D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.06.029 第29卷第6期 北京科技大学学报 Vol.29 No.6 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2007 高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 王国承王铁明李松年方克明 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要在工业纯铁熔体中加入纳米A12O3颗粒，熔炼后得到铸锭试样.用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)研究了铸锭金相试 样中夹杂物的存在状态及成分.采用非水溶液电解法分离、收集铸锭中的非金属夹杂物，用SEM及EDS分析了夹杂物的形 貌、大小和元素组成·结果表明，外加的纳米A203颗粒能够在纯铁熔体中稳定存在，并与杂质元素所生成的夹杂物发生复 合，复合夹杂物的尺寸为5~10m·纳米Al203颗粒一般存在于复合夹杂物的内部.未发现纳米A1203团聚烧结成大于10m 颗粒的现象。从热力学和颗粒运动行为方面进一步分析了纳米A203在纯铁熔体中的稳定性和团聚烧结成大颗粒的可能性· 关键词炼钢：铁液：纳米A203颗粒：夹杂物：电解 分类号TF741.322 随着现代冶金技术的发展，钢的洁净度不断得 铁，主要成分（质量分数，%）为：C,0.01;Si,0.012; 到提高，钢中夹杂物的尺寸逐渐呈现纳米化的趋势， Mn,0.10;P,0.007:S,0.007.纯铁熔化后待温度升 特别是在CSP连铸连轧工艺生产的低碳钢薄板中， 至1650℃，恒温20min,将包裹在铁皮中的纳米添 研究发现产品中存在大量纳米级夹杂物).这些 加剂颗粒插入铁液中，用石英棒搅拌约5min,然后 超细夹杂物不但对钢的性能没有破坏作用，相反地， 恒温10min,随炉冷却.Al203纳米粉的加入量为纯 能够作为奥氏体晶内铁素体形核核心或者在轧制过 铁质量的0.5%. 程中成为再结晶核心或钉扎奥氏体晶界，从而细化 1.2非金属夹杂物的提取及扫描电镜分析 钢的组织，起到很好的细晶强化作用，可见细化钢 将铸锭加工成10mm×100mm的圆棒作为电 中的夹杂物是炼钢的重要发展方向之一，目前，在 解试样，电解液为非水溶液，主要成分为甲醇、丙三 钢中获得部分纳米级夹杂物的主要途径是通过钢液 醇、三乙醇胺，溶液pH=8.电解时，以不锈钢为阴 高纯净化、微合金化和快速冷却的连铸连轧工艺联 极，试样为阳极，控制温度为一5~5℃，电流密度 合达到，本文在实验室条件下通过对纳米颗粒进行 ≤100mAcm一2.电解结束后，将夹杂物采用超声 预分散的方法，研究了向熔体中外加纳米粉的可行 波振荡至无水乙醇中，用磁选法去除其中的磁性夹 性，并对纳米颗粒在铁液中的热力学稳定性、分散状 杂物，用淘洗法收集非金属夹杂物 况以及与夹杂物的作用进行了初步研究 采用LE01450型扫描电镜及KEVEX Sigma 1实验方案 能谱分析系统对夹杂物进行三种方式的分析：一是 直接分析金相试样中夹杂物的分布及组成；二是将 1.1试样冶炼 电解分离得到的非金属夹杂物放置在导电胶带上进 纳米颗粒具有比表面积大、活性高、易团聚、体 行形貌、大小及成分分析；三是将分离得到的非金属 积密度小等特点，在炼钢生产中很难用喷粉、喂丝的 夹杂物重新包埋在金属铜中，并抛磨至夹杂物的切 方法加入钢液中并使其均匀分散，为了解决加入方 面制成金相试样，对夹杂物内部形貌及组成进行 法问题，首先将纳米A1203颗粒与辅助原料球磨、混 分析 合进行预分散，然后压制成合适大小的颗粒.A1203 2实验结果及讨论 纳米粉的平均粒径为80~100nm, 冶炼实验在Si一Mo棒加热体的多功能管式炉 2.1夹杂物的形貌、大小和组成 中进行，采用氧化镁坩埚、氩气保护.原料为工业纯 图1和图2分别为电解分离出来的非金属夹杂 物的SEM形貌和能谱图，从图1中可以看出夹杂 收稿日期：2006-02-14修回日期：2006-10-10 作者简介：王国承(1977一)，男，博士研究生：方克明(1940一)，男， 物主要为不规则颗粒状，尺寸大多小于10m,能谱 教授，博士生导师 分析表明夹杂物主要由Mn、Fe、Al、Mg、Si,Cr、0和
