真空感应熔炼过程中微量Bi的挥发

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.06.004 第16卷第6期 北京科技大学学报 Vol.16 No.6 194年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.1994 真空感应熔炼过程中微量B的挥发 于月光陈伯平王玉刚屠宝洪傅杰 北京科技大学治金系，北京：100083 摘要研究表明，实验条件下向钢液中加人纯绝时铋的收得率为7.54%.钢液中铋的挥发过程受 液/气界面的挥发反应及液相边界层中的扩散混合控制，其传质系数K3在102cs数量级： 实验得出了K:值及钢液中铋浓度的经验计算公式：还探讨了熔渣覆盖对钢液中铋挥发的影响. 关键词挥发，微量元素，真空熔炼，镍铬钼钢 中图分类号TF131 Evaporation of Trace Bismuth during Vacuum Melting of Steel Yu Yueguang Chen Boping Wang Yugang Tu Baohong Fu Jie Department of Metallurgy,USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRAT The result shows that the rate of bismuth recovery reachs 7.54%by adding pure bismuth to liquid steel under the experimertal condition.The evaporation process of trace bismuth is controlled by transport in both the metal boundary layer and the evaporation from the pool surface,in which the transport coefficient Kz is at the order magnitute of 10cm/s.The experimental formulas to calculate Ka and bismuth concentration in molten steel have been gained.The effect of covering slag on bismuth evaporation has also been studied. KEY WORDS evaporation,trace elements,vacuum melting,nickel chrominium molybdenum steei 铋作为残余杂质元素存在于镍基合金及大型锻件用钢中，由于其低熔点和很高的表面活 性而严重影响钢的热塑性、蠕变强度和冲击韧性，研究证明，铋对钢热加工的致害作用明显 大于铅，为铅的4倍甚至高达10倍.在大型锻件中，Bi与P、S一样易于产生晶界偏析而导致回 火脆性同，国外在内控标准中严格规定了痕量杂质元素的含量要求，我国也在积极研究确 定.本文通过对NiCrMoV钢真空感应熔炼过程中铋挥发过程的研究，为实际生产过程控制 钢中铋含量提供依据， 1994-03-09收稿第-作者男29岁博士

第 16 卷 第 6期 北 京 科 技 大 学 学 报 1望玛 年 u 月 oJ u r n a l o f U 正 ~ yit o f S a e n c e a nd Te c h n o of yg Be ij吨 V d 。 16 N O 。 6 】) 戈 . 1臾川 真空 感应熔炼过程 中微量 Bi 的挥发 于 月光 陈伯平 王 玉 刚 屠宝洪 傅 杰 北京科技大学冶金 系 , 北京 : 1仪X) 8 摘要 研究表 明 , 实验条件下 向钢液中加人纯秘时铸 的收得率为 .7 义% . 钢液 中秘 的挥 发过 程受 液 / 气界 面 的挥 发反应 及 液相边 界层 中的扩散混 合控 制 , 其传 质系 数 凡 3 在 10 一 ’ 助渗数 量级 ; 实验得出了 凡 , 值及钢液 中铸浓度的经验计算 公式 ; 还探讨了熔渣覆盖对钢液 中秘挥 发 的影响 . 