D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.11.028 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2009 1873K下钢液中Ti一A1复合脱氧热力学分析及夹杂 物生成 杨成咸吕通冰王新华王万军 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要对1873K下钢液中T1一A0系复合夹杂物的形成进行了理论和实验研究.理论计算和实验结果表明，钢液中Ti一 A一O系的A0基本趋于平衡，钢液中自由氧由A1含量控制.T一A0系复合夹杂物的形成主要由：/au值确定·根据热 力学数据计算得出了Ti一A0系复合夹杂物(A12O3一Ti305一Ti2O3)的稳定区域：随着r/au的增加，夹杂物逐步由A203转 变为Ti3O5夹杂物·当钢液中自由氧含量较高时容易生成Ti3O5夹杂物·计算结果和观察到的实验结果一致， 关键词复合夹杂物：氧化物治金；析出：热力学 分类号TF701.2 Deoxidization thermodynamics of Ti-Al systems in molten steel at 1873K and pre- cipitation of inclusions YANG Cheng-wei,LU Nai-bing:WANG Xin-hua,WANG Wan-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI The thermodynamic analysis and experiments of inclusions formation in a Ti-Al-O system in molten steel at 1873 K were investigated.The results show that in the Ti-Al-0 system the equilibrium between Al and O can be obtained instantly and the content of [O]is determined by the amount of Al.The formation of composite inclusions in the Ti-Al-O system depends on an/aAl values.According to thermodynamic data.the stable section in the phase diagram of composite inclusions (Al203-Ti305-Ti203)in the Ti-Al-O system was calculated.The composition of inclusions changes from Al203 to Ti30s as the ar/aA value increases.When the molten steel contains high amount of [O],it is very easy to form Ti30s inclusions.The experimental results agree well with thermo- dynamic data. KEY WORDS composite inclusions:oxide metallurgy:precipitation:thermodynamics 一直以来，人们都在研究怎样尽可能地去除钢 Hiroyuki等4研究表明，Ti一Al同时在钢液中，先生 中非金属夹杂物以改善钢的性能.但是，自从 成Al203夹杂，然后在Al203夹杂表面生成Ti的氧 Mizoguchi等提出“氧化物治金”概念以来，人们 化物.Pak等研究表明，当Ti质量分数<0.25% 对夹杂物的处理有了新的思路。钢中的一些微细夹 时，生成的是Ti305夹杂物，不能生成Ti203,本文 杂物能诱导析出晶内针状铁素体(IGF)来提高钢的 在前人的研究结果上对1873K下钢液中T一A0 性能，尤其是其塑性和韧性，Ti和A!都是钢中的重 系复合夹杂物的形成进行了热力学计算，同时研究了 要合金元素，它们对氧有着很强的亲和力，能生成各 钢液中Ti、A1和0含量对复合夹杂物生成的影响. 种不同的夹杂物.经研究发现，Ti的脱氧产物能有 效诱导出IGF,而A1脱氧产物Al2O3则没有这种 1实验方法 效果 实验以炼制的母铁为原料在管式电阻炉中进行 前人对Ti一Al复合脱氧进行了广泛研究· 冶炼，冶炼结束后试样采取随炉冷却的方式，母铁 收稿日期：2009-05-12 作者简介：杨成威(1981一)，男，博士研究生：王新华(1951一)，男，教授，博士生导师，Emai:wan乎imha@163.com