高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 王国承 王铁明 李松年 方克明 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 在工业纯铁熔体中加入纳米 Al2O3 颗粒熔炼后得到铸锭试样．用扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）研究了铸锭金相试 样中夹杂物的存在状态及成分．采用非水溶液电解法分离、收集铸锭中的非金属夹杂物用 SEM 及 EDS 分析了夹杂物的形 貌、大小和元素组成．结果表明外加的纳米 Al2O3 颗粒能够在纯铁熔体中稳定存在并与杂质元素所生成的夹杂物发生复 合复合夹杂物的尺寸为5～10μm．纳米 Al2O3 颗粒一般存在于复合夹杂物的内部．未发现纳米 Al2O3 团聚烧结成大于10μm 颗粒的现象．从热力学和颗粒运动行为方面进一步分析了纳米 Al2O3 在纯铁熔体中的稳定性和团聚烧结成大颗粒的可能性． 关键词 炼钢；铁液；纳米 Al2O3 颗粒；夹杂物；电解 分类号 TF741∙322 收稿日期：2006－02－14 修回日期：2006－10－10 作者简介：王国承（1977－）男博士研究生；方克明（1940－）男 教授博士生导师 随着现代冶金技术的发展钢的洁净度不断得 到提高钢中夹杂物的尺寸逐渐呈现纳米化的趋势． 特别是在 CSP 连铸连轧工艺生产的低碳钢薄板中 研究发现产品中存在大量纳米级夹杂物［1－6］．这些 超细夹杂物不但对钢的性能没有破坏作用相反地 能够作为奥氏体晶内铁素体形核核心或者在轧制过 程中成为再结晶核心或钉扎奥氏体晶界从而细化 钢的组织起到很好的细晶强化作用．可见细化钢 中的夹杂物是炼钢的重要发展方向之一．目前在 钢中获得部分纳米级夹杂物的主要途径是通过钢液 高纯净化、微合金化和快速冷却的连铸连轧工艺联 合达到．本文在实验室条件下通过对纳米颗粒进行 预分散的方法研究了向熔体中外加纳米粉的可行 性并对纳米颗粒在铁液中的热力学稳定性、分散状 况以及与夹杂物的作用进行了初步研究． 1 实验方案 1∙1 试样冶炼 纳米颗粒具有比表面积大、活性高、易团聚、体 积密度小等特点在炼钢生产中很难用喷粉、喂丝的 方法加入钢液中并使其均匀分散．为了解决加入方 法问题首先将纳米 Al2O3 颗粒与辅助原料球磨、混 合进行预分散然后压制成合适大小的颗粒．Al2O3 纳米粉的平均粒径为80～100nm． 冶炼实验在 Si－Mo 棒加热体的多功能管式炉 中进行采用氧化镁坩埚、氩气保护．原料为工业纯 铁主要成分（质量分数％）为：C0∙01；Si0∙012； Mn0∙10；P0∙007；S0∙007．纯铁熔化后待温度升 至1650℃恒温20min将包裹在铁皮中的纳米添 加剂颗粒插入铁液中用石英棒搅拌约5min然后 恒温10min随炉冷却．Al2O3 纳米粉的加入量为纯 铁质量的0∙5％． 1∙2 非金属夹杂物的提取及扫描电镜分析 将铸锭加工成●10mm×100mm 的圆棒作为电 解试样．电解液为非水溶液主要成分为甲醇、丙三 醇、三乙醇胺溶液 pH＝8．电解时以不锈钢为阴 极试样为阳极控制温度为－5～5℃电流密度 ≤100mA·cm －2．电解结束后将夹杂物采用超声 波振荡至无水乙醇中用磁选法去除其中的磁性夹 杂物用淘洗法收集非金属夹杂物． 采用 LEO－1450型扫描电镜及 KEVEX Sigma 能谱分析系统对夹杂物进行三种方式的分析：一是 直接分析金相试样中夹杂物的分布及组成；二是将 电解分离得到的非金属夹杂物放置在导电胶带上进 行形貌、大小及成分分析；三是将分离得到的非金属 夹杂物重新包埋在金属铜中并抛磨至夹杂物的切 面制成金相试样对夹杂物内部形貌及组成进行 分析． 2 实验结果及讨论 2∙1 夹杂物的形貌、大小和组成 图1和图2分别为电解分离出来的非金属夹杂 物的 SEM 形貌和能谱图．从图1中可以看出夹杂 物主要为不规则颗粒状尺寸大多小于10μm．能谱 分析表明夹杂物主要由 Mn、Fe、Al、Mg、Si、Cr、O 和 第29卷 第6期 2007年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．6 Jun．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．06．029