关健 词 挥发 , 微量元素 , 真空 熔炼 , 镍铬钥钢 中图分类号 1下 131 E va op r a t i o n o f T ar ce B i s m u t h d ur ign V a cu um M el t ign o f S te l uY 知典川 an g hC 例 刀咖gn w 白gn h 够an g uT B a oh on g uF 翔 氏p ’aTt ~ t o f M e at ll u 卿 , US T B , 氏巧ing 10以犯3 , P R C A BS T R A T hT e esr ul t s h o 粥 ht a t t h e ar et o f b is m u t h er Q 〕v e yr 盼 c hs 7 . 54 % b y a d d in g P u er b is mu t h to liq u id s t e l u n d e r ht e ex P e n n ℃n at l co nd it i o n . hT e ve a P o ar it o n Por 粼 o f t ar ce b is mu t h 15 co n otr l ed b y lat ns Po rt in bo t h het IT 屹t a l b o u nd a yr la y er a nd het e v a P o ar t i o n for m t h e P o o l s u far ce , in w h ich t h e atr ns Po rt co e if 以e ll t 凡 15 a t ht e o dr er anr gn iut et of lo 一 , 叨厂5 . hT e ex p ~ alt fo n n ul a s ot 以I c ul a et 凡 a dn b is mu ht co n cen t甩 t i o n i n mo l etn s et l h a ve 卜戈 n g a i n de . T h e e蛋众 o f co vemr g s h g o n b is m u t h ve a P o ar t i o n h a s a ls o b en s t u d ide . K E Y WO R D 6 e v a P o ar t i o n , t ar ce e l eme n st , va cu um n 坦 l int g , n l e k e l hc or ll u l l l um mo l y bd en utn S t代1 秘 作 为残余杂质 元素存 在于 镍基 合金 及大 型锻 件用 钢 中 , 由于其低 熔点 和很 高 的表 面 活 性而严重影 响钢的热 塑性 、 蠕 变强 度和 冲击 韧性 . 研究证明 l[,q , 秘 对钢 热 加工 的致害作用 明显 大 于铅 , 为铅的 4 倍甚 至高达 10 倍 . 在大 型锻 件中 , iB 与 P 、 S n 一 样 易于 产 生晶 界偏 析而 导 致 回 火脆性阎 . 国 外 在 内控 标 准 中严 格 规定 了 痕量 杂质 元 素 的含 量 要 求 , 我 国 也 在 积 极 研究 确 定 . 本 文通 过对 NI C r M o V 钢真 空感 应熔 炼过 程 中秘 挥 发过 程 的研究 , 为 实 际 生 产 过 程 控 制 钢 中秘含 量 提供 依据 . l卯4 一 0 3 一 的 收稿 第一 作者 男 29 岁 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 06. 004

1994年No.6 北京科技大学学报 ·523· 1试验条件及方法 熔炼设备为10kg中频真空感应炉，采用镁砂预制坩埚，冶炼时钢液面表面积为86.59cm. 每炉装炉量为9.20kg.熔炼采用的母材成分为：0.36%C,0.20%Si,0.40%Mn,0.003%S, 0.006%P,1.10%Cr,2.90%Ni,0.48%Mo,0.17%V,0.03%Cu,0.0002%Pb,0.0022%Sn,0.0040%As, 0.0006%Sb,0.00002%Bi,其余为Fe. 冶炼过程中炉料红热时向炉内通人所需压力的高纯氩气，炉料熔清并加热至所需温度后 加人纯金属铋试料（含秘量>99.5%），挥发一定时间后浇样或出钢.挥发时间从向钢液加人铋 至取样或出钢完毕为止.挥发过程温度由“铂佬30-铂铑6”热电偶测量，研究不同的铋加入 量、气相压力、挥发温度及挥发时间对钢中残余铋含量的影响. 2 试验结果及讨论 21铋的回收率 图1为真空感应熔炼过程中当充人4×104Pa氩气、钢液温度为1560℃、挥发时间为7 min向钢水加入纯铋情况下，铋的加人量C侧.