1873K 下钢液中 Ti－Al 复合脱氧热力学分析及夹杂 物生成 杨成威 吕 冰 王新华 王万军 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 对1873K 下钢液中 Ti－Al－O 系复合夹杂物的形成进行了理论和实验研究．理论计算和实验结果表明钢液中 Ti－ Al－O 系的 Al－O 基本趋于平衡钢液中自由氧由 Al 含量控制．Ti－Al－O 系复合夹杂物的形成主要由 aT／i aAl值确定．根据热 力学数据计算得出了 Ti－Al－O 系复合夹杂物（Al2O3－Ti3O5－Ti2O3）的稳定区域；随着 aT／i aAl的增加夹杂物逐步由 Al2O3 转 变为 Ti3O5 夹杂物．当钢液中自由氧含量较高时容易生成 Ti3O5 夹杂物．计算结果和观察到的实验结果一致． 关键词 复合夹杂物；氧化物冶金；析出；热力学 分类号 TF701∙2 Deoxidization thermodynamics of T-i Al systems in molten steel at1873K and precipitation of inclusions Y A NG Cheng-weiLÜ Na-i bingW A NG Xin-huaW A NG W an-jun School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he thermodynamic analysis and experiments of inclusions formation in a T-i A-l O system in molten steel at 1873K were investigated．T he results show that in the T-i A-l O system the equilibrium between Al and O can be obtained instantly and the content of ［O］ is determined by the amount of Al．T he formation of composite inclusions in the T-i A-l O system depends on aT／i aAl values．According to thermodynamic datathe stable section in the phase diagram of composite inclusions （Al2O3-Ti3O5-Ti2O3） in the T-i A-l O system was calculated．T he composition of inclusions changes from Al2O3to Ti3O5as the aT／i aAl value increases．When the molten steel contains high amount of ［O］it is very easy to form Ti3O5inclusions．T he experimental results agree well with thermodynamic data． KEY WORDS composite inclusions；oxide metallurgy；precipitation；thermodynamics 收稿日期：2009－05－12 作者简介：杨成威（1981－）男博士研究生；王新华（1951－）男教授博士生导师E-mail：wangxinhua＠163．com 一直以来人们都在研究怎样尽可能地去除钢 中非 金 属 夹 杂 物 以 改 善 钢 的 性 能．但 是自 从 Mizoguchi等［1－3］提出“氧化物冶金”概念以来人们 对夹杂物的处理有了新的思路．钢中的一些微细夹 杂物能诱导析出晶内针状铁素体（IGF）来提高钢的 性能尤其是其塑性和韧性．Ti 和 Al 都是钢中的重 要合金元素它们对氧有着很强的亲和力能生成各 种不同的夹杂物．经研究发现Ti 的脱氧产物能有 效诱导出 IGF而 Al 脱氧产物 Al2O3 则没有这种 效果． 前人对 Ti－Al 复合脱氧进行了广泛研究． Hiroyuki等［4］研究表明Ti－Al 同时在钢液中先生 成 Al2O3 夹杂然后在 Al2O3 夹杂表面生成 Ti 的氧 化物．Pak 等［5］研究表明当 Ti 质量分数＜0∙25％ 时生成的是 Ti3O5 夹杂物不能生成 Ti2O3．本文 在前人的研究结果上对1873K 下钢液中 Ti－Al－O 系复合夹杂物的形成进行了热力学计算同时研究了 钢液中 Ti、Al 和 O 含量对复合夹杂物生成的影响． 1 实验方法 实验以炼制的母铁为原料在管式电阻炉中进行 冶炼冶炼结束后试样采取随炉冷却的方式．母铁 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．028