第6期 王国承等：高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 .579 少量的S元素组成.夹杂物中的Mg0主要来自于 400 Mg0坩埚（图中C标记）·纯铁原料不含Al,且没有 1200 1000 使用A1脱氧，可以肯定夹杂物中的Al来自于外加 0 800 的Al203纳米粉 Cr 600 泰书)系票 400 200 Cu 9 E/keV 图4图3中含A1夹杂物的EDS图 Fig.4 EDS analysis of inclusions containing Al in Fig.3 2.2纳米A205的存在状态 图5为试样中一个夹杂物的切面图，图6为 图5中A处的能谱图.可见，外加的单相Al203存 图1从添加纳米A2Os颗粒的工业纯铁样品中电解分离出来的 在于复合夹杂物的内部，尺寸约为14凸m·微米级 非金属夹杂物SEM照片 的单相A203是由于搅拌不够充分，若干个纳米 Fig-1 SEM photograph of nonmetallic inclusions extracted from A203颗粒团聚而成，或者是加入的A1203纳米粉中 the sample of industrial pure iron containing Al2O3 nano-particle 颗粒较粗的部分.图7为图5中B处的能谱图，说 Fe 400 350 明颜色较浅的部分是以MnS为主含有少量Al、O的 300 250 复合夹杂物 Mn 200 150 100 5 8 E/keV 图2图1中非金属夹杂物的EDS图 Fig.2 EDS analysis of nonmetallic inclusions in Fig.1 对图1中的夹杂物逐个进行能谱分析发现，图 中A标记的颗粒聚集体和B标记的单颗粒是以 24m Al203为主，复合少量Mn、Cr元素的复合夹杂物 其中单颗粒复合夹杂的尺寸一般小于5m,多颗粒 图5复合夹杂物内部形貌照片 Fig.5 SEM photograph of the interior of complex inclusions 聚集体的尺寸一般为5~10m.图3和图4为典型 1000 的多颗粒聚集体的背散射电子像及对应的能谱分析 800 图.图4显示夹杂物主要由Al、0和少量Mn,Cr元 素组成，这类夹杂物可能是由几个单颗粒含A1复 600 合夹杂物碰撞到一起形成的， 400 0 200 56 E/keV 图6复合夹杂物内部单相A12Os的能谱分析图 Fig.6 EDS analysis of Al2Os inside complex inclusions 图8和图9为铸锭金相试样的SEM背散射电 子像和夹杂物能谱图.金相面上夹杂物主要由A1、 2 jm Mn、0和S元素组成，类似于图5中的复合夹杂物， 图3典型多颗粒含AM复合夹杂物SEM照片 即主要为外加Al2O3和纯铁中的MS组成的复合 Fig.3 SEM photograph of typical complex inclusions containing 夹杂物，A1203在这类复合夹杂物的内部，夹杂物的 Al 尺寸小于8m,形状不规则
少量的 S 元素组成．夹杂物中的 MgO 主要来自于 MgO 坩埚（图中 C 标记）．纯铁原料不含 Al且没有 使用 Al 脱氧可以肯定夹杂物中的 Al 来自于外加 的 Al2O3 纳米粉． 图1 从添加纳米 Al2O3 颗粒的工业纯铁样品中电解分离出来的 非金属夹杂物 SEM 照片 Fig．1 SEM photograph of nonmetallic inclusions extracted from the sample of industrial pure iron containing Al2O3 nano-particle 图2 图1中非金属夹杂物的 EDS 图 Fig．2 EDS analysis of nonmetallic inclusions in Fig．1 图3 典型多颗粒含 Al 复合夹杂物 SEM 照片 Fig．