与残余含量C侧，之关系，结果表明两者接近直 线关系.铋的回收率约为7.54%.可见，向钢水加铋时出现很大的挥发损失， 2.2气相压力对铋挥发的影响 实验研究了1560℃、8.00×10Pa~8.67×104Pa氩气条件下加铋后钢液中铋浓度随 时间的变化，见图2.图中虚线为钢液面存在300g覆盖渣(80%CF,+20%CaO)的情况.t=0 时各炉铋的加入量均为C.=0.0067%.可见，纯铋加入钢液后的挥发实际可分为两个阶段.第 1阶段（图中t=0~180s),由于铋的熔点低(271℃），加人量少等因素使其加入后立即在钢 液面附近熔化，这时熔化区的铋含量大大高于C,引起短时间内铋的大量挥发.随着气相压 力的降低，铋在这一段时间内的挥发程度加剧.第2阶段（图中t>180s),经过钢液流动铋 已基本在整个熔池均匀分布，此时的C.与时间t有对数关系，见式(I)~(5).工业生产中钢 液内的痕量杂质元素可以认为是均匀分布的，故本文着重研究这一情况下的挥发， P=8.67×10Pa1gCm,=-2.647-4.281×1041 (1) P=4.00×10PagC周，=-2.898-4.458×1041 (2) P=1.07×10 Pa lgC B=-3.124-5.770×104t (3) P=8.00×10 Pa lgCo=-3.552-1.0S3×103t (4) 有顶渣， P=8.00×102 Pa lgC则.=-3.534-5.006×1041 (5) 各式中t>180s,C刷为质量百分含量. 图2反映出气相压力在一定范围变化时、对铋的挥发过程存在明显影响，压力减小加速 铋的挥发，而钢液表面存在覆盖渣时则减慢了铋的挥发速度. 2.3钢液温度对铋挥发的影响

1夕抖 年 N o . 6 北 京 科 技 大 学 学 报 1 试验条件及方 法 熔炼 设备 为 l o k g 中频真 空感 应炉 , 采 用镁砂 预制 柑祸 , 冶炼 时 钢液 面表 面积 为 86 . 59 cln , . 每 炉 装 炉 量 为 .9 20 k g . 熔 炼 采 用 的 母 材 成 分 为 : 0 . 36 % C , .0 20 % iS , .0 40 % M n , .0 0 03 % s , 0 . 0() 6 % P , 1 . 10 % C r , 2 . 90 % iN , 0 . 4 8% M o , 0 . 1 7% V , 0 . 0 3 % C u , 0 . 0 0 0 2 % P b , 0 . 0 0 2 2 % S n , 0 . 0 04 0% sA , 0 . 0X() 6% S b , 0 . 0 0 0 0 2 % B i , 其余为 F e . 冶炼 过程 中炉料 红 热时 向炉 内通人 所需 压 力 的高纯 氢气 . 炉料 熔 清 并 加 热 至 所需 温 度 后 加 人纯金 属秘 试料 (含 秘量 > 9 . 5% ) , 挥 发 一定 时 间后 浇 样或 出钢 . 挥 发 时间从 向钢液加 人 秘 至取 样或 出钢 完毕 为止 . 挥 发过 程温 度 由 “ 铂 锗 30 一 铂 锗 6" 热 电偶 测 量 . 研究 不 同 的 秘 加 人 量 、 气相 压力 、 挥 发温 度及 挥发 时 间对钢 中残余秘含 量 的影 响 . 2 试验 结果及讨论 .2 1 秘的 回收 率 图 1 为真 空感 应熔 炼过 程 中 当充人 4 x 10 4 P a 氢 气 、 钢液温 度 为 1 56 0 ℃ 、 挥 发 时 间 为 7 而n 向钢 水加 人纯秘 情况 下 , 秘 的 加入量 C 侧 。 与残余含 量 c 侧 。之 关 系 , 结 果 表 明 两 者 接 近 直 线 关系 . 秘 的回 收 率约 为 .7 54 % . 可见 , 向钢 水加 秘时 出现 很大 的挥 发损 失 . .2 2 气相 压 力对秘挥发 的影响 实验 研究 了 1 56 0 ℃ 、 8 . O0 x 10 2 P a 一 8 . 6 7 x 10 4 P a 氢 气 条 件 下 加 秘 后 钢 液 中 秘 浓 度 随 时 间的变 化 , 见 图 2 . 图中虚 线 为钢 液 面 存 在 3 0 9 覆 盖 渣 (8 0 % C a F Z + 20 % C a O ) 的情 况 . t = O 时各 炉秘 的加 人量 均为 c 侧 。 = .0 0 0 6 7 % · 可见 , 纯秘 加人 钢 液后 的挥 发 实 际可分 为 两个 阶段 · 第 1 阶段 ( 图 中 t = 0 一 18 05 ) , 由于 秘 的熔 点低 ( 2 71 ℃ ) , 加人 量 少等 因 素 使 其 加 人 后 立 即 在 钢 液面 附近 熔化 , 这 时熔 化 区 的秘含 量大 大高于 C 叶 a] , 引起 短 时 间 内秘 的 大 量 挥 发 . 随着 气 相 压 力 的 降低 , 钞在 这 一段 时 间内的挥 发程 度加 剧 . 第 2 阶段 ( 图 中 t > 18 0 5) , 经 过 钢 液 流动秘 已 基本 在 整个熔 池均 匀分 布 , 此 时的 c 侧 与时 间 t 有对 数关 系 , 见 式 (l ) 一 ( 5) · 工 业 生 产 中 钢 液 内的痕量 杂质 元 素可 以 认 为是均 匀分 布 的 , 故 本 文着重 研究 这 一情 况 下 的挥 发 . p = 8石7 火 10 ` p a gl C 旧 , ] . = 一 2 · 6 4 7 一 4 · 2 8 1 x 10 一 ` t ( l ) p = 4 刀0 X 10 ` p a ]g C , , ] , = 一 2 · 8 9 8 一 4 · 4 5 8 X 10 一 ` t ( 2 ) p = 1 · 0 7 X 10 ` p a lg C 田, ] = 一 3 · 1 24 一 5 · 7 7 0 只 10 一 ` t (3) p 一 8 · 0 X 10 , p a lg C 匹 J ` 一 3 · 5 5 2 一 l · 0 5 3 x 10 一 , t (4 ) 有顶渣 , p = 8乃o X l o Z p a l g C 田 [一 3 · 5 34 一 5 · o o 6 x 10 一 ` t ( 5) 各式 中 t > 18 05 , C 侧 为 质 量 百分含 量 . 图 2 反 映 出气 相 压力在 一定 范 围变化 时 , 对秘 的挥 发过程 存 在 明 显 影 响 , 压 力 减 小 加 速 秘 的挥发 ; 而 钢液表 面 存在覆 盖渣 时 则减慢 了秘 的挥发 速度 . .2 3 钢液温度对秘挥发 的影 响

521· 于月光等：真空感应培炼过程中微量B的挥发 Vol.16 No.6 图3为P=4×10Pa氩气压力、钢液温度1540℃~1610℃条件下，钢液加铋并在熔 池中均匀后C啊随时间t的变化规律.回归方程为： T=1813K lgC=-3.026-4.296×10-4t (⑤ T=1833K 1gCm.=-2.898-4.458×10-4t (7) T=1863K lgC.=-3.056-7.152×10-4t (8) T=1883K gC周=-3.091-8.370×104t (9) 2 T=1833K 0 P=4x10 T=1833K 20 .1■420g -3 + CA 10 -0.068 =0.074C C ● 0L 0 40 80 120 160 C1周.，×10-*% 0 240480720960 t/s 图1所加入量与钢中残余含量的关系 图2钢液中含量随挥发时间的变化 Fig.1 Dependence of remant content on adding :&67×10P;z4.00×10P;31.07×10P quantity of trace bismuth 4:800×102P;虚线：800×10P有覆盖渣 Fig.2 Loss of bismuth from molten steel 2.4挥发过程的控制环节 100 (1)铋在气相边界层中的传质系数 P=4×10Ph 根据微量元素在钢的真空感应熔炼过程限 制性环节的讨论4~可，设铋在气相边界层的 扩散为控制环节（其传质系数为K,),且气相 O[x 10 中铋的分压P≈0，那么有： C./Cm:.,=exp[-100K,AyP(t-t) /∑nGRT] (10) 当P=8.67×10Pa时，由方程(1)知：t,=180s 180 420660900 CB,=0.0189%;t=840s,C=0.00099%；又 ts y°=1，P°=4.89×10PaW.n=1.814mol, G=9200g,T=1833K,A=86.59cm2,R=8.315 图3含量随挥发时间的变化 1:1540℃；上1560℃：31590℃；1610℃ ×10Pa·cm3K·mo1,代入(10)式，得： Fig.3 Loss of Bi from molten steel at various K4=592.6cm,s.同样可求得其他压力条件下K4 temperatures