第11期 杨成威等：1873K下钢液中T1一1复合脱氧热力学分析及夹杂物生成 .1391. 根据成分分为高Ti和低Ti两种，其化学成分见 观察窗、 表1. 一氩气密封盖 刚玉坩埚 表1母铁化学成分（质量分数） Table 1 Composition of raw material % 热电偶 类型C Si Mn P Ti 加热装置 高Ti0.10.251.20.010.160.00080.04 低Ti0.10.251.20.010.0080.00080.04 密封盖 具体实验过程如下，实验在管式电阻炉中进 执电偶 支架 行，冶炼容器采用Mg0坩埚，首先在升温前将1kg 金属基料放入坩埚，同时配加适量的F3O4控制钢 液初始氧含量，然后向炉膛通入氩气20min净化炉 膛内气氛，使反应始终在氩气气氛保护下进行，通 图1实验用管式电阻炉结构图 入氩气20min后，管式电阻炉开始升温（室温到 Fig.I Structure of a tubular resistance furnace used in experiments 1273K时升温速率为16.67K·mim1,1273~ 1873K时升温速率为6.67Kmim)当温度升至 用SC砂纸打磨、抛光制备成电镜样，在扫描电镜上 1873K时，向钢液中配加适量铝锰铁，控制钢中 观察得到夹杂物粒子的形貌，并用能谱仪分析其主 [Al]的含量，铝锰铁加入完毕，保温40min后即采 要成分 用固体电解质定氧探头测定氧活度α0，并结束治 2实验结果 炼，各成分钢样结束治炼后，均采用随炉冷却（冷却 速率为l5Kmin1)·实验通过调节母铁配比来控 实验共进行了八炉，实验炉次试样化学成分及 制Ti含量，实验用管式电阻炉见图1. 定氧结果如表2所示.每个试样在扫描电镜上随机 将实验得到的试样分为两部分：一部分用于化 观测了25个夹杂物.试样中夹杂物成分如表3 学成分分析；另一部分切割为10cm×10cm大小， 所示 表2实验炉次试样化学成分及定氧结果 Table 2 Chemical composition of experimental steel and measuring results of oxygen 质量分数/% 系列 炉号 C 号 Mn P T 形 8 高AI 0.090 0.16 1.26 0.01 0.0062 0.037 0.0140 0.00097 高Ti 2 0.077 0.24 1.28 0.10 0.0140 0.038 0.0150 0.00073 高AL 记 0.094 0.10 1.08 0.11 0.0012 0.040 0.0050 0.00169 低Ti 0.100 0.01 1.06 0.11 0.0010 0.040 0.0023 0.00255 低AI 5 0.036 0.094 1.00 0.10 0.0240 0.0420 0.0020 0.0022 高Ti 公 0.140 0.20 1.12 0.13 0.0240 0.040 0.0020 0.0030 低AI 0.067 0.21 1.20 0.0096 0.0035 0.040 0.0004 0.0043 低Ti 8 0.073 0.15 1.09 0.0096 0.0029 0.044 0.0005 0.0057 表3实验各炉次试样夹杂物成分 在高A1试样中，第1炉试样中夹杂物为镁铝尖 Table 3 Composition of inclusions in every sample 晶石，第3炉夹杂物为纯A203和极少量镁铝尖晶 试样夹杂物中各元素的平均原子分数/% 系列炉号 石，第2和第4炉夹杂物为纯Al203、Mn0和极少量 Mg Ti Mn 镁铝尖晶石，前四炉试样夹杂物中基本不含有Ti. 高AI 1 45.6048.76 0.620.04 2.34 高Ti21.3784.571.573.22 0.209.07 在低A1实验中，试样中的夹杂物主要是含钛氧化物 高A134.1078.61 7.640.009.61 和A203的复合夹杂物.根据前人的研究可，钢液 低Ti45.1570.33 5.740.2018.59 中Ti的质量分数小于0.25%时，生成的钛氧化物 低A150.7121.09 2.8363.496.88 高Ti61.7824.760.2114.0744.59 28.08 为Ti3O5·在本实验中，钢液中Ti的质量分数均小 低A170.066.156.295.2946.3035.95 于0.25%，故可以认为试样中钛氧化物为Ti305夹 低Ti85.9316.982.0236.3919.3140.58 杂，第5和第6炉夹杂物为Ti305、Al203和Mn0;
