Vol.31 Suppl.1 姜桂连等：合金钢中镁铝尖晶石夹杂物生成与转化热力学 .93. 化成液态复合夹杂物所需要钙的含量越低 1 计算方法 FactSage热力学计算软件是以吉布斯自由能最 小方法进行化学平衡和相平衡计算的，钢液中镁铝 尖晶石夹杂物生成及转化的热力学计算是在相图模 Mgo(s) 块下完成的，在进行相图的数值计算时，为了得出 计算系统的自洽的描述，需要写出所有相的吉布斯 MgAl,O,(s) 自由能解析表达式，这些解析表达式以各种不同模 A10s) 型为基础，如规则或亚规则溶液模型、亚晶格模型、 缔合物模型或更加复杂的中心原子模型和集团变分 模型等.在计算时分别选择Fe一O一Al一Mg四元系 -4 ig[Al] 和Fe0一AI一MgCa五元系.对于FeO-Al一Mg 四元系确定Fe的质量分数为常数0.99，对于Fe一 图1Fe0一Mg一A1系中夹杂物的稳定区域图(1873K) O-Al-Mg Ca五元系确定Fe的质量分数为常数 0.99,确定Ca的质量分数分别为1×10-6、5×10-6 和10×10-6. MgO(s) 计算钙处理对钢液成分和夹杂物成分的影响时 10x104 MgALO,(s) 运用了平衡模块和绘图模块，运用平衡模块计算加 入不同钙时钢液与夹杂物的平衡，计算时将加入钙 [w]a1 5x10* 110 的量设为变量A,然后给出A的范围及变化的步 AlO(s) CaALO.(1q) 长，这样就能同时计算出多个平衡，利用绘图模块 CaALO,(q) 为计算结果作图，分别作出夹杂物成分和钢液成分 O(s) 与加入钙量的关系图. 4 IglAll 2计算结果与讨论 2.1镁铝尖晶石夹杂物形成热力学 图2 Fe-0-Mg A1Ca夹杂物的稳定区域图(1873K) 图1为Fe0一Mg一Al四元系中夹杂物的稳定 2.2钙处理对夹杂物成分及钢液成分的影响 区域图，由图1可以看出，钢液中[Mg]和[Al]的含 钢液中的钙加入量与液态夹杂物成分的关系如 量较低时也能形成Mg0·Al203夹杂物，并且随着钢 图3所示.由图3可知：当向钢液中加入1×10-的 液中[AI]含量的增大形成MgO·Al2O3夹杂物所需 Ca时，钢中的镁铝尖晶石已经转化成液态的复合夹 要[Al]的含量也增大，以合金钢3 DCrMo为例，当 杂物，液态复合夹杂物中Al2O3和Mg0的含量急剧 铝的质量分数为0.034%，Mg的质量分数超过 下降，Ca0的含量急剧增加.随着钙加入量的继续 1.3×10-6时，钢液中的夹杂物以镁铝尖晶石的形 增加，液态复合夹杂物中Al2O3和Mg0的含量继续 式稳定存在.图2为Fe0一Mg一ACa五元系中夹 降低，Ca0的含量继续增加，SiO2的含量很低，基本 杂物的稳定区域图，在计算中将含钙夹杂物具体为 保持不变，当加入10×10-6的钙时液态夹杂物中 Ca0,CaAl204和CaAl407三种物质，由图2可知： Mg0的质量分数为7.0%、Al203的质量分数约为 当钢液中铝质量分数小于2.5×10-4时，镁质量分 47.5%,Ca0的质量分数为44%，Si02的质量分数 数小于10×10-6：钢液中存在1×10-6钙时，钢液中 为1.5%.夹杂物中Ca0含量增加是因为加入钢液 的夹杂物以含钙铝酸盐的复合夹杂物形式稳定存 中的Ca与夹杂物反应进入夹杂物，MgO含量降低 在，对于30CrMo气瓶钢，钢中的铝质量分数为 是因为加入的钙还原了夹杂物中的Mg0, 0.034%,镁质量分数为0.0005%左右，当钢液中溶 图4为钢液中镁铝尖晶石夹杂物含量与钢液中 解钙的质量分数为1×10-6时，镁铝尖晶石就可以 钙加入量的关系，由图4可知：当向钢液中加入2× 转化变成液态的复合夹杂物，由图2还可以看出当 10一的钙时，钢液中的镁铝尖晶石夹杂物就能完全 钢液中的钙含量增加时，生成液态复合夹杂物的区 转化成液态的复合夹杂物. 