166 北京科技大学学报 第33卷 钢中氧及非金属夹杂物对钢的性能影响很 表120 CrMoH钢液各元素亨利活度系数f(1873K) 大，冶炼过程中，在降低钢中氧含量的同时，应尽 Table 1 Henry activity coefficient of each element in 20CrMoH liquid 可能控制钢中残留非金属夹杂物的形貌、尺寸、变 steel 形性能，即获得尺寸小、分布均匀、球形、硬度较小 元素i C Mn Al Ca 0 Mg 的非金属夹杂物.控制非金属夹杂物的种类、形态 1.03990.97701.18501.10000.07180.36880.9435 则是通过脱氧工艺及精炼工艺控制来实现的.本 文利用热力学计算软件Factsage对钢中氧含量及 1.2 Ca0SiO2-A山，03-Mg0系非金属夹杂物与 夹杂物控制进行了热力学计算分析，结合炼钢装 钢液反应 备及工艺条件开展了工业试验，生产出了高质量 首先利用Factsage软件中多元多相平衡计算模 齿轮钢 块计算在Ca0Si02-Al,03-Mg0系中，1873K平衡 时组元Ca0、Al,03、Mg0和SiO2的等活度线，用于 1热力学计算 Ca0Si02-AL,0,Mg0系非金属夹杂物与钢液反应 1.1计算条件 平衡热力学计算 以20 CrMoH齿轮钢为例进行计算，其典型成分 考虑到溅渣护炉及钢包衬均可带给钢包渣一定 (质量分数)为：C0.20%,Si0.27%,Mn0.77%,P 量的Mg0,本计算分析当Ca0Si02-Al203-Mg0系 0.015%.S0.003%,Cr1.05%.Mo0.20% 非金属夹杂物与钢液反应达到平衡时钢液组元 采用文献[1一4]报道的元素相互作用系数数 [Al]、[O]、[Ca]、[Mg]的含量，得出为将钢液中氧 据，与计算相关的元素亨利活度系数按式(1)计算， 含量控制在较低水平，钢中非金属夹杂物成分的控 活度按式(2)计算，与热力学计算相关的化学反应 制范围，在计算中分别固定Mg0的质量分数为5% 自由能变化取自文献[5-12]. 和10%. 1.2.1等[Al]线 =合[%]+A [%j]2+ 钢液中[Al]与非金属夹杂物中SiO2的反应 如下： [%j][%k] (1) 4[Al]+3(Si02)=2(Al203)+3[Si], 式中，和分别为钢液中元素i与j活度的一阶和 △G°=-658300+107.2T,Jmol-1(3) 二阶相互作用系数. 由式(3)可以得出钢液中的等铝线，见图1.从 a=f[%i] (2) 图1看出，当00=5%时，在低熔点区域1，与 式中，f是元素i的活度系数，[%]是i的质量分 Ca0SiO,一AL,0,Mg0非金属夹杂物平衡时的钢液 数，计算结果见表1. 中铝含量不超过0.0010%，而在低熔点区域2‘，与 IAIVIO-* Al/10-6 5i0 1C一0,2Si一0.27% sio. 1=0.2%i1=0.27% Eva=5% 1Ma=0.77%lCr=1.05% 10择 11n0.77%1Cr1.05% 0.9 1P=0.015%1S=0.03% 0.9 0.1 I=0.0159%的=0.0039% 0.3 0 1M0.2% 0.8 0.2 Ml=02 0.7 0.3 07 0.3 S0,的质量分数 0.6 0.4 f04 03 0.5 03 0.5 0.4 0.6 10、 0.4 0.6 0.3 07 03 07 02 0.8 0.2 0.8 0.1 2、 0.9 20 0.90.80.70.60.50.403.2.14l,0 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Al,0 Ca0约贞量分数 C0的质量分数 图1钢液与Ca0-SiO2一A山203-Mg0非金属夹杂物平衡时的等[Al]线 Fig.1 Iso-activity lines of [Al]when the liquid steel balances with the Cao-$i0,Al,O:Mgo system non-metallic inclusions北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 钢中氧及非金属夹杂物对钢的性能影响很 大，冶炼过程中，在降低钢中氧含量的同时，应尽 可能控制钢中残留非金属夹杂物的形貌、尺寸、变 形性能，即获得尺寸小、分布均匀、球形、硬度较小 的非金属夹杂物． 控制非金属夹杂物的种类、形态 则是通过脱氧工艺及精炼工艺控制来实现的． 本 文利用热力学计算软件 Factsage 对钢中氧含量及 夹杂物控制进行了热力学计算分析，结合炼钢装 备及工艺条件开展了工业试验，生产出了高质量 齿轮钢． 1 热力学计算 1. 1 计算条件 以 20CrMoH 齿轮钢为例进行计算，其典型成分 ( 质量分数) 为: C 0. 20% ，Si 0. 27% ，Mn 0. 77% ，P 0. 015% ，S 0. 003% ，Cr 1. 05% ，Mo 0. 20% ． 图 1 钢液与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的等［Al］线 Fig． 1 Iso-activity lines of ［Al］when the liquid steel balances with the CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO system non-metallic inclusions 采用文献［1--4］报道的元素相互作用系数数 据，与计算相关的元素亨利活度系数按式( 1) 计算， 活度按式( 2) 计算，与热力学计算相关的化学反应 自由能变化取自文献［5--12］． lgfi = ∑ n j = 2 e j i ［% j］+ ∑ n j = 2 r j i ［% j］2 + ∑ n j = 2 ∑ n k = 2 j ＜ k r j，k i ［% j］［% k］ ( 1) 式中，e j i 和 r j i 分别为钢液中元素 i 与 j 活度的一阶和 二阶相互作用系数． ai = fi ［% i］ ( 2) 式中，fi 是元素 i 的活度系数，［% i］是 i 的质量分 数，计算结果见表 1． 表 1 20CrMoH 钢液各元素亨利活度系数 fi ( 1 873 K) Table 1 Henry activity coefficient of each element in 20CrMoH liquid steel 元素 i C Mn Si Al Ca O Mg fi 1. 039 9 0. 977 0 1. 185 0 1. 100 0 0. 071 8 0. 368 8 0. 943 5 1. 2 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系非金属夹杂物与 钢液反应 首先利用 Factsage 软件中多元多相平衡计算模 块计算在 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系中，1873 K 平衡 时组元 CaO、Al2O3、MgO 和 SiO2 的等活度线，用于 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系非金属夹杂物与钢液反应 平衡热力学计算． 考虑到溅渣护炉及钢包衬均可带给钢包渣一定 量的 MgO，本计算分析当 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系 非金属夹杂物与钢液反应达到平衡时钢液组元 ［Al］、［O］、［Ca］、［Mg］的含量，得出为将钢液中氧 含量控制在较低水平，钢中非金属夹杂物成分的控 制范围，在计算中分别固定 MgO 的质量分数为 5% 和 10% ． 1. 2. 1 等［Al］线 钢液中［Al］与非金属夹杂物中 SiO2 的反应 如下: 4［Al］+ 3( SiO2 ) = 2( Al2O3 ) + 3［Si］， ΔG— = － 658 300 + 107. 2T，J·mol － 1 ( 3) 由式( 3) 可以得出钢液中的等铝线，见图 1． 从 图 1 看出，当 wMgO = 5% 时，在低熔点区域 1'，与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的钢液 中铝含量不超过 0. 001 0% ，而在低熔点区域 2'，与 ·166·