282 北京科技大学学报 第33卷 以往关于弹簧钢中低熔点夹杂物控制的热力学分析 数和质量分数.钢液中溶质的亨利活度系数按下式 都是基于某一精炼温度下进行的4.实际上，钢水 计算，这里忽略二阶相互作用系数对的影响： 在精炼之后的冷却过程仍要发生脱氧反应而生成新 g=∑4+∑秋gg (2) 的氧化物夹杂.在脱氧过程中反应平衡常数会随着 温度的下降而发生变化，从而导致钢液中生成的夹 式中：5和代表不同的溶质；“分别为一阶、 杂物成分和对应钢液条件发生变化.为此，本文 二阶相互作用系数，1873K时值列于表19.表1 以我国现有生产的弹簧钢60S2MA为对象，对 中1823.1773K时缺少的值根据下式给出的与 1873.1823和1773K温度下，60S2MA弹簧钢液 温度T的关系进行计算，该式是假设钢水为准正规 与MnO-SO-A!O系、COAQ-SO系和CO 溶液推导得出的网： A1O-S)-15%M)系复合氧化物夹杂物平衡时 d(T)= 2557-0.365 T (1873KW(3) 生成低熔点夹杂物时的钢液成分（主要是溶解铝和 溶解氧含量)进行计算分析，最终通过上述工作对 三个不同温度下MOSO-A,Q系、CO 我国现有60S2MA弹簧钢生产过程中夹杂物的低 AQ-S系和CO-AQ-S0-15%M0系夹杂 熔点化控制提供一定的理论指导. 物成分与活度的关系和其液相线投影图分别根据大 型热力学软件FacS5.5的相平衡模块和相图 1热力学数据及计算方法 模块计算得到.该软件包括数千种纯物质数据库， 为了计算方便，60S2MA弹簧钢液的化学成分 评估及优化过的金属溶液、氧化物液相与固相溶液、 (质量分数)定为：心=0.6%，Wi=1.8%,%m= 锍、熔盐和水溶液等数据库.本文主要选用的是 0.8%.杂质元素含量忽略.钢液中溶质的亨利活 Fox氧化物溶液和化学计量固体、液体氧化物化 度按下式计算.相对于%溶液为标准态： 合物数据库.该数据库对氧化物各相的计算主要采 a-f w (1) 用修正的拟化学模型(modifed quasichem ical 式中：4、和份别为钢液中溶质的活度、活度系 mode),Peltor等o-给出了该模型的详细介绍. 表11873K时溶质的一阶活度相互作用系数习 Table 1 First order activit ntemction coe ffic ints of soltes at1873K Al C 0 Mn Si Al 63/T+0.011 0091 34740/T+11.95 0.056 c 0043 158/T+00581 -034 -0.12 162/T-0008 0 -20600/T+7.15 -0.043 -1750/T40734 -0021 -0131 Mn -007 -0083 0 0 Si 0058 380/T-0.023 -023 0002 345/T+0089 计算涉及的钢液与夹杂物间的化学反应及其标 准吉布斯自由能变化△G如表2所示9 2结果与讨论 表2钢液与夹杂物间发生的化学反应及其标准吉布斯自由能的 2.1SiM脱氧合金化时不同温度下生成低熔点 变化 MO-SO-A,O,系夹杂物的热力学分析 Tab e2 Chem ical reactions occurring be ween molten steel and inc 本节中，不同温度下60S2MA弹簧钢液与 sions and their standad Gbbs free enegy MOSO-A!Q系夹杂物平衡时等[Si线和等 序号 化学反应式 △GP/(3mo叶1) [M円线是基于表2中1的化学反应，利用△G、 12(MO+S=(S0)+21M -5700-348T MrOS)-A!O系中SO和MO的活度以及与Si 22(A10)+319=3(S02)+4[A1658200-107.1T 和M活度系数相关的各自的活度相互作用系数， 【S+2I9=(S02) -581900+221.8T 采用迭代方法计算的.等[A线和等[O线是分别北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 以往关于弹簧钢中低熔点夹杂物控制的热力学分析 都是基于某一精炼温度下进行的 [ 4--6] .实际上, 钢水 在精炼之后的冷却过程仍要发生脱氧反应而生成新 的氧化物夹杂.在脱氧过程中反应平衡常数会随着 温度的下降而发生变化, 从而导致钢液中生成的夹 杂物成分和对应钢液条件发生变化 [ 7] .