根据成分分为高 Ti 和低 Ti 两种其化学成分见 表1． 表1 母铁化学成分（质量分数） Table1 Composition of raw material ％ 类型 C Si Mn P Ti Al V 高 Ti 0∙1 0∙25 1∙2 0∙01 0∙16 0∙0008 0∙04 低 Ti 0∙1 0∙25 1∙2 0∙01 0∙008 0∙0008 0∙04 具体实验过程如下．实验在管式电阻炉中进 行冶炼容器采用 MgO 坩埚．首先在升温前将1kg 金属基料放入坩埚同时配加适量的 Fe3O4 控制钢 液初始氧含量然后向炉膛通入氩气20min 净化炉 膛内气氛使反应始终在氩气气氛保护下进行．通 入氩气20min 后管式电阻炉开始升温（室温到 1273K 时 升 温 速 率 为 16∙67 K ·min －11273～ 1873K时升温速率为6∙67K·min －1）．当温度升至 1873K 时向钢液中配加适量铝锰铁控制钢中 ［Al］的含量．铝锰铁加入完毕保温40min 后即采 用固体电解质定氧探头测定氧活度 aO并结束冶 炼．各成分钢样结束冶炼后均采用随炉冷却（冷却 速率为15K·min －1）．实验通过调节母铁配比来控 制 Ti 含量．实验用管式电阻炉见图1． 将实验得到的试样分为两部分：一部分用于化 学成分分析；另一部分切割为10cm×10cm 大小 图1 实验用管式电阻炉结构图 Fig．1 Structure of a tubular resistance furnace used in experiments 用 SiC 砂纸打磨、抛光制备成电镜样在扫描电镜上 观察得到夹杂物粒子的形貌并用能谱仪分析其主 要成分． 2 实验结果 实验共进行了八炉实验炉次试样化学成分及 定氧结果如表2所示．每个试样在扫描电镜上随机 观测了25个夹杂物．试样中夹杂物成分如表3 所示． 表2 实验炉次试样化学成分及定氧结果 Table2 Chemical composition of experimental steel and measuring results of oxygen 系列 炉号 质量分数／％ C Si Mn P Ti V Al aO 高 Al 1 0∙090 0∙16 1∙26 0∙01 0∙0062 0∙037 0∙0140 0∙00097 高 Ti 2 0∙077 0∙24 1∙28 0∙10 0∙0140 0∙038 0∙0150 0∙00073 高 Al 3 0∙094 0∙10 1∙08 0∙11 0∙0012 0∙040 0∙0050 0∙00169 低 Ti 4 0∙100 ＜0∙01 1∙06 0∙11 0∙0010 0∙040 0∙0023 0∙00255 低 Al 5 0∙036 0∙094 1∙00 0∙10 0∙0240 0∙0420 0∙0020 0∙0022 高 Ti 6 0∙140 0∙20 1∙12 0∙13 0∙0240 0∙040 0∙0020 0∙0030 低 Al 7 0∙067 0∙21 1∙20 0∙0096 0∙0035 0∙040 0∙0004 0∙0043 低 Ti 8 0∙073 0∙15 1∙09 0∙0096 0∙0029 0∙044 0∙0005 0∙0057 表3 实验各炉次试样夹杂物成分 Table3 Composition of inclusions in every sample 系列 炉号 试样夹杂物中各元素的平均原子分数／％ Mg Al Si S Ti Mn 高 Al 1 45∙60 48∙76 － 0∙62 0∙04 2∙34 高 Ti 2 1∙37 84∙57 1∙57 3∙22 0∙20 9∙07 高 Al 3 4∙10 78∙61 － 7∙64 0∙00 9∙61 低 Ti 4 5∙15 70∙33 － 5∙74 0∙20 18∙59 低 Al 5 0∙71 21∙09 － 2∙83 63∙49 6∙88 高 Ti 6 1∙78 24∙76 0∙21 14∙07 44∙59 28∙08 低 Al 7 0∙06 6∙15 6∙29 5∙29 46∙30 35∙95 低 Ti 8 5∙93 16∙98 2∙02 36∙39 19∙31 40∙58 在高 Al 试样中第1炉试样中夹杂物为镁铝尖 晶石第3炉夹杂物为纯 Al2O3 和极少量镁铝尖晶 石第2和第4炉夹杂物为纯 Al2O3、MnO 和极少量 镁铝尖晶石前四炉试样夹杂物中基本不含有 Ti． 在低 Al 实验中试样中的夹杂物主要是含钛氧化物 和 Al2O3 的复合夹杂物．根据前人的研究［5］钢液 中 Ti 的质量分数小于0∙25％时生成的钛氧化物 为 Ti3O5．在本实验中钢液中 Ti 的质量分数均小 于0∙25％故可以认为试样中钛氧化物为 Ti3O5 夹 杂．第5和第6炉夹杂物为 Ti3O5、Al2O3 和 MnO； 第11期 杨成威等：1873K 下钢液中 Ti－Al 复合脱氧热力学分析及夹杂物生成 ·1391·