3 SEM photograph of typical complex inclusions containing Al 对图1中的夹杂物逐个进行能谱分析发现图 中 A 标记的颗粒聚集体和 B 标记的单颗粒是以 Al2O3 为主复合少量 Mn、Cr 元素的复合夹杂物 其中单颗粒复合夹杂的尺寸一般小于5μm多颗粒 聚集体的尺寸一般为5～10μm．图3和图4为典型 的多颗粒聚集体的背散射电子像及对应的能谱分析 图．图4显示夹杂物主要由 Al、O 和少量 MnCr 元 素组成．这类夹杂物可能是由几个单颗粒含 Al 复 合夹杂物碰撞到一起形成的． 图4 图3中含 Al 夹杂物的 EDS 图 Fig．4 EDS analysis of inclusions containing Al in Fig．3 2∙2 纳米 Al2O3 的存在状态 图5为试样中一个夹杂物的切面图图6为 图5中 A 处的能谱图．可见外加的单相 Al2O3 存 在于复合夹杂物的内部尺寸约为1～4μm．微米级 的单相 Al2O3 是由于搅拌不够充分若干个纳米 Al2O3 颗粒团聚而成或者是加入的 Al2O3 纳米粉中 颗粒较粗的部分．图7为图5中 B 处的能谱图说 明颜色较浅的部分是以 MnS 为主含有少量 Al、O 的 复合夹杂物． 图5 复合夹杂物内部形貌照片 Fig．5 SEM photograph of the interior of complex inclusions 图6 复合夹杂物内部单相 Al2O3 的能谱分析图 Fig．6 EDS analysis of Al2O3inside complex inclusions 图8和图9为铸锭金相试样的 SEM 背散射电 子像和夹杂物能谱图．金相面上夹杂物主要由 Al、 Mn、O 和 S 元素组成类似于图5中的复合夹杂物 即主要为外加 Al2O3 和纯铁中的 MnS 组成的复合 夹杂物．Al2O3 在这类复合夹杂物的内部夹杂物的 尺寸小于8μm形状不规则． 第6期 王国承等： 高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 ·579·
.580 北京科技大学学报 第29卷 熔体中Al与0元素之间的反应为： M 800 2[A1]+3[0]=(A203)( (1) 600 △Ge=-1202000+386.3T], (2) 400 200 k10℃=29=2.95X10l2 (3) aAlao 当铁液在1650℃恒温时，由于文献缺乏 1650℃时的∫数据，且∫随温度变化不大，采用 1600℃时f数据近似替代. 图7复合夹杂内部富Ms组成的能谱分析图 Fig.7 EDS analysis of rich MnS inside complex inclusions f元[A2f8[0]3=3.3715×10-1 (4) lgfA1873K)=e[%C]+e[%s]+e[%P] (5) lgfo(873K=eo[%C]+e[%Si]+ e"[%Mn]+e6[P]+e8[%s] (6) 根据相互作用系数81，计算得到AL,0活度系数为： 20m fA1(1873k)=1.022 (7) fo1873K=0.893 (8) 图8金相试样SEM背散射电子像 代入式(4)，纯铁熔体中Al、0在1650℃时的平衡 Fig.8 EBSD image of the metallographic specimen 浓度关系为： [0]=7.68X10-5[A1]-23 (9) 400 按式(9)的计算结果用图10表示，由于实验中 300 熔炼用纯铁原料中不含A1,纳米颗粒添加料中的 200 A2O3颗粒将发生部分溶解，当熔体中A1和0浓度 100 积[A][0]3=4.53×10-18时，溶解反应达到平衡. 如图10所示，平衡曲线以上为A1203稳定区.本实 验所用纯铁原料4kg,Al203纳米颗粒的加入量为纯 图9夹杂物的能谱分析图 铁质量的0.50%，在1650℃时，当Al203溶解 Fig.9 EDS analysis of inclusions 0.117g时，溶解反应达到平衡，溶解的Al203量仅 在扫描电镜下未观察到试样中存在单相纳米级 占总加入量的0.58%.因此，在纯铁熔体中A1203 A203颗粒，是因为在高温熔体中固态A203纳米颗 纳米颗粒在高温铁熔体中是可以稳定存在的. 