第9期 王海涛等：帘线钢凝固过程中夹杂物析出 885 氧化物，随着凝固的进行夹杂物的成分可以转变 液态 液态 计算针对钢种为72A,化学成分（质量分数）为：C 固周态 0.7%:Si,0.3%:Mn,0.5%;Al,5X10-5:Ca,3× 氧化物 10-6:0,19×10-6. 固态 固态 氧化反应的热力学数据如下[8]： CL-C。 [Mn]+[O]MnO(ine) C 氧化物长大的服动力 △G9=-288100+128.3T: (3) [Si]+2[0]SiO2(nce) △Ge=-581900+221.8T; (4) 2[A1]+3[0]—Al203i) 距离 △G9=-1202000+386.3T; (5) 图2凝固过程中夹杂物析出和长大的示意图 [Ca]+[O]CaO(ine) Fig.2 Schematic illustration for the model of oxide precipitation △G8=-645166.67+148.77T. (6) and growth during solidification 式(3)~(5)给出△G并结合偏析模型式(1)和 L=688R。-0.36 (2)得出生成简单夹杂物的△G随着凝固分数的关 式中，R。为冷却速率，Kmin1. 系如图4所示， 凝固过程，钢液的温度用下式表示： 300 MnO T-Tm-(Tm-TL)/ 200 [1-f(TL-Ts)/(Tm-Ts)] (2) 100 式中，T为凝固过程中固液界面温度，K;Tm为纯铁 0 SiO, 的熔点，K;TL为钢水的液相线温度，K;Ts为钢水 -100 Al,O, 的固相线温度，K, -200 Cao 局部凝固时间t=(TL一Ts)/R。,根据式(1) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 和式(2)可以计算出凝固过程溶质元素的偏析，如 周相分数，人 图3，可以看出随着凝固的进行，偏析率越来越大， 图4冷却速度为100Kminˉ时生成不同氧化物的△G 0为极易偏析元素 Fig.4 AG of different oxides formed at a cooling rate of 100 K. 100 min1 0 80 从图4可以看出，凝固过程中先生成Ca0、 60 Al. Al203,再生成SiO2,由于假设钢种中钙含量（质量 出 40 分数为3×10-6)很少，并且钙在钢液中扩散速率很 Mn 低，所以不考虑Ca0的形成。文献[9]同样指出，不 20 Si 同顶渣处理后的钢水凝固过程中生成不同的氧化物 0.2 0.40.6 0.8 夹杂，对于Al203℃a0Si02顶渣处理后的钢水凝 1.0 周相分数，人 固过程中一般析出Si02和Al2O3系夹杂，因此本文 只考虑Si02和Al203两种夹杂物的析出 图3凝固过程中钢中元素的偏析比 Fig-3 Segregation ratio of elements in steel during solidification 4夹杂物析出的系统物质平衡分析 假定凝固过程中夹杂物在钢液中平均分布，每 3夹杂物析出的热力学分析 个夹杂物对应一定质量的钢液，且这个钢液区域为 在钢液凝固过程中由于温度和脱氧元素及氧含 球形.夹杂物和对应的钢液形成一个系统，如图5 量的变化，导致了反应△G的变化.由于复合夹杂 所示.由于偏析作用钢液中脱氧元素M和氧元素 物难以形核，并且在凝固过程中多种元素难以扩散 向夹杂物和钢液界面扩散，并在界面上反应生成氧 致夹杂物表面，因此可假设析出的夹杂物均为简单 化物，随后溶质元素再在钢液中达到平衡，钢液和图2 凝固过程中夹杂物析出和长大的示意图 Fig．2 Schematic illustration for the model of oxide precipitation and growth during solidification L＝688R －0∙36 c ． 式中‚Rc 为冷却速率‚K·min －1． 凝固过程‚钢液的温度用下式表示： T＝ T m－（ T m－ TL）／ ［1－ f s（ TL－ TS）／（ T m－ TS）］ （2） 式中‚T 为凝固过程中固液界面温度‚K；T m 为纯铁 的熔点‚K；TL 为钢水的液相线温度‚K；TS 为钢水 的固相线温度‚K． 局部凝固时间 τ＝（ TL － TS ）／Rc‚根据式（1） 和式（2）可以计算出凝固过程溶质元素的偏析‚如 图3．可以看出随着凝固的进行‚偏析率越来越大‚ O 为极易偏析元素． 图3 凝固过程中钢中元素的偏析比 Fig．3 Segregation ratio of elements in steel during solidification 3 夹杂物析出的热力学分析 在钢液凝固过程中由于温度和脱氧元素及氧含 量的变化‚导致了反应ΔG 的变化．由于复合夹杂 物难以形核‚并且在凝固过程中多种元素难以扩散 致夹杂物表面‚因此可假设析出的夹杂物均为简单 氧化物‚随着凝固的进行夹杂物的成分可以转变． 计算针对钢种为72A‚化学成分（质量分数）为：C‚ 0∙7％；Si‚0∙3％；Mn‚0∙5％；Al‚5×10－6 ；Ca‚3× 10－6 ；O‚19×10－6． 氧化反应的热力学数据如下［8］： ［Mn］＋［O］ MnO（inc） ΔG ○—＝－288100＋128∙3T； （3） ［Si］＋2［O］ SiO2（inc） ΔG ○—＝－581900＋221∙8T； （4） 2［Al］＋3［O］ Al2O3（inc） ΔG ○—＝－1202000＋386∙3T； （5） ［Ca］＋［O］ CaO（inc） ΔG ○—＝－645166∙67＋148∙77T． （6） 式（3）～（5）给出ΔG 并结合偏析模型式（1）和 （2）得出生成简单夹杂物的ΔG 随着凝固分数的关 系如图4所示． 图4 冷却速度为100K·min －1时生成不同氧化物的ΔG Fig．4 ΔG of different oxides formed at a cooling rate of 100K· min －1 从图4可以看出‚凝固过程中先生成 CaO、 Al2O3‚再生成 SiO2．由于假设钢种中钙含量（质量 分数为3×10－6）很少‚并且钙在钢液中扩散速率很 低‚所以不考虑 CaO 的形成．文献［9］同样指出‚不 同顶渣处理后的钢水凝固过程中生成不同的氧化物 夹杂．对于 Al2O3－CaO－SiO2 顶渣处理后的钢水凝 固过程中一般析出 SiO2 和 Al2O3 系夹杂．因此本文 只考虑 SiO2 和 Al2O3 两种夹杂物的析出． 4 夹杂物析出的系统物质平衡分析 假定凝固过程中夹杂物在钢液中平均分布‚每 个夹杂物对应一定质量的钢液‚且这个钢液区域为 球形．夹杂物和对应的钢液形成一个系统‚如图5 所示．由于偏析作用钢液中脱氧元素 M 和氧元素 向夹杂物和钢液界面扩散‚并在界面上反应生成氧 化物‚随后溶质元素再在钢液中达到平衡．钢液和 第9期 王海涛等： 帘线钢凝固过程中夹杂物析出 ·885·