.1392 北京科技大学学报 第31卷 第7炉夹杂物为Ti305、Al203、Si02和Mn0,其中 下钢液中各元素和AL、Ti相互作用系数如表4 Al203和Si02夹杂物含量很少；第8炉夹杂物为 所示. Ti305、Al203和极少量镁铝尖晶石.八炉试样中全 1ga,=∑4[j]+lg[i] (1) 部都有Al203夹杂物生成， 式中为钢液中溶质j元素对i元素的相互作用系 3热力学计算 数 根据试样实际成分，可由式(1)计算出实验炉次 3.11873K下钢液中Ti一A0系平衡计算 中钢液的au和a,试样中ao由固体电解质定氧 钢液中Al和Ti都是很强的脱氧元素.1873K 探头测定，其结果如表5所示. 表4钢液中各元素相互作用系数】 Table 4 Firstorder interaction parameters between elements in molten steel d j=Al j=C j=Mn j=0 j=P j=S j=Ti j=Si Al 0.043 0.091 0.0065 -1.98 0.033 0.03 0.004 0.0056 Ti 0.0037 0.193 -0.43 -1.03 -0.11 0.049 2.1 表5钢液中au、am和ao 0.008i和0生成 Table 5 Values of a ar and ao in the molten steel % Ti,O,平衡线 0.007 Ti和O生成 炉号 CAI an ao aT/aA Ti,O,平衡线 0.006 1 0.0146 0.0040 0.0010 0.28 0.005实验A1-0数据 3 0.0157 0.0130 0.0007 0.83 80.004 A1和O生成 0.0052 0.0007 0.0017 0.13 A1,O,平衡线 0.003 4 0.0024 0.0004 0.0026 0.15 0.002 0.0021 0.0142 0.0022 6.89 0.001 6 0.0021 0.0220 0.0030 10.41 0.006 0.012 0.018 0.0004 0.0030 0.0043 7.29 0.0004 0.0021 0.0057 5.04 图21873K钢液中A0、Ti0平衡曲线 Fig.2 Equilibria of Al-O and Ti-O in molten steel at 1873 K 在1873K下，钢液中Ti一A一0有如下反应： Al203一2A1+30:gK=-45318+11.630 3.21873K下钢液中Ti一A1系夹杂物生成稳定区 T 计算 (2) 在1873K下，钢液中A1一Ti一0系可能生成 1873K时，lgK=-12.57. A203、Ti3O5和Ti203等夹杂物.Pak等可的研究认 Ti0,←3Ti+50:1gK=-72813+21.32时1 T 为，在钢液中当0.5%<Ti质量分数<4.75%时生 (3) 成Ti203,当0.00012%<Ti质量分数<0.25%时 1873K时，lgK=-17.56. 生成Ti305 Ti032Ti+30:与K=-4238+13同(4 根据式(2)至式(4)，可以计算得到1873K下钢 液Ti一A0系夹杂物稳定区域，如图3所示， 1873K时，lgK=-10.62. 从图3可以看到，将本次实验八炉试样的a1、 根据式(2)至式(4)，可以得到1873K下钢液中 a投影在图中的稳定区域，1~4炉试样夹杂物落 A10、Ti0平衡曲线图，如图2所示. 在Al203夹杂区，58炉试样夹杂物落在Ti305区 从图2可以看到，1873K下钢液中A1和0的 这和实验试样通过扫描电镜观察到的结果一致 结合力最强，最先生成的夹杂物为A1203,钢液中 Ti305优先于Tiz03生成。同时实验数据表明，试样 4Ti、Al和0含量对Ti一Al系夹杂物生成 中自由氧主要受钢液中铝含量控制，且两者基本趋 的影响 于平衡 从前面的实验结果得知，想要将钢液中夹杂物