粒极易成为夹杂物析出核心并和其他夹杂物发生复 2.5m 合，复合后仍为纳米级夹杂物，用淘洗法很难收集， 2.0 由于扫描电镜的分辨率所限，纳米粉在高温熔体中 的行为有待用透射电镜进行深入研究，在电解分离 1.0 A2O,稳定区 收集到的夹杂物中未发现A2O3纳米颗粒因自身团 0.5 聚而烧结成大于10m颗粒的现象，说明纳米粉经 过预分散后，只要加入方法合适，有充分的搅拌条 50100150200250300 AI/10◆ 件，纳米粉在高温熔体中的分散是可实现的 3 纳米A2O3颗粒在铁液中的稳定性 图101650℃熔体中[A]一[0]平衡 Fig.10 Equilibrium diagram of [Al]to [O]in molten industrial 和运动行为分析 pure iron at1650℃ 3.1纳米A20在铁液中的热力学稳定性分析 3,2纳米颗粒在熔体中团聚烧结成大颗粒的可能 上述实验结果显示，纳米A203颗粒在铁液中 性分析 没有发生熔化或溶解现象.为了进一步证实，从热 由于纳米颗粒极易团聚，本实验对其进行预分 力学上对A12O3的稳定性作简要分析， 散后实验结果未发现纳米A1203颗粒在熔体中团
图7 复合夹杂内部富 MnS 组成的能谱分析图 Fig．7 EDS analysis of rich MnS inside complex inclusions 图8 金相试样 SEM 背散射电子像 Fig．8 EBSD image of the metallographic specimen 图9 夹杂物的能谱分析图 Fig．9 EDS analysis of inclusions 在扫描电镜下未观察到试样中存在单相纳米级 Al2O3 颗粒是因为在高温熔体中固态 Al2O3 纳米颗 粒极易成为夹杂物析出核心并和其他夹杂物发生复 合．复合后仍为纳米级夹杂物用淘洗法很难收集． 由于扫描电镜的分辨率所限纳米粉在高温熔体中 的行为有待用透射电镜进行深入研究．在电解分离 收集到的夹杂物中未发现 Al2O3 纳米颗粒因自身团 聚而烧结成大于10μm 颗粒的现象．说明纳米粉经 过预分散后只要加入方法合适有充分的搅拌条 件纳米粉在高温熔体中的分散是可实现的． 3 纳米 Al2O3 颗粒在铁液中的稳定性 和运动行为分析 3∙1 纳米 Al2O3 在铁液中的热力学稳定性分析 上述实验结果显示纳米 Al2O3 颗粒在铁液中 没有发生熔化或溶解现象．为了进一步证实从热 力学上对 Al2O3 的稳定性作简要分析． 熔体中 Al 与 O 元素之间的反应为： 2［Al］＋3［O］＝（Al2O3）（s） （1） ΔG ○－＝－1202000＋386∙3T ［7］ （2） k1650℃＝ aAl2 O3 a 2 Al a 3 O ＝2∙95×1012 （3） 当铁 液 在 1650℃ 恒 温 时由 于 文 献 缺 乏 1650℃时的 f 数据且 f 随温度变化不大采用 1600℃时 f 数据近似替代． f 2 Al ［Al］ 2f 3 O ［O］ 3＝3∙3715×10－13 （4） lg f Al（1873K）＝e C Al ［％C］＋e S Al ［％S ］＋e P Al ［％P ］ （5） lg f O（1873K）＝e C O ［％C］＋e Si O ［％Si］＋ e Mn O ［％Mn］＋e P O ［％P ］＋e S O ［％S ］ （6） 根据相互作用系数［8－9］计算得到 Al、O 活度系数为： f Al（1873K）＝1∙022 （7） f O（1873K）＝0∙893 （8） 代入式（4）纯铁熔体中 Al、O 在1650℃时的平衡 浓度关系为： ［O］＝7∙68×10－5［Al］ －2／3 （9） 按式（9）的计算结果用图10表示．由于实验中 熔炼用纯铁原料中不含 Al纳米颗粒添加料中的 Al2O3 颗粒将发生部分溶解．当熔体中 Al 和 O 浓度 积［Al］ 2［O］ 3＝4∙53×10－13时溶解反应达到平衡． 如图10所示平衡曲线以上为 Al2O3 稳定区．本实 验所用纯铁原料4kgAl2O3 纳米颗粒的加入量为纯 铁质量的 0∙50％在 1650℃ 时当 Al2O3 溶解 0∙117g 时溶解反应达到平衡溶解的 Al2O3 量仅 占总加入量的0∙58％．因此在纯铁熔体中 Al2O3 纳米颗粒在高温铁熔体中是可以稳定存在的． 图10 1650℃熔体中［Al］－［O］平衡 Fig．