季莎等：钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 831 (a) No.T.Ca/10-6 (b) No.T.Ca/10- 1873 K liquidus 0久100 13 1873 K liquidus 0入100 3 _.--1673 K liquidus 2 14 6 123 16 45 1 17 80 20 80 45 67 23 29 678 40 60 40 60 w(CaOy% gO) w(Caoy% 60 40 60 图相回 80 20 80 ⑧ G雨 回 100 100 20 40 80 20 40 60 80 10 W(ALOV W(ALO 图11不同T.Ca含量条件下钢中非金属夹杂物成分分布.(a)Al2O3Mg0CaO三元相图：(b)Al2O,CaS-CaO三元相图 Fig.11 Distribution of nonmetallic inclusions in steel with different T.Ca:(a)Al2O,MgO-CaO;(b)AlO:CaS-CaO 70 液中T.Ca质量分数小于17×106范围内，钢中非金 60 属夹杂物的平均尺寸、最大尺寸以及数密度等参 50 -Mgo ★-S0 数均较低，钢液的洁净度相对较高.当钢中 40 T.Ca质量分数高于17×106后，钢中生成大量高熔 30 点Cas型夹杂物，夹杂物的平均成分远离低熔点 20 区域，不利于浇铸过程的顺利进行.结合前文中夹 杂物平均成分的变化，可以得到齿轮钢中合理 钙处理的钢中T.Ca质量分数上限是17×106的 12 141618202224262830 T.Ca in steel/10- 结论 图12T.Ca质量分数对钢中非金属夹杂物平均成分的影响 采用FactSage7.1热力学计算软件进一步研 Fig.12 Effect of T.Ca on the distribution of nonmetallic inclusions in 究不同T.Ca含量钢中非金属夹杂物固液相线温 steel 度变化，如图15所示，可以看出钢中T.Ca质量分 数小于17×106时，随着钢中T.Ca含量的增加夹 80 Dots:Experiment measurement Line:Thermodynamic calculation 杂物的液相线温度逐渐增加，当钢中T.Ca质量分 数高于17×106后，夹杂物的液相线温度均高于 o 2000℃.结合图12，钙处理后钢中T.Ca质量分数 40 控制上限在17×106，保持夹杂物的熔点较低有利 于浇铸过程的顺利进行，与文献[30]中报道的 20 0 20 CrMnTiH齿轮钢钙处理液态窗口具有良好的一 致性.作者所在梯队近期研究表明当夹杂物中液 6 8101214161820 相占20%以上就可以满足钢液在浇铸过程中不完 T.Ca added in steel/10 全堵塞水口的条件.图16为100%液相和20%液 因13实验结果与热力学理论计算的对比 相的夹杂物喂钙窗口的对比，从图中可以看出在 Fig.13 Comparison between experimental results and thermodynamic 当前钢液成分条件下，若将喂钙窗口扩大至 calculation 20%液相，最佳喂钙窗口从6×106~14×106扩大 可以看出理论计算与实验结果具有一致的转变趋 至0~40×106 势，但由于动力学条件的限制夹杂物的成分略有 区别 3结论 图14为不同T.Ca含量对钢中非金属夹杂物 (1)喂钙前钢液中T.Ca含量、喂钙速度、喂钙 的尺寸、数密度和面积分数的影响，结果表明当钢 量以及净空高度和渣厚对钙处理过程钙收得率具可以看出理论计算与实验结果具有一致的转变趋 势，但由于动力学条件的限制夹杂物的成分略有 区别. 图 14 为不同 T.Ca 含量对钢中非金属夹杂物 的尺寸、数密度和面积分数的影响，结果表明当钢 液中 T.Ca 质量分数小于 17×10−6 范围内，钢中非金 属夹杂物的平均尺寸、最大尺寸以及数密度等参 数 均 较 低 ， 钢 液 的 洁 净 度 相 对 较 高 . 当 钢 中 T.Ca 质量分数高于 17×10−6 后，钢中生成大量高熔 点 CaS 型夹杂物，夹杂物的平均成分远离低熔点 区域，不利于浇铸过程的顺利进行. 结合前文中夹 杂物平均成分的变化，可以得到齿轮钢中合理 钙处理的钢 中 T.Ca 质量分数上限 是 17×10−6 的 结论. 采用 FactSage 7.1 热力学计算软件进一步研 究不同 T.Ca 含量钢中非金属夹杂物固液相线温 度变化，如图 15 所示，可以看出钢中 T.Ca 质量分 数小于 17×10−6 时，随着钢中 T.Ca 含量的增加夹 杂物的液相线温度逐渐增加，当钢中 T.Ca 质量分 数高于 17×10−6 后，夹杂物的液相线温度均高于 2000 ℃. 结合图 12，钙处理后钢中 T.Ca 质量分数 控制上限在 17×10−6，保持夹杂物的熔点较低有利 于浇铸过程的顺利进行 ，与文献 [30] 中报道的 20CrMnTiH 齿轮钢钙处理液态窗口具有良好的一 致性. 作者所在梯队近期研究表明当夹杂物中液 相占 20% 以上就可以满足钢液在浇铸过程中不完 全堵塞水口的条件. 图 16 为 100% 液相和 20% 液 相的夹杂物喂钙窗口的对比，从图中可以看出在 当前钢液成分条件下 ，若将喂钙窗口扩大 至 20% 液相，最佳喂钙窗口从 6×10−6～14×10−6 扩大 至 0～40×10−6 . 3    结论 （1）喂钙前钢液中 T.Ca 含量、喂钙速度、喂钙 量以及净空高度和渣厚对钙处理过程钙收得率具 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 w(CaO)/% w(MgO)/% 1873 K liquidus 1673 K liquidus (a) w(Al2O3 )/% 123 4 6 7 5 8 No. T.Ca/10−6 1 13 2 14 3 16 4 17 5 19 6 22 7 23 8 29 w(CaO)/% w(CaS)/% 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 1873 K liquidus 100 (b) w(Al2O3 )/% No. T.Ca/10−6 1 13 2 14 3 16 4 17 5 19 6 22 7 23 8 29 4 8 6 7 3 5 2 1 图 11    不同 T.Ca 含量条件下钢中非金属夹杂物成分分布. （a）Al2O3 ·MgO·CaO 三元相图；（b）Al2O3 ·CaS·CaO 三元相图 Fig.11    Distribution of nonmetallic inclusions in steel with different T.Ca: (a) Al2O3 ·MgO·CaO; (b) Al2O3 ·CaS·CaO 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0 10 20 30 40 50 60 70 Component of oxide inclusions/ % T.Ca in steel/10−6 SiO2 CaO CaS MgO Al2O3 图 12    T.Ca 质量分数对钢中非金属夹杂物平均成分的影响 Fig.12    Effect of T.Ca on the distribution of nonmetallic inclusions in steel 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 20 40 60 80 Component of oxide inclusions/ % T.Ca added in steel/10−6 Dots: Experiment measurement Line: Thermodynamic calculation SiO2 CaO CaS MgO Al2O3 SiO2 CaO CaS MgO Al2O3 图 13    实验结果与热力学理论计算的对比 Fig.13     Comparison  between  experimental  results  and  thermodynamic calculation 季    莎等： 钙处理对 20CrMnTiH 齿轮钢中非金属夹杂物的影响 · 831 ·