·120 工程科学学报.第42卷，增刊1 the alloy is easy to be oxidized;when difference between the Al and Ti contents is small,the elemental Al is easy to be oxidized.When the mass percent of CaO and Al2O3 in the slag are 30%-33%respectively,the mass percent of TiO2 is 6%-12%,the mass percent of CaF2 is 20%-30%,the mass percent of Mgo is 1%-5%,the Al and Ti contents in the alloy can be controlled. KEY WORDS thermodynamics;electroslag remelting;Incoloy825 alloy;FactSage;activity ratio 电渣重熔作为一种优异的二次精炼手段，常 达式如式(2)四所示.为控制合金中的A1、Ti元素 用于高品质钢和合金的冶炼，高温下通过渣与合 含量，设计适合冶炼Incoloy825合金的低氟渣系， 金之间的反应，达到对合金精炼的目的-引但由 建立热力学模型并做出如下假设：(1)渣-金反应 于重熔过程中合金元素的氧化导致了电渣锭轴向 的动力学条件良好，在界面处达到热力学平衡： 成分分布不均匀，进而对其力学性能、耐腐蚀性能 (2)渣-金界面温度稳定；(3)在金属和熔渣两相 等产生影响：刃对于电渣重熔过程中合金元素的 内，物质的浓度分布均匀：(4)忽略坩埚对渣-金反 控制已有研究，陈崇禧等8和粟硕9通过空气气氛 应的影响：(5)一段时间内渣系状态稳定 下电渣实验发现渣中TiO2含量较高时，TiO2是主 4[A]+3(TiO2)=3[Ti]+2(Al2O3) (1) 要氧化剂，使合金中Ti元素被氧化.Yang与Parko 和王海江等四探索了氩气保护下的电渣重熔过 Ig K =lg- nos =g C93二 程，结果表明渣中Al2O3与合金中Ti元素反应是 A 35300 合金中T元素氧化的主要原因.之前的研究中主 T -9.94 (2) 要集中在通过调整渣系配比来控制合金中A1、 其中，K为反应(1)的平衡常数；aAI、a分别为合 Ti含量的影响2-)但合金中平衡AL、Ti含量不仅 金中A1和Ti的活度；aT0,和aA,o,分别为渣中TiO2 与渣系配比有关，也与合金中的初始Al、Ti含量 和A12O3的活度；fA和fn为合金中Al、Ti元素的活 有关.当合金中的初始Al、Ti含量变化时渣系组 度系数(1%为标准态)，利用Wagner公式计算； 成也要做出相应改变，目前对于合金中初始A1、 XA1和X为合金中Al、Ti质量分数；T为反应温度， Ti含量及渣中组元对合金平衡Al、Ti含量影响的 K.式(3)是合金中组元活度计算式 基础研究较少.而且工业电渣重熔所采用的渣系 g=∑cw[ (3) 中CaF2含量较高(，电渣过程中有大量的氟化物 挥发，影响电渣锭质量7-1对低氟渣系的研究已 其中，f分别表示合金中元素i的活度系数；e表示 有报道，但仅限于对渣系物化性质的探索92对 合金中元素j对元素i的活度相互作用系数；W为 于适合冶炼Incoloy825合金的低氟渣系研究尚未 各组分在合金中的质量分数，合金中组元的活度 见报道 相互作用系数如表1所示.Incoloy825合金成分如 本文借助FactSage7.3热力学软件建立低氟渣 表2所示 系CaF2-CaO-Al2O-MgO-TiO2与Incoloy825合金 表1 Incoloy825合金中组元的活度相互作用系数-2刘1 之间反应的热力学模型，研究了渣中组元对A1O3 Table 1 Activity interaction coefficient of the alloying elements in 和TiO2活度比的影响，并分析了合金中的初始A1、 Incoloy825 alloy Ti含量及渣中组元对合金中平衡AL、Ti含量的影 Mn Cr Ni Al Ti Cu Mo 响，最终通过实验验证了模型的准确性 A10.0340.045 -0.0376 0.040 1 热力学模型的建立 Ti-0.12 0.025 -0.0166 0.0480.0140.016 电渣重熔过程中，合金中A1、T元素与渣中 用FactSage7.3热力学软件计算1500℃下渣中 A12O3、TiO2反应如式(1)所示.反应的平衡常数表 Al,O3和TiO2活度，选用FactPS和FToxid数据库， 表2 ncoloy825合金成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of the Incoloy825 alloy % C Mn Si Q Mo Ni Cu Fe ≤0.025 ≤1.0 ≤0.5 19.5-23.5 2.5-3.5 38-46 1.5-3.0 ≤0.2 0.6-1.2 bal 0.010 0.107 0.131 0.009 0.009 20.620 3.180 38.880 1.660 0.120 1.000 bal.the alloy is easy to be oxidized; when difference between the Al and Ti contents is small, the elemental Al is easy to be oxidized. When the mass percent of CaO and Al2O3 in the slag are 30%−33% respectively, the mass percent of TiO2 is 6%−12%, the mass percent of CaF2 is 20%−30%, the mass percent of MgO is 1%−5%, the Al and Ti contents in the alloy can be controlled. KEY WORDS    thermodynamics；electroslag remelting；Incoloy825 alloy；FactSage；activity ratio 电渣重熔作为一种优异的二次精炼手段，常 用于高品质钢和合金的冶炼，高温下通过渣与合 金之间的反应，达到对合金精炼的目的[1−3] . 