10 Equilibrium diagram of ［Al］ to ［O］ in molten industrial pure iron at 1650℃ 3∙2 纳米颗粒在熔体中团聚烧结成大颗粒的可能 性分析 由于纳米颗粒极易团聚本实验对其进行预分 散后实验结果未发现纳米 Al2O3 颗粒在熔体中团 ·580· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第6期 王国承等：高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 .581. 聚、烧结成大于10m颗粒的现象.观察到的1~ (2)外加纳米A1203颗粒在纯铁熔体中能稳定 2m左右Al203颗粒可能是原粉中少量微米级 地存在，成为熔体中其他夹杂物的复合中心 A1203或几个纳米颗粒（预分散时未能完全分散）烧 (3)纳米Al203粉体经预分散后，在高温纯铁 结而成，根据Stocks公式可以分析纳米级颗粒在熔 熔体中很难互相团聚，烧结成大颗粒， 体中的运动行为，探讨纳米级颗粒在高温铁液中烧 参考文献 结成大颗粒的可能性， 根据Stocks公式1o [1]Liu D L,Wang Y L.HUO X D.et al.Electron microscopic study on nano-scaled precipitation in low carbon steels.J Chin 0=号gr2em气8n (10) Electron Microscopy Soc.2002.21(3):283 Tteel [2]Ing Rob F Gadellaa.Dr Ir Piet J Kreijger.Dr Ir Mare C M Cor- 式中，g为重力加速度，取9.81ms2；r为颗粒半 nelissen,et al.Metallurgical aspects of thin slab casting and 径，P为密度(kgm-3),又m为钢的黏度，1600℃时 rolling of low carbon stee2nd Europe Conf Continuous Casting 取0.002Pas. (METEC94).Dusseldorf,1994:382 对于≤l00nm的颗粒，由上式计算得其运动速 [3]傅杰，康永林，柳得橹，等.CSP工艺生产低碳钢中的纳米碳化 物及其对钢的强化作用.北京科技大学学报，2003,25(4)： 度约为9.81×10-10ms1,所以所加纳米颗粒在熔 328 体中的运动极为缓慢，当熔体较为平静时碰撞几率 [4]康永林，于浩，王克鲁，等.CSP低碳钢薄板组织演变及强化机 很低，这一结果说明A203纳米颗粒在熔体中很难 理研究.钢铁，2003,38(8)：20 互相团聚烧结成大颗粒， [5]柳得橹，王元立，傅杰，等，CSP低碳钢的晶粒细化与强韧化， 由于在纯铁熔体中A2O3纳米颗粒能稳定地存 金属学报，2002,38(6)：647 [6]王克鲁，陈贵江，于浩，等.CSP工艺热轧低碳钢板的强化机 在，大量增加了熔体中的外来固体核心，初生的夹杂 制.材料研究学报，2003,17(4)：439 物与固体核心复合，使夹杂物尺寸变小，在熔体中弥 [7]Ohta H.Suito H.Activities in CaO SiOz Al2O3 Slag and Deoxi- 散分布，夹杂物能谱检测结果说明了纳米A203颗 dation Equilibria of Si and Al.Metall Mater Trans.1996,27B: 粒在熔体中所产生的作用， 943 [8]黄希枯.钢铁治金原理.北京：治金工业出版社，1989：55 4结论 [9]陈家祥.炼钢常用图表数据手册.北京：冶金工业出版社， 1984,513 (1)实验结果说明，采用将纳米颗粒预分散制 [10]奥特斯F,钢冶金学.