· 5 2斗 · 于 月 光等 : 真空 感应熔炼过程中微 量 Bi 的挥发 V b l . 1 6 N 0 . 6 图 3 为 尸= 4 x 104 P a 氢气压力 、 钢液温度 1 54 0 ℃ 一 1 6 or ℃ 条 件下 , 钢 液 加秘并 在熔 池 中均 匀后 C 同 . 随时 间 t 的变化规律 · 回归方程为 : T = 1 s l 3K l g C 因 = 一 3 · 0 2 6 一 4 · 2 9 6 x 10 一 ` t ( 6 ) T = 1 83 3K gl C 固 一 2 . 8 9 8 一 4 . 4 5 8 x 10 一` t (7 ) T = 1 86 3K gl C 固 一 3 · 0 5 6 一 7 · 15 2 x 10 一 4 t ( 8) T = 1 8 83K gl C 困 ]一 3 · 0 9 1 一 8 . 3 7 0 x 10 一 4 t (9 ) 一 ù 4呢争 %ù甘斗(玄 } P = 4 x 1’0 卜 1即K `4乙 一 ` 厂 。一Vx画 .ù - , 20 9印 ù . U 引卜口f 48 . 40 “n `, c 一间 . , x 10 一 4 .0/ 圈 1 1 加入 , 与钢 中残余含且的关 系 瑰 . I kL 钾 d 图沈 of ” 日 1. 口 t 0 . . 习 t二苗呢 卿四勿 of 臼. 沈 恤 . 州由 图 2 钢液中 残 含最随挥 发时间的变化 l : & 价 x 10 ` 瓶 去 .4田 x 10 ` 耽 及 i .07 x i o ` 甩 :4 压加 x lo ,瓶 虚线 : 技田 x 1’0 h 有 , 盖渣 瑰 Z L 更` of 恤翻叫由 示翔 1 Il d 胜” 成日日 .2 4 挥发 过程 的控 制环节 p气 二 4 x l护h l 孟 今 了岁。[。x:芭 ( l) 秘在 气相边 界层 中的传质系数 根 据微量元 素在钢 的真 空感应熔 炼过程 限 制性 环 节 的 讨论 4[ 一 司 , 设 秘在 气相边 界 层 的 扩 散 为控 制 环 节 (其 传质 系数为 K 4 ) , 且 气 相 中秘 的分压 尸 七 0 , 那么有 : C I B : 卜 2 / C 旧 ; ]一 e x p [一 1 o o K 4 A 下 ’ p 。 ( t Z 一 t , ) /艺 n G 尺 刀 ( 10 ) 当p = 8 . 6 7 x 10乍a 时 , 由方程 ( l ) 知 : t l 二 18 0 5 伟 】 ; , = o · 0 18 9 % : t Z = 8 4伪 , 你 , 。 = 0 · 00 99% ; 又 下 “ = l , P “ = 4 . 8 9 x 10 4 P a [刀 , 艺 n = l . s l 4mo l , G = 9 2 0 9 , T = 1 8 3 3K , A = 8 6 . 59mr 早 , R = 8 . 3 1 5 x I O 6 P a · cm ’从 · mo l , 代 人 ( 10 ) 式 , 得: 凡 二 59 2 . 6 nCt s/ . 同样 可求得 其 他压力 条件下 K 4 1 80 4 2 0 6印 以洲】 图 3 且 含t 随挥 发时 间的 变化 l : 1 5喇】 亡 ; 去 1 5日) oC ; 1 1 夕男) ℃ ; 众 1 61 0 ℃ 瑰3 1力留 of 且 自阅 , n怕 Iat l , 。日 at ~ 忱 m伴 m ot n污

1994年No.6 北京科技大学学报 ·525 亦处于102~103cm/s数量级，显然远大于液相边界层中的传质系数（一般为10-2cms数量 级)，故铋在气相边界层中的扩散并非挥发过程的控制环节， (2)界面挥发反应及液相边界层扩散混合控制的传质系数 挥发过程液/气界面挥发反应及液相边界层中扩散混合控制时9， Ig CIB,=1gC Bn.-(KA/2.303 V)t (11) 利用(11)式及(1)~(4)式且V=G/p=1314.3cm,求得Ka值，见图4.因此，在T=1833K, 8.00×102Pa≤P≤8.67×104Pa范围，有近似关系（图中实线）： 1gK3=-0.867-0.200gP即Ka=0.136P-a2 (12) 在气相压力很低的情况下，界面挥发反应为分子蒸发过程，其传质系数达最大值，由式 (13)给出8： K,=[xy°P1(2元RTM)2(100/p∑n) (13) x=1,y°=1，铋分子量M=209,代人有关参数可得：K3=0.272cms.