但由 于重熔过程中合金元素的氧化导致了电渣锭轴向 成分分布不均匀，进而对其力学性能、耐腐蚀性能 等产生影响[4−7] . 对于电渣重熔过程中合金元素的 控制已有研究，陈崇禧等[8] 和粟硕[9] 通过空气气氛 下电渣实验发现渣中 TiO2 含量较高时，TiO2 是主 要氧化剂，使合金中 Ti 元素被氧化. Yang 与 Park[10] 和王海江等[11] 探索了氩气保护下的电渣重熔过 程，结果表明渣中 Al2O3 与合金中 Ti 元素反应是 合金中 Ti 元素氧化的主要原因. 之前的研究中主 要集中在通过调整渣系配比来控制合金中 Al、 Ti 含量的影响[12−15] . 但合金中平衡 Al、Ti 含量不仅 与渣系配比有关，也与合金中的初始 Al、Ti 含量 有关. 当合金中的初始 Al、Ti 含量变化时渣系组 成也要做出相应改变，目前对于合金中初始 Al、 Ti 含量及渣中组元对合金平衡 Al、Ti 含量影响的 基础研究较少. 而且工业电渣重熔所采用的渣系 中 CaF2 含量较高[16] ，电渣过程中有大量的氟化物 挥发，影响电渣锭质量[17−18] . 对低氟渣系的研究已 有报道，但仅限于对渣系物化性质的探索[19−21] . 对 于适合冶炼 Incoloy825 合金的低氟渣系研究尚未 见报道. 本文借助 FactSage7.3 热力学软件建立低氟渣 系 CaF2–CaO–Al2O3–MgO–TiO2 与 Incoloy825 合金 之间反应的热力学模型，研究了渣中组元对 Al2O3 和 TiO2 活度比的影响，并分析了合金中的初始 Al、 Ti 含量及渣中组元对合金中平衡 Al、Ti 含量的影 响，最终通过实验验证了模型的准确性. 1    热力学模型的建立 电渣重熔过程中，合金中 Al、Ti 元素与渣中 Al2O3、TiO2 反应如式（1）所示. 反应的平衡常数表 达式如式（2） [22] 所示. 为控制合金中的 Al、Ti 元素 含量，设计适合冶炼 Incoloy825 合金的低氟渣系， 建立热力学模型并做出如下假设：（1）渣–金反应 的动力学条件良好，在界面处达到热力学平衡； （2）渣–金界面温度稳定；（3）在金属和熔渣两相 内，物质的浓度分布均匀；（4）忽略坩埚对渣–金反 应的影响；（5）一段时间内渣系状态稳定. 4[Al]+3(TiO2) = 3[Ti]+2(Al2O3) （1） lgK =lg a 3 Ti · a 2 Al2O3 a 4 Al · a 3 TiO2 = lg f 3 Ti · X 3 Ti f 4 Al · X 4 Al +lg a 2 Al2O3 a 3 TiO2 = 35300 T −9.94 （2） aAl aTi aTiO2 aAl2O3 fAl fTi XAl XTi 其中，K 为反应（1）的平衡常数； 、 分别为合 金中 Al 和 Ti 的活度； 和 分别为渣中 TiO2 和 Al2O3 的活度； 和 为合金中 Al、Ti 元素的活 度系数（ 1% 为标准态），利用 Wagner 公式计算； 和 为合金中 Al、Ti 质量分数；T 为反应温度， K. 式（3）是合金中组元活度计算式. lg fi = ∑ e j i W [ j ] （3） fi e j 其中， 分别表示合金中元素 i i 的活度系数； 表示 合金中元素 j 对元素 i 的活度相互作用系数；W 为 各组分在合金中的质量分数. 合金中组元的活度 相互作用系数如表 1 所示. Incoloy825 合金成分如 表 2 所示. 表 1  Incoloy825 合金中组元的活度相互作用系数[23−24] Table 1   Activity interaction coefficient of the alloying elements in Incoloy825 alloy e j i Mn Cr Ni Al Ti Cu Mo Al 0.034 0.045 −0.0376 0.040 Ti −0.12 0.025 −0.0166 0.048 0.014 0.016 用 FactSage7.3 热力学软件计算 1500 ℃ 下渣中 Al2O3 和 TiO2 活度，选用 FactPS 和 FToxid 数据库， 表 2  Incoloy825 合金成分（质量分数） Table 2  Chemical composition of the Incoloy825 alloy % C Mn Si P S Cr Mo Ni Cu Al Ti Fe ≤0.025 ≤1.0 ≤0.5 19.5‒23.5 2.5‒3.5 38‒46 1.5‒3.0 ≤0.2 0.6‒1.2 bal 0.010 0.107 0.131 0.009 0.009 20.620 3.180 38.880 1.660 0.120 1.000 bal. · 120 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1