倪瑞明，张圣弼，项长祥，译，北京：冶 成颗粒添加剂的方法可以将纳米颗粒加入高温熔 金工业出版社，1995：249 体中， Study on the process of adding Al2O3 nano powder to molten pure iron WANG Guocheng,WANG Tieming,LI Songnian,FA NG Keming Metallurgical and Ecological Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI An ingot specimen was obtained by the process of adding Al2O3 nano particle to molten industrial pure iron.The existent state and chemical components of nonmetallic inclusions in the metal-phase sample were investigated by SEM and EDS.Nonmetallic inclusions were extracted from the ingot by the electrolytic method in nonaqueous solution,and SEM and EDS were used to study their characteristics,such as morphology,size, and chemical components.The results showed that additive Al2O3 nano particle could be stabilized and combine with microelements,such as Mn and S to form complex inclusions,whose size is about 5-10/m.Al203 nano- particle existed usually in the interior of complex inclusions.The phenomena of reuniting and agglomeration of Al2O3 nano particle was rare.The thermodynamic stability and probability of reuniting and agglomerating of Al2O3 nano particle were also analyzed in molten pure iron. KEY WORDS steelmaking;liquid iron:Al203 nano particle;inclusions;electrolysis
聚、烧结成大于10μm 颗粒的现象．观察到的1～ 2μm左右 Al2O3 颗粒可能是原粉中少量微米级 Al2O3或几个纳米颗粒（预分散时未能完全分散）烧 结而成．根据 Stocks 公式可以分析纳米级颗粒在熔 体中的运动行为探讨纳米级颗粒在高温铁液中烧 结成大颗粒的可能性． 根据 Stocks 公式［10］： v＝ 2 9 gr 2ρsteel－ρinclussions ηsteel （10） 式中g 为重力加速度取9∙81m·s －2 ；r 为颗粒半 径ρ为密度（kg·m －3）ηsteel为钢的黏度1600℃时 取0∙002Pa·s． 对于≤100nm 的颗粒由上式计算得其运动速 度约为9∙81×10－10m·s －1所以所加纳米颗粒在熔 体中的运动极为缓慢当熔体较为平静时碰撞几率 很低这一结果说明 Al2O3 纳米颗粒在熔体中很难 互相团聚烧结成大颗粒． 由于在纯铁熔体中 Al2O3 纳米颗粒能稳定地存 在大量增加了熔体中的外来固体核心初生的夹杂 物与固体核心复合使夹杂物尺寸变小在熔体中弥 散分布．夹杂物能谱检测结果说明了纳米 Al2O3 颗 粒在熔体中所产生的作用． 4 结论 （1） 实验结果说明采用将纳米颗粒预分散制 成颗粒添加剂的方法可以将纳米颗粒加入高温熔 体中． （2） 外加纳米 Al2O3 颗粒在纯铁熔体中能稳定 地存在成为熔体中其他夹杂物的复合中心． （3） 纳米 Al2O3 粉体经预分散后在高温纯铁 熔体中很难互相团聚烧结成大颗粒． 参 考 文 献 ［1］ Liu D LWang Y LHUO X Det al．Electron microscopic study on nano-scaled precipitation in low carbon steels．