第7炉夹杂物为 Ti3O5、Al2O3、SiO2 和 MnO其中 Al2O3 和 SiO2 夹杂物含量很少；第8炉夹杂物为 Ti3O5、Al2O3 和极少量镁铝尖晶石．八炉试样中全 部都有 Al2O3 夹杂物生成． 3 热力学计算 3∙1 1873K 下钢液中 Ti－Al－O 系平衡计算 钢液中 Al 和 Ti 都是很强的脱氧元素．1873K 下钢液中各元素和 Al、Ti 相互作用系数如表 4 所示． lg ai＝ ∑ e j i［ j］＋lg［ i］ （1） 式中 e j i 为钢液中溶质 j 元素对 i 元素的相互作用系 数． 根据试样实际成分可由式（1）计算出实验炉次 中钢液的 aAl和 aTi试样中 aO 由固体电解质定氧 探头测定其结果如表5所示． 表4 钢液中各元素相互作用系数 e j i ［6－9］ Table4 First-order interaction parameters e j i between elements in molten steel ［6－9］ i e j i j＝Al j＝C j＝Mn j＝O j＝P j＝S j＝Ti j＝Si Al 0∙043 0∙091 0∙0065 －1∙98 0∙033 0∙03 0∙004 0∙0056 Ti 0∙0037 0∙193 －0∙43 －1∙03 － －0∙11 0∙049 2∙1 表5 钢液中 aAl、aTi和 aO Table5 Values of aAlaTi and aO in the molten steel ％ 炉号 aAl aTi aO aT／i aAl 1 0∙0146 0∙0040 0∙0010 0∙28 2 0∙0157 0∙0130 0∙0007 0∙83 3 0∙0052 0∙0007 0∙0017 0∙13 4 0∙0024 0∙0004 0∙0026 0∙15 5 0∙0021 0∙0142 0∙0022 6∙89 6 0∙0021 0∙0220 0∙0030 10∙41 7 0∙0004 0∙0030 0∙0043 7∙29 8 0∙0004 0∙0021 0∙0057 5∙04 在1873K 下钢液中 Ti－Al－O 有如下反应： Al2O3 2Al＋3O；lg K＝－ 45318 T ＋11∙63［10］ （2） 1873K 时lg K＝－12∙57． Ti3O5 3Ti＋5O；lg K＝－ 72813 T ＋21∙32［5］ （3） 1873K 时lg K＝－17∙56． Ti2O3 2Ti＋3O；lg K＝－ 44238 T ＋13［5］ （4） 1873K 时lg K＝－10∙62． 根据式（2）至式（4）可以得到1873K 下钢液中 Al－O、Ti－O 平衡曲线图如图2所示． 从图2可以看到1873K 下钢液中 Al 和 O 的 结合力最强最先生成的夹杂物为 Al2O3钢液中 Ti3O5 优先于 Ti2O3 生成．同时实验数据表明试样 中自由氧主要受钢液中铝含量控制且两者基本趋 于平衡． 图2 1873K 钢液中 Al－O、Ti－O 平衡曲线 Fig．2 Equilibria of A-l O and T-i O in molten steel at 1873K 3∙2 1873K 下钢液中 Ti－Al 系夹杂物生成稳定区 计算 在1873K 下钢液中 Al－Ti－O 系可能生成 Al2O3、Ti3O5 和 Ti2O3 等夹杂物．Pak 等［5］的研究认 为在钢液中当0∙5％＜Ti 质量分数＜4∙75％时生 成 Ti2O3当0∙00012％＜Ti 质量分数＜0∙25％时 生成 Ti3O5． 根据式（2）至式（4）可以计算得到1873K 下钢 液 Ti－Al－O 系夹杂物稳定区域如图3所示． 从图3可以看到将本次实验八炉试样的 aAl、 aTi投影在图中的稳定区域1～4炉试样夹杂物落 在 Al2O3 夹杂区5～8炉试样夹杂物落在 Ti3O5 区． 这和实验试样通过扫描电镜观察到的结果一致． 4 Ti、Al 和 O 含量对 Ti－Al 系夹杂物生成 的影响 从前面的实验结果得知想要将钢液中夹杂物 ·1392· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 杨成威等：1873K下钢液中T1一1复合脱氧热力学分析及夹杂物生成 ,1393 主要受α控制，且两者基本保持平衡。当钢液中自 0.5 1873K Ti,01 由氧含量较高时，A1含量很少，此时钢液中控制生 成Ti3O5夹杂物的aT:/au值也较低，故很容易生成 -0.5 T305夹杂物.相反，当钢液中自由氧含量较低时， -1.0 低A!试样 Ti,O, 高A1试样 钢液中Al含量会很高，此时钢液中控制生成Ti3O5 -1.5 A1,O1 -2.0叶 夹杂物的ar/au值也较高，故很难生成Tis0夹 -2.5 杂物 -3.0 5结论 -3.5 4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.00.50 本文通过热力学计算和实验研究了1873K下 lga 钢液中Ti一A1脱氧平衡及夹杂物的生成，通过实验 图31873K下Ti一A0系夹杂物稳定区域图 得到：钢中Ti一A0系中，自由氧含量和Al含量平 Fig.3 Predominance area in the Ti-Al-O system at 1873K 衡.钢液中Ti一AI复合夹杂物粒子的生成主要由钢 成分控制为主要含Ti305和Al203的复合氧化物夹 液中ar:au控制.随着a;au的增加，夹杂物逐步 杂，必须控制钢液中ar,/au的值.