可见实验压力范围内 K,<0.272cs,结合图4可知Ka、K、K,值相差在一数量级以内，证明挥发过程确为界面反 应及液相边界层扩散混合控制， 由结果可得P=8.00×102Pa,T=1833K时K3=3.68×10-2cm/s(见图4劣而相同温 度、压力条件下当钢液面存在熔渣时，K3=1.75×10-2cm/s.这可能是无渣时存在的界面挥 发反应B1]→Big)在有渣条件下已被另一过程所取代：在渣钢界面B1→(B),铋进人渣相 边界层后经扩散、对流至渣/气界面发生反应(B)→Bg),最终铋蒸气进人气相，而这一过 程中的某一环节传质系数低于无渣时的K,值所致， 对钢液温度在1540℃~1610℃变化的情况可作与压力影响类似的计算与讨论，证明 挥发亦受界面反应及液相边界层中扩散混合控制，K值见图5，近似关系为： lgK3=6.727-1.555×10/T即K3=cxp(15.492-3.582×10/D (14) 8 T=1833K 6 P=4×10P 二月 4 月4 3 + 2 5.2535.45.55.6 102 10° 10° 1/T×10'K- P/Pa 图4K,随气相压力的变化 图5K,随钢液温度的变化 Fig.4 Dependence of K on gas pressuer Fig.5 Dependence of K on temperature of molten steel

1(尧辫 年 N 6 . 6 北 京 科 技 大 学 学 报 亦处弓 10 ’ 一 10 , 曲 / s 数量级 , 显然远 大于 液相 边界层 中的传质系 数 (一般 为 1-0 2 mr S/ 数量 级 ) . 故 秘在气相 边界 层 中的扩散 并非 挥发 过程 的控 制环 节 . (2 ) 界面 挥发反 应及 液相边 界层 扩散混合控 制 的 传质 系 数 挥发过 程液 /气界 面挥 发反 应及 液相边界 层 中扩 散混 合控 制 时网 , gl 伟 i! , = lg 味 i〕一 (K 二 · A / 2 · 3 0 3 均 t ( 1 1) 利 用 ( 1 1) 式及 ( l ) 一 ( 4 ) 式且 V = G P/ = 13 14 . 3 cm ’ , 求得 凡 值 , 见 图 4 . 因此 , 在 T = 18 3 3K , 8 . X() x l o , P a ( p 簇 8 . 6 7 x lO 4 Pa 范 围 , 有 近似 关系 (图中实 线 ) : lg K 二 = 一 0 . 8 6 7 一 o . Zo lg p 即 K 二 = o . 1 3 6 p 一。 , ( 12) 在气相 压 力 很低 的情 况下 , 界 面 挥 发反 应 为分 子 蒸 发 过 程 , 其传质 系数 达最 大 值 , 由式 ( 13 ) 给 出[叼 : 犬 3 一 [ : , 。 尸 o/ ( 2 二 R翎 ) , `, ]( 1 0 0 2 。艺 n ) ( 1 3) : 二 1 , 7 “ = 1 , 韧 分 子 量 M = 209 , 代 人 有 关 参 数 可 得 : K 3 = .0 27 2 nCI s/ . 可 见 实 验压 力 范 围 内 K 。 < .0 27 2 mC / s , 结 合 图 4 可知 K 23 、 凡 、 K Z 值相 差在 一数 量级以 内 , 证明挥 发过程确 为界 面反 应 及 液相边界 层扩散 混合 控制 . 由结 果 可 得 p = .8 0 x l护 aP , T = 1 8 3 3K 时 K 二 = .3 68 x lo 一 nCI / s ( 见 图 4) ; 而 相 同温 度 、 压力 条件下 当钢液 面存在 熔渣 时 , 凡 = 1 . 75 x 10 “ “ 曲/ 5 . 这可 能 是 无 渣 时 存 在 的界 面 挥 发反 应田i] ~ iB 德) 在有渣 条件 下 已 被另一 过程 所取代 : 在渣 钢 界 面 田i] ~ (iB ) , 秘 进 入 渣 相 边界 层后 经扩 散 、 对流至渣 / 气界 面发生反 应 ( iB ) ~ iB 德) , 最终 秘蒸气进 入气相 , 而 这 一过 程 中的某 一环节 传质 系数低 于无渣 时 的 K 3 值 所致 . 对钢 液温 度在 1 540 ℃ ,一 1 61 0 ℃ 变 化 的情 况可 作 与压力 影 响类似 的计算与讨论 , 证明 挥发 亦受 界面反 应及 液相边 界层 中扩 散混合控 制 . K 23 值 见 图 5 , 近 似 关系 为 : l g K 二 = 6 . 