J Chin Electron Microscopy Soc200221（3）：283 ［2］ Ing Rob F GadellaaDr Ir Piet J KreijgerDr Ir Marc C M Cornelissenet al．Metallurgical aspects of thin slab casting and rolling of low carbon steels∥2nd Europe Conf Continuous Casting （METEC94）．Dusseldorf1994：382 ［3］ 傅杰康永林柳得橹等．CSP 工艺生产低碳钢中的纳米碳化 物及其对钢的强化作用．北京科技大学学报200325（4）： 328 ［4］ 康永林于浩王克鲁等．CSP 低碳钢薄板组织演变及强化机 理研究．钢铁200338（8）：20 ［5］ 柳得橹王元立傅杰等．CSP 低碳钢的晶粒细化与强韧化． 金属学报200238（6）：647 ［6］ 王克鲁陈贵江于浩等．CSP 工艺热轧低碳钢板的强化机 制．材料研究学报200317（4）：439 ［7］ Ohta HSuito H．Activities in CaO－SiO2－Al2O3Slag and Deoxidation Equilibria of Si and Al．Metall Mater Trans199627B： 943 ［8］ 黄希祜．钢铁冶金原理．北京：冶金工业出版社1989：55 ［9］ 陈家祥．炼钢常用图表数据手册．北京：冶金工业出版社 1984：513 ［10］ 奥特斯 F．钢冶金学．倪瑞明张圣弼项长祥译．北京：冶 金工业出版社1995：249 Study on the process of adding Al2O3 nano-powder to molten pure iron WA NG GuochengWA NG TiemingLI SongnianFA NG Keming Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT An ingot specimen was obtained by the process of adding Al2O3 nano-particle to molten industrial pure iron．The existent state and chemical components of nonmetallic inclusions in the meta-l phase sample were investigated by SEM and EDS．Nonmetallic inclusions were extracted from the ingot by the electrolytic method in nonaqueous solutionand SEM and EDS were used to study their characteristicssuch as morphologysize and chemical components．The results showed that additive Al2O3 nano-particle could be stabilized and combine with microelementssuch as Mn and S to form complex inclusionswhose size is about 5－10μm．Al2O3 nanoparticle existed usually in the interior of complex inclusions．The phenomena of reuniting and agglomeration of Al2O3nano-particle was rare．The thermodynamic stability and probability of reuniting and agglomerating of Al2O3 nano-particle were also analyzed in molten pure iron． KEY WORDS steelmaking；liquid iron；Al2O3 nano-particle；inclusions；electrolysis 第6期 王国承等： 高温纯铁熔体中外加氧化铝纳米粉的研究 ·581·