.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