。当Ti作为脱氧剂使用时，一般含量≤0.1%，所以脱氧产物应该为Ti3O5。
表3 [Ti]不同脱氧产物[1](质量分数，%)Table 3 Different deoxidized products of [Ti] (mass
fraction, %)研究者w [Ti]脱氧产物Chino0.001^0.20.2^2Ti3O5Ti2O3Kojima<0.40.4^2Ti3O5Ti2O3W. Y.Cha0.0004^0.360.5^6.2Ti3O5Ti2O3
表4 2.25Cr1Mo0.25V钢水中[Ti]和[O]的主要活度系数[3,7]Table 4 Main activity coefficients of [Ti] and [O] in 2.25Cr1Mo0.25V molten steelCSiMnCrNiMoVAlTifi成分ejTiejO0.145-0.165-0.450.050.05-0.1310.560.0043-0.0212.450.055-0.040.15-0.0061.05-0.00350.32--0.30.02--3.90.020.013-0.6-1.310.43
彩碳粉图3 [Ti]-[O]平衡计算值(仅考虑e)Figure 3 [Ti]-[O] equilibrium calculation value (consider e only)
2.2 Ti脱氧平衡浓度计算
2.25Cr1Mo0.25V钢水中[Ti]和[O]的主要活度系数如表4所示。在w[Ti]≤0.1%的钢液中，Ti脱氧的反应及平衡常数[4-5]如式(6)、(7)所示。
3[Ti]+5[O]=Ti3 O5 (s)
(6)
(7)
根据式(7)整理得到式(8)并作出图3。
lgKTi-O=-lga[Ti] 3·a[O] 5
=-lgfTi3·fO5-lgw[Ti]3·w[O]5
(8)
从图3可知，当w[Ti]=0.02%～0.03%时，w[O]=(50～60)×10-6，处于较高水平。图4是W. Y. Cha整理的已有Ti-O平衡的实验数据[7]，当w[Ti]=0.02%～0.03%时，与本文计算结果相符；同样，若考虑二阶作用系数，有与Al-O相似的结果，Ti含量增加到一定程度，O含量开始增加。
3 [Al]-[Ti]复合脱氧分析
当钢中同时加入[Al]-[Ti]复合脱氧时，由图5可知，相同的Al、Ti含量下，Al-O平衡更低，所以钢水中的w[O]是由Al控制的。根据式(5)和式(8)，可得到[Al]-[Ti]复合脱氧产物稳定区域，如图6所示。当钢水中w[Al]=0.01%～0.02%，生成的脱氧产物为Al2O3，Ti不参与脱氧。
线内钩子
图4 [Ti]-[O]平衡计算值[7](考虑二阶)Figure 4 [Ti]-[O] equilibrium calculated value (consider two stages only)
图5 1873K时[Ti]-[O]、[Ti]-[O]平衡曲线 Figure 5 [Ti]-[O],[Ti]-[O] equilibrium curve at 1873K
图6 [Al]-[Ti]复合脱氧产物稳定区域图Figure 6 Stability region diagram of composite deoxidized products of [Al]-[Ti]
图7 [Al]-[O]脱氧平衡曲线与生产数据对比Figure 7 Comparison of [Al]-[O] deoxidation equilibrium curve with production data
4 计算结果与生产数据对比
由上述分析可知，钢中的氧含量是由钢中[Al]决定的。实际生产的产品检测数据与计算值对比如图7所示。
由Al脱氧的热力学分析可知，当钢水温度降低时，[Al]-[O]平衡时[O]含量会继续降低，所以最终产品上的[Al]-[O]平衡曲线应如图7中1783K的曲线。又因为产品上分析的为全Al和全O，且Al2O3夹杂物在凝固过程中不能完全上浮，实际数据中的w[Al]和w[O]均偏高，所以整体的w[Al]和w[O]应向图中箭头的方向偏移。
5 结论
(1)本文整理分析了Al、Ti脱氧的产物、热力学数据，全面考虑一、二阶相互作用系数以及二阶相互交叉作用系数，钢中的氧含量随Al含量、Ti含量的增加先减小后增大。
(2)结合特定的钢种，仅考虑元素之间的一阶相互作用系数，计算了[Al]-[O]、[Ti]-[O]、[Al]-[Ti]-[O]的平衡关系。当钢液中Al、Ti含量较低(≤0.03%)时，计算结果与考虑二阶相互作用系数的结果相近。
(3)从[Al]-[O]、[Ti]-[O]、[Al]-[Ti]-[O]的平衡值发现，钢中的O含量是由Al控制的，较低的Ti含量(≤0.1%)不能达到深脱氧的目的。
参考文献
【相关文献】
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