而钢液中的Al0 由Al203转变为Ti305夹杂物.当钢液中自由氧含 趋近于平衡，根据式(2)和式(3)可以得到： 量较高时容易生成Ti305夹杂物；当钢液中自由氧 lg%略=-12.57 (5) 含量较低时很难生成Ti305夹杂物.计算结论和观 35 lg aria0=-17.56 (6) 察到的实验结果一致 根据式(5)和式(6)可以得到： ar/aau=10.48X01/6 参考文献 (7) 根据式(7)可以得到ar:/a和钢液中ao的关系图， [1]Takamura J.Roles of oxides in steels performance//Proceedings 如图4所示. of the 6th International Iron Steel Congress.Nagoya.1990: 591 20 [2]Mizoguchi S.Control of oxides as inoculants//Proceedings of the ■14炉实验数据 6th International Iron Steel Congress.Nagoya.1990:598 。5-8炉实验数据 15 [3]Sawai T.Effect of Zr on the precipitation of MnS in low carbon steels /Proceedings of the 6th International Iron &Steel Ti,O Congress.Nagoya.1990,605 0 [4]Hiroyuki.The transient stages of inclusion evolution during Al and/or Ti additions to molten iron.ISIJ Int,2007,47 (9):1265 ● [5]Pak JJ.Thermodynamics of titanium and oxygen dissolved in liq AL.O, uid iron equilibrated with titanium oxides.ISIJ Int,2007,47 (1):16 0010.020ni030.040050.06 [6]Sigworth G K,Elliot J F.The thermodynamics of liquid dilute iron alloys.Met Sci:1974,18:298 o [7]Kim W Y,Jo JO.Lee CO.et al.Thermodynamic relation be- 图4ar/au和ao平衡关系 tween aluminum and titanium in liquid iron.ISIJ Int,2008.48 Fig.4 Relationship between equilibrium values of ar a and ao (1):17 [8]Cho S W.Suito H.Assessment of calcium-oxygen equilibrium in 从图4可以看出，钢液中Ti一A1系夹杂物的生 liquid iron.ISIJ Int,1994,34(3):265 成受ar/a和ao的共同影响.当钢液中自由氧含 [9]Cha WY.MikiT,Sasaki Y,et al.Identification of titanium ox- 量较高时，钢液中控制生成Ti3O5夹杂物的ar:a1 ide phases equilibrated with liquid Fe-Ti alloy based on EBSD analysis.-1Sl,2006,46(7).987 值随αo变化不是很大，但是，当钢液中自由氧含量 [10]Cha WY.Nagasaka T.MikiT.et al.Equilibrium between tita- 很少时，钢液中控制生成Ti3O5夹杂物的a:/au值 nium and oxygen in liquid Fe-Tialloy coexisted with titanium ox- 随ao变化较大·通过前面的研究可知，钢液中ao ides at1873K.ISJ1t,2006,46(7):996