7 2 7 一 l . 5 5 5 x l o 4 / T 即 K 二 = ex p ( 15 . 4 9 2 一 3 . 5 8 2 X l o 4 / 乃 ( 14 ) , _ { 、 1,司} } } l } 侧 ’l\ 八门矛;6O」尸 s目/ ?。一、才 者 T= ! i即 K 泛g ?。一x 5 . 2 5 . 3 5 . 4 5 . 5 5 . 6 l / T x 10 4 K 一 ’ P /入 图 4 凡随气相压力的变化 瑰月 1翔娜白联 J 凡 佣 罗 s 户妞 . 心 图 5 凡 随钢液温度的变化 瑰 5 块钾山耽 of 凡 阅 加 m碑犯恤℃ 度 . 协如习 创已

·526 于月光等：真空感应熔炼过程中微量B的挥发 Vol.16 No.6 2.5钢液中铋浓度的计算式 中性气氛下钢液中铋挥发过程有： (I/A)dC/d)=-(K/C即：C=Cexp(-KA/W） (15) 式中：C圆，开始挥发时钢液中的Bi浓度；C陶，经t时间挥发后钢液中的Bi浓度， 根据(12)、(14)式进行参数转换可得： Ka=7.804Po2exp(15.492-3.582×10/T) (16 故，当挥发过程受界面反应及液相边界层中扩散混合控制时，代入(15)式，得： C,=C,exp[-7.804(A/V)P-02exp(15.492-3.582×10/T)1 (17) 对向钢液中加铋的情况，开始时间应从铋在钢液中基本分布均匀后算起， 我们利用(17)式计算压力在4×10*Pa、1560℃条件下t=420s时钢液中Bi的残留 比率为： CB,/C1B,=0.636 比较图1的实验结果可知，向钢液中加纯铋时铋的损失主要发生在其刚加入后未在钢水中 混匀的短时间内，这时因铋在钢液表面的快速熔化，导致局部区域金属液中铋含量很高，从 而引起铋在短时间内的大量挥发损失·而随后经钢液流动使铋在熔池分布基本均匀后的挥发 速度则较之低得多· 3结论 (1)真空感应熔炼过程氯气压力4×10Pa、熔池温度1560℃、挥发时间为7min 时向钢液中加纯铋的收得率为7.54%，铋刚加入钢液时的挥发速度显著大于铋在钢液中混匀 后的挥发速度. (2)在8.00×102Pa≤P≤8.67×10Pa,1540℃≤T≤1610℃条件下，钢液中Bi 的挥发过程受液/气界面的挥发反应及液相边界层中的扩散混合控制，K:(16)式计算.钢液 中含Bi浓度为C,时，经t时间挥发后其浓度由()式计算. 五二研究所孙文山、罗铭骑等同志对实验工作给予了帮助，特此致谢. 参考文献 1 Liungstrom L G.The Influence of Trace Elements on the Hot ductility of Austenite 17Cr13NiMo-steel. Scand J Metallurgy,1977.6(4):176 2 Norstrom LG.A Comment on'The Influence of Trace Elements on the Hot Ductility of Austenite 17Cr- 13NiMo-steel.Scand J Metallurgy,1979.8(2):95 3叶谋城，洪波.710钢中微量杂质元素与回火脆性.兵器材料科学与工程，1989(10：37 4 Ward RG.Evaporation Losses during Vacuum Induction Melting of Steel.JISI,1963,201(1):11 5 Fu J,Wang H,Wang D,Chen E P.Kinetics of Magnesium Evaporation during VIM VAR of a Nickel-base Superalloy.Proc of 7th ICVM,Tokyo.Japan,1982.1266 6于月光，陈伯平，王玉刚，傅杰.钢真空感应熔炼过程中痕量元素挥发的动力学.北京科技大学学报。 1993,156:549 7戴永年，赵忠.真空冶金.北京：冶金工业出版社，1988.105