域迅速扩大；钢液中铝的含量越低，将镁铝尖晶石转 图5和图6为向钢液中加入不同量的钙对钢液1 计算方法 FactSage 热力学计算软件是以吉布斯自由能最 小方法进行化学平衡和相平衡计算的．钢液中镁铝 尖晶石夹杂物生成及转化的热力学计算是在相图模 块下完成的．在进行相图的数值计算时‚为了得出 计算系统的自洽的描述‚需要写出所有相的吉布斯 自由能解析表达式．这些解析表达式以各种不同模 型为基础‚如规则或亚规则溶液模型、亚晶格模型、 缔合物模型或更加复杂的中心原子模型和集团变分 模型等．在计算时分别选择 Fe－O－Al－Mg 四元系 和Fe－O－Al－Mg－Ca 五元系．对于Fe－O－Al－Mg 四元系确定 Fe 的质量分数为常数0∙99‚对于Fe－ O－Al－Mg－Ca 五元系确定 Fe 的质量分数为常数 0∙99‚确定 Ca 的质量分数分别为1×10－6、5×10－6 和10×10－6． 计算钙处理对钢液成分和夹杂物成分的影响时 运用了平衡模块和绘图模块‚运用平衡模块计算加 入不同钙时钢液与夹杂物的平衡．计算时将加入钙 的量设为变量 A‚然后给出 A 的范围及变化的步 长‚这样就能同时计算出多个平衡．利用绘图模块 为计算结果作图‚分别作出夹杂物成分和钢液成分 与加入钙量的关系图． 2 计算结果与讨论 2∙1 镁铝尖晶石夹杂物形成热力学 图1为 Fe－O－Mg－Al 四元系中夹杂物的稳定 区域图．由图1可以看出‚钢液中［Mg ］和［Al］的含 量较低时也能形成 MgO·Al2O3 夹杂物‚并且随着钢 液中［Al］含量的增大形成 MgO·Al2O3 夹杂物所需 要［Al］的含量也增大．以合金钢30CrMo 为例‚当 铝的质量分数为 0∙034％‚Mg 的质量分数超过 1∙3×10－6时‚钢液中的夹杂物以镁铝尖晶石的形 式稳定存在．图2为 Fe－O－Mg－Al－Ca 五元系中夹 杂物的稳定区域图‚在计算中将含钙夹杂物具体为 CaO、CaAl2O4 和 CaAl4O7 三种物质．由图2可知： 当钢液中铝质量分数小于2∙5×10－4时‚镁质量分 数小于10×10－6 ；钢液中存在1×10－6钙时‚钢液中 的夹杂物以含钙铝酸盐的复合夹杂物形式稳定存 在．对于30CrMo 气瓶钢‚钢中的铝质量分数为 0∙034％‚镁质量分数为0∙0005％左右‚当钢液中溶 解钙的质量分数为1×10－6时‚镁铝尖晶石就可以 转化变成液态的复合夹杂物．由图2还可以看出当 钢液中的钙含量增加时‚生成液态复合夹杂物的区 域迅速扩大；钢液中铝的含量越低‚将镁铝尖晶石转 化成液态复合夹杂物所需要钙的含量越低． 图1 Fe－O－Mg－Al 系中夹杂物的稳定区域图（1873K） 图2 Fe－O－Mg－Al－Ca 夹杂物的稳定区域图（1873K） 2∙2 钙处理对夹杂物成分及钢液成分的影响 钢液中的钙加入量与液态夹杂物成分的关系如 图3所示．由图3可知：当向钢液中加入1×10－6的 Ca 时‚钢中的镁铝尖晶石已经转化成液态的复合夹 杂物‚液态复合夹杂物中 Al2O3 和 MgO 的含量急剧 下降‚CaO 的含量急剧增加．随着钙加入量的继续 增加‚液态复合夹杂物中 Al2O3 和 MgO 的含量继续 降低‚CaO 的含量继续增加‚SiO2 的含量很低‚基本 保持不变．当加入10×10－6的钙时液态夹杂物中 MgO 的质量分数为7∙0％、Al2O3 的质量分数约为 47∙5％‚CaO 的质量分数为44％‚SiO2 的质量分数 为1∙5％．夹杂物中 CaO 含量增加是因为加入钢液 中的 Ca 与夹杂物反应进入夹杂物‚MgO 含量降低 是因为加入的钙还原了夹杂物中的 MgO． 图4为钢液中镁铝尖晶石夹杂物含量与钢液中 钙加入量的关系．由图4可知：当向钢液中加入2× 10－6的钙时‚钢液中的镁铝尖晶石夹杂物就能完全 转化成液态的复合夹杂物． 图5和图6为向钢液中加入不同量的钙对钢液 Vol．31Suppl．1 姜桂连等： 合金钢中镁铝尖晶石夹杂物生成与转化热力学 ·93·