.146. 北京科技大学学报 2009年增刊1 1.2TiN夹杂的析出 表3元素在Y下e与钢液之间的分配系数 TiN生成的热力学条件： C Si Mn Cr P S N Ti Al [Ti]+[N]=TiNs) 0.300.500.750.850.060.050.480.3- △G°=-290998+107.91T(Jmol-1k- (2) 按式(6)和(7)计算GCr15钢目标成分中各元 即： 素在Y下e和液相之间的偏析比与微区凝固率的关 lgK=15198/T-5.64 (3) 系如图2所示，可见，随着凝固率增加，成分偏析加 式中，T为温度，K;K为平衡常数 重，同时结合表2，可以看出，S、P、C对凝固偏析和 由元素的相互作用系数计算可知，Ti和N的活 降低固相线温度的影响最大，因此，应尽量降低其含 度系数对反应平衡式的影响很小，所以： 量，按式(6)和(7)计算的偏析比计算出目标成分下 lg[%Ti][%N]=-15198/T+5.64(4) 不同凝固率时固液界面液态钢液的各元素成分，据 当钢液在成分均匀、温度均匀的理想状态下，由 此按公式(1)计算出不同凝固率时固液界面液态钢 式(4)得到GCrl5钢TiN夹杂物析出的稳定性图， 液的固相线温度，再按式(5)计算出不同凝固率时 如图1所示，由图1可见，由于GCr15钢实际控制 TN析出稳定性如图3所示，由图可见，按目前生 [N]≤80×10-6（图1中黑线以下），因此在液相线 产实际控制水平，TiN夹杂在凝固率20%以上就将 温度以上不会析出TiN夹杂. 稳定析出，而按目标控制水平，凝固率达到50%以 上TiN夹杂才会析出，如[T]、[N]质量分数都控制 9000r 在10×10-5以下，则凝固率在80%以上才会析出 7500 TN夹杂.此时，由于析出时间晚，其尺寸也小，聚 s6000 集长大的倾向也就小，因此，应尽可能降低[T]、 TiN析出区 [N]含量. 8 3000 1500 101418222630 Ti/10 图1GCrl5钢目标成分液相线温度TiN析出的稳定性图 Si 2凝固过程分析 Mn 实际上钢液凝固过程中，溶质元素在固、液两相 Cr 间因溶解度不同将发生再分配，产生成分偏析，其结 0.2 04 0.6 0.8 1.0 固相率，g 果导致凝固前沿的液相线、固相线发生移动， TN析出物在钢液中溶解度随温度变化的函数 图2各元素在两相区的偏析比与微区域凝固率的关系 表达式如下刊： lg[%Ti][%N]=-13850/T+4.01 (5) 200 目标控制水平 根据质量守衡定律，当微区域凝固率为g时， 钢液中CPS、N、Ti的凝固偏析比为： 150 g=02 实际控制水平 [i]/[i]o=[1-(1-K)g]-1 (6) 100 Si、Mn,Cr的凝固偏析比为： g=0.4 [][]o=[1-g]K-1 (7) 50 8=0.6 式中：[门o、[门1分别为元素的原始质量分数和凝固 g=08 交界面液体中元素的质量分数，%；9为微区域凝固 10 14 18 2226 T可/10 率，%；K:为元素i在YFe与钢液之间的分配系 数，如表3所示可. 图3GC15钢不同凝固率下TN析出物稳定性图1∙2 TiN 夹杂的析出 TiN 生成的热力学条件［3］： ［Ti］＋［N］＝TiN（S）‚ ΔG 0＝—290998＋107∙91T （J·mol —1·k —1） （2） 即： lg K＝15198／T—5∙64 （3） 式中‚T 为温度‚K；K 为平衡常数． 由元素的相互作用系数计算可知‚Ti 和 N 的活 度系数对反应平衡式的影响很小‚所以： lg［％Ti］ ［％N］＝—15198／T＋5∙64 （4） 当钢液在成分均匀、温度均匀的理想状态下‚由 式（4）得到 GCr15钢 TiN 夹杂物析出的稳定性图‚ 如图1所示．由图1可见‚由于 GCr15钢实际控制 ［N］≤80×10—6（图1中黑线以下）‚因此在液相线 温度以上不会析出 TiN 夹杂． 图1 GCr15钢目标成分液相线温度 TiN 析出的稳定性图 2 凝固过程分析 实际上钢液凝固过程中‚溶质元素在固、液两相 间因溶解度不同将发生再分配‚产生成分偏析‚其结 果导致凝固前沿的液相线、固相线发生移动． TiN 析出物在钢液中溶解度随温度变化的函数 表达式如下［4］： lg［％Ti］ ［％N］＝—13850／T＋4∙01 （5） 根据质量守衡定律‚当微区域凝固率为 g 时‚ 钢液中 C、P、S、N、Ti 的凝固偏析比为［5］： ［ i］1／［ i］0＝［1—（1— Ki） g ］ —1 （6） Si、Mn、Cr 的凝固偏析比为： ［ i］1［ i］0＝［1—g ］ Ki—1 （7） 式中：［ i］0、［ i］1 分别为元素的原始质量分数和凝固 交界面液体中元素的质量分数‚％；g 为微区域凝固 率‚％；Ki 为元素 i 在γ—Fe 与钢液之间的分配系 数‚如表3所示［5］． 表3 元素在γ—Fe 与钢液之间的分配系数 C Si Mn Cr P S N Ti Al 0∙30 0∙50 0∙75 0∙85 0∙06 0∙05 0∙48 0∙3 — 按式（6）和（7）计算 GCr15钢目标成分中各元 素在γ—Fe 和液相之间的偏析比与微区凝固率的关 系如图2所示．可见‚随着凝固率增加‚成分偏析加 重．同时结合表2‚可以看出‚S、P、C 对凝固偏析和 降低固相线温度的影响最大‚因此‚应尽量降低其含 量．按式（6）和（7）计算的偏析比计算出目标成分下 不同凝固率时固液界面液态钢液的各元素成分‚据 此按公式（1）计算出不同凝固率时固液界面液态钢 液的固相线温度‚再按式（5）计算出不同凝固率时 TiN 析出稳定性如图3所示．由图可见‚按目前生 产实际控制水平‚TiN 夹杂在凝固率20％以上就将 稳定析出‚而按目标控制水平‚凝固率达到50％以 上 TiN 夹杂才会析出‚如［Ti］、［N］质量分数都控制 在10×10—6以下‚则凝固率在80％以上才会析出 TiN 夹杂．此时‚由于析出时间晚‚其尺寸也小‚聚 集长大的倾向也就小‚因此‚应尽可能降低 ［ Ti ］、 ［N］含量． 图2 各元素在两相区的偏析比与微区域凝固率的关系 图3 GC15钢不同凝固率下 TiN 析出物稳定性图 ·146· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1