于 月 光等: 真空感应熔炼过程 中微量 Bi 的挥发 V 6 1 . 16 N o . 6 . 2 5 钢液中秘浓 度的计算式 中性 气氛下 钢液 中秘 挥发过程有:s[ ( l A/ ) d( 味 J / d )t = 一 K( /均 咔 } 即 : 味 i ; = 味 ; e x p ( 一 K A /V )t ( 15) 式 中: 临 、 开 始挥 发时 钢液 中的 Bi 浓度 ; 吼 il , 经 t 时间挥 发后 钢液 中 的iB 浓 度 · 根据 ( 12) 、 ( 14 ) 式进 行参数转换 可 得: 凡 = 7 . s o 4 p 一 a , ex p ( 15 . 4 9 2 一 3 . 5 82 X 1 0 4 / T ) ( 16 ) 故 , 当挥 发过 程受界 面反 应及 液相边界层中扩散混 合控制 时 , 代人 ( 1 5) 式 , 得 : 伟 。 = 伟 1 。 。 ex p [ 一 7 · 8 0 4 ( A /V) p 一 众, ex p ( 15 · 4 9 2 一 3 . 58 2 X 10 ` / T ) t] ( 1 7) 对向钢液 中加秘 的 情况 , 开始 时 间应从秘在 钢液 中基 本分布 均匀后算 起 . 我们利用 ( 17 ) 式计算 压力在 4 x 10 4 aP 、 巧 60 ℃ 条件 下 t ! 4 205 时 钢 液 中 iB 的 残 留 比率 为: C [B i ] / C I B i ] = o · 6 3 6 比较 图 1 的实验 结果 可 知 , 向钢液中加纯秘 时秘的损失 主要发生 在 其刚 加人 后 未 在 钢 水 中 混匀 的短 时 间 内 . 这 时 因秘在钢 液表面的快速熔化 , 导致局 部 区域 金属液 中秘含 量很高 , 从 而 引 起秘在短 时 间 内的大量 挥发损失 . 而 随后 经钢液 流动使秘在 熔池分 布基 本均 匀后 的挥发 速度 则较 之低 得多 . 3 结论 ( l) 真 空感 应熔 炼过 程 氢 气压力 4 x I O 4 P a 、 熔 池 温 度 巧 60 ℃ 、 挥发 时 间 为 7 1拍11 时 向钢 液 中加纯 秘 的收得 率为 7 . 54 % ; 秘刚加人钢液 时 的挥 发速度显 著大于秘 在钢 液 中混 匀 后 的挥 发 速度 . (2 ) 在 8 . 0 x 10 2 P a ( P 簇 8 . 6 7 x 10 4 P a 、 1 54 0 oC 蕊 T 毛 16 10 ℃ 条件 下 , 钢 液 中 B i 的挥 发过 程受液 /气界 面 的挥 发反应及液相边界层 中的扩 散混合控 制 , K 23 由( 1 6) 式 计算 . 钢 液 中含 iB 浓度 为 C 队 时 , 经 t 时间挥发后其浓度 由( 17) 式计算 · 五二 研 究所孙文 山 、 罗 铭蔚等同志对实验工 作给予了帮助 , 特此致谢 . 参 考 文 献 LI L nI 多 tDI m L G . 卫 l e Infl u e n c e of T份 C E』e r 犯 n st on het oH t d u Ct 且iyt of 人` 忱们 let 1 7C r 1 3N 洲。 一 s州 . 及乏 n d J M e at ll u 」卫y , 19 7 7 , 仅4 ) : 176 N o rs tID m L G . A 肋m l 们` n t on ` 丁石e Infl 飞犯幻 c e of T ar 优 E l e lne n ts on t he oH t D u e ti】ity of A 比记 n l te 1 7C 卜 13N 正d o 一 s te l . Sca dn J M e atl Lir gy , 1979 , 8(2) : 95 叶谋城 , 洪 波 . 71 0 钢 中微量杂质元 素与 回 火脆性 . 兵 器 材 料科学与 工程 , l 9 8 9( 1:0) 37 Wa川 R G . E va op art io n L DS s巴 d ur 铂9 V a c u 切爪 Idn L` tio n M el tin g of s te l . 那I , 1% 3 , 20 l( ) 二 n F u J , 叭厄吃 H , w a n g D , C 比11 E P . 构 n e t此 o f M a gn es i tn E va op ar iot n d u朽n g V IM & V A R o f a N i c k e l一 h 达e S u pe ar l o y . P 代尤 o f h7t IC丫M , oT k yo , aJ p呱 198 2 . 1 26 于 月光 , 陈伯平 , 王 玉 刚 , 傅杰 . 钢真空感应熔炼过程 中痕量元素挥发的动力学 . 北京科技大 学学报 , 1卯3 , 1又咏 弘9 戴永 年 , 赵忠 . 真空 冶金 . 北 京: 冶金工 业 出版社 , 198 . 105