图3 1873K 下 Ti－Al－O 系夹杂物稳定区域图 Fig．3 Predominance area in the T-i A-l O system at 1873K 成分控制为主要含 Ti3O5 和 Al2O3 的复合氧化物夹 杂必须控制钢液中 aT／i aAl的值．而钢液中的 Al－O 趋近于平衡根据式（2）和式（3）可以得到： lg a 2 Al a 3 O＝－12∙57 （5） lg a 3 Ti a 5 O＝－17∙56 （6） 根据式（5）和式（6）可以得到： aT／i aAl＝100∙43× a －1／6 O （7） 根据式（7）可以得到 aT／i aAl和钢液中 aO 的关系图 如图4所示． 图4 aT／i aAl和 aO 平衡关系 Fig．4 Relationship between equilibrium values of aT／i aAl and aO 从图4可以看出钢液中 Ti－Al 系夹杂物的生 成受 aT／i aAl和 aO 的共同影响．当钢液中自由氧含 量较高时钢液中控制生成 Ti3O5 夹杂物的 aT／i aAl 值随 aO 变化不是很大．但是当钢液中自由氧含量 很少时钢液中控制生成 Ti3O5 夹杂物的 aT／i aAl值 随 aO 变化较大．通过前面的研究可知钢液中 aO 主要受 aAl控制且两者基本保持平衡．当钢液中自 由氧含量较高时Al 含量很少此时钢液中控制生 成 Ti3O5 夹杂物的 aT／i aAl值也较低故很容易生成 Ti3O5 夹杂物．相反当钢液中自由氧含量较低时 钢液中 Al 含量会很高此时钢液中控制生成 Ti3O5 夹杂物的 aT／i aAl值也较高故很难生成 Ti3O5 夹 杂物． 5 结论 本文通过热力学计算和实验研究了1873K 下 钢液中 Ti－Al 脱氧平衡及夹杂物的生成．通过实验 得到：钢中 Ti－Al－O 系中自由氧含量和 Al 含量平 衡．钢液中 Ti－Al 复合夹杂物粒子的生成主要由钢 液中 aT／i aAl控制．随着 aT／i aAl的增加夹杂物逐步 由 Al2O3 转变为 Ti3O5 夹杂物．当钢液中自由氧含 量较高时容易生成 Ti3O5 夹杂物；当钢液中自由氧 含量较低时很难生成 Ti3O5 夹杂物．计算结论和观 察到的实验结果一致． 参 考 文 献 ［1］ Takamura J．Roles of oxides in steels performance∥ Proceedings of the 6th International Iron ＆ Steel Congress．Nagoya1990： 591 ［2］ Mizoguchi S．Control of oxides as inoculants∥ Proceedings of the 6th International Iron ＆ Steel Congress．Nagoya1990：598 ［3］ Sawai T．Effect of Zr on the precipitation of MnS in low carbon steels ∥ Proceedings of the 6th International Iron ＆ Steel Congress．Nagoya1990：605 ［4］ Hiroyuki．The transient stages of inclusion evolution during Al and／or Ti additions to molten iron．ISIJ Int200747（9）：1265 ［5］ Pak J J．Thermodynamics of titanium and oxygen dissolved in liquid iron equilibrated with titanium oxides． ISIJ Int200747 （1）：16 ［6］ Sigworth G KElliot J F．The thermodynamics of liquid dilute iron alloys．Met Sci197418：298 ［7］ Kim W YJo J OLee C Oet al．Thermodynamic relation between aluminum and titanium in liquid iron．ISIJ Int200848 （1）：17 ［8］ Cho S WSuito H．Assessment of calcium-oxygen equilibrium in liquid iron．ISIJ Int199434（3）：265 ［9］ Cha W YMiki TSasaki Yet al．Identification of titanium oxide phases equilibrated with liquid Fe-Ti alloy based on EBSD analysis．ISIJ Int200646（7）：987 ［10］ Cha W YNagasaka TMiki Tet al．Equilibrium between titanium and oxygen in liquid Fe-Ti alloy coexisted with titanium oxides at 1873K．ISIJ Int200646（7）：996 第11期 杨成威等：1873K 下钢液中 Ti－Al 复合脱氧热力学分析及夹杂物生成 ·1393·