为此, 本文 以我国现有生产的弹簧钢 60Si2MnA为对象, 对 1 873、1 823和 1 773 K温度下, 60Si2MnA弹簧钢液 与 MnO--SiO2--Al2 O3系、CaO--Al2 O3 --SiO2系和 CaO-- Al2O3--SiO2 --15%MgO系复合氧化物夹杂物平衡时 生成低熔点夹杂物时的钢液成分 (主要是溶解铝和 溶解氧含量 )进行计算分析, 最终通过上述工作对 我国现有 60Si2MnA弹簧钢生产过程中夹杂物的低 熔点化控制提供一定的理论指导. 1 热力学数据及计算方法 为了计算方便, 60Si2MnA弹簧钢液的化学成分 (质量分数 ) 定为:wC =0.6%, wSi =1.8%, wMn = 0.8%.杂质元素含量忽略 .钢液中溶质的亨利活 度按下式计算, 相对于 1%溶液为标准态: ai=fi·wi ( 1) 式中:ai、fi和 wi分别为钢液中溶质 i的活度 、活度系 数和质量分数 .钢液中溶质的亨利活度系数按下式 计算, 这里忽略二阶相互作用系数 r j, k i 对 fi的影响 : lgfi =∑ j e j i·wj+∑ j, k r j, k i·wj·wk ( 2) 式中 :i、j和 k代表不同的溶质 ;e j i、r j, k i 分别为一阶、 二阶相互作用系数, 1 873 K时 e j i值列于表 1 [ 5] .表 1 中 1823、1 773K时缺少的 e j i值根据下式给出的 e j i与 温度 T的关系进行计算, 该式是假设钢水为准正规 溶液推导得出的 [ 8] : e j i(T) = 2 557 T -0.365 e j i( 1873 K) ( 3) 三个不同温度下 MnO--SiO2--Al2 O3系 、 CaO-- Al2 O3 --SiO2系和 CaO--Al2 O3 --SiO2--15%MgO系夹杂 物成分与活度的关系和其液相线投影图分别根据大 型热力学软件 FactSage5.5 [ 9] 的相平衡模块和相图 模块计算得到 .该软件包括数千种纯物质数据库, 评估及优化过的金属溶液、氧化物液相与固相溶液、 锍、熔盐和水溶液等数据库.本文主要选用的是 Ftoxid氧化物溶液和化学计量固体 、液体氧化物化 合物数据库.该数据库对氧化物各相的计算主要采 用修 正 的 拟 化 学 模 型 ( modifiedquasichemical model), Pelton等 [ 10--11] 给出了该模型的详细介绍 . 表 1 1 873K时溶质的一阶活度相互作用系数 ej i [ 5] Table1 First-orderactivityinteractioncoefficientsej iofsolutesat1 873K i j Al C O Mn Si Al 63/T+0.011 0.091 34 740/T+11.95 — 0.056 C 0.043 158 /T+0.058 1 -0.34 -0.12 162/T-0.008 O -20 600/T+7.15 -0.043 -1 750 /T+0.734 -0.021 -0.131 Mn — -0.07 -0.083 0 0 Si 0.058 380/T-0.023 -0.23 0.002 34.5/T+0.089 计算涉及的钢液与夹杂物间的化学反应及其标 准吉布斯自由能变化 ΔG ○—如表 2所示 [ 5] . 表 2 钢液与夹杂物间发生的化学反应及其标准吉布斯自由能的 变化 Table2 Chemicalreactionsoccurringbetweenmoltensteelandinclu￾sionsandtheirstandardGibbsfreeenergy 序号 化学反应式 ΔG ○— /( J·mol-1 ) 1 2( MnO) +[ Si] ( SiO2 ) +2[ Mn] -5 700-34.8T 2 2( Al2O3 ) +3[ Si] 3( SiO2 ) +4[ Al] 658 200-107.1T 3 [ Si] +2[ O] (SiO2 ) -581 900+221.8T 2 结果与讨论 2.1 Si/Mn脱氧合金化时不同温度下生成低熔点 MnO--SiO2 --Al2 O3系夹杂物的热力学分析 本节中, 不同温度下 60Si2MnA弹簧钢液与 MnO--SiO2--Al2 O3系夹杂物平衡时等 [ Si] 线和等 [ Mn] 线是基于表 2 中 1的化学反应, 利用 ΔG○— 、 MnO--SiO2 --Al2O3系中 SiO2和 MnO的活度以及与 Si 和 Mn活度系数相关的各自的活度相互作用系数, 采用迭代方法计算的.等[ Al] 线和等 [ O] 线是分别 · 282·