钢的氧化物冶金
氧化物冶金技术及其应用前景
ｌ 一 ０
３ 夹杂物的性质与分类
不同的夹杂物对析 出相的相容程度不 同， 所 以不是所有的夹杂物都能作 为异质形核核心。表 １为钢 中部 分 高 熔 点 不 变 形 夹 杂 物 的 组 成 和 性
物侧 扩散 的能力 ， 氧化物分 为 活性 和非活 性 将 （ 弱活性 ） 两类 ： （ ） 活 性 氧 化 物 （ 离 子 空 位 型 ） ＦＯ、 １ 阳 ：ｅ Ｍ Ｏ Ｍ Ｏ・ ｉ２Ｍ Ｏ・ ｉ２Ｔ２ ３ ｎ 、 ｎ Ｓ 、 ｎ ＴＯ 、ｉ 等。 Ｏ Ｏ
质。
一
维普资讯
鞍 钢 技 术
２０ ０ ７年 第 ６期
ＡＮＧＡＮＧ ＥＣＨＮ０Ｌ ｒ ０Ｇ Ｙ
表 １ 夹 杂 物 的组 成 和 性 质
总第 ３８ ４ 期
＋ ：
（ ） 反射光下 ；（ ） 透射光下 。 １一 ２一
沟 口等 人依 据 阳离子 通过空 位 由基 体 向氧 化
ｅ ｕ ｉｎ ｒ ｐ ｒ ｅ ｎ ｉ ｅ ｓｅ ｌ ｏ ｎｓ ｏ ｔｔ ｅ ｔ ｐ ｓａ ｄ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｓ ｏ ｃｕ ｉ ｎ ｈ ｃ ａ ｅ ｌ ｓｏ ｓ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｉ ｓ ｔｅ ，ｐ ｉ ｔ ｕ ｈ ｙ ｅ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｆｉ ｌ ｓｏ ｓ ｗ ｉ ｈ ｃ ｎ ｂ － ｉ ｄ ｎ ｓｃ ｎ
ｃ ｔ ｎ ｐｏｐ ｃ、 ａｉ ｒ ｓ ｅ ｔ ｏ
Ｋｅ ｏ ｄ ｏ ｉｅ ｍｅａｌ ｒ ｉ ｃｕ ｉｎ ｈ ｔ ｒｇ ｎ ｉ ｙＷ ｒｓ ｘｄ ｔｌ ｇ ｕｙ ｎ ｌ ｓ ｅｅｏ ｅ ｅ ｔ ｏ ｙ
钢铁冶金原理
1、表面张力：垂直作用在液面上任一直线的两侧，沿液体的切面向着两侧的拉力，N/m2、穿透度：它为反应过程中，矿球半径改变的分数，用f 表示，0(1)r r f =-。
它和R 的关系为1/31(1)f R =--。
3、沉淀脱氧：向钢液中加入能与氧形成稳定化合物的元素，形成的氧化物能借自身的浮力或钢液的对流运动而排出。
4、萃取精炼：在一定温度下，在熔盐粗金属中加入附加物，附加物与金属相内杂质生成不溶解于熔盐的化合物而析出，从而达到精炼的目的。
5、二元碱度：渣中的碱性氧化物CaO 含量与酸性氧化物SiO 2含量之比为炉渣的二元碱度。
6、反应度：或称转化率，矿球已反映了的百分数，用R 表示，30(/)1r r R =-。
7、分解压：分解反应的平衡常数等于分解出的气体B 的平衡分压，规定用()B AB P 表示，称为此化合物的分解压。
8、负吸附：溶解组分质点和溶剂质点之间的作用力大于溶剂质点之间的作用力。
溶解组分在表面不出现过剩浓度，称为负吸附。
9、G-D 方程：11220BB n dG n dG ndG ++==∑ 或11220BB x dG x dG xdG ++==∑ 他表示恒温、恒压下，溶液中各组分的偏摩尔吉布斯自由能（或其他偏摩尔量）的改变不是彼此独立的，而是互相制约、互相补偿的。
10、0i γ的物理意义：1）表示溶液中组元i 在浓溶液中服从拉乌尔定律和在稀溶液中服从亨利定律两定律间的差别。
2）是组元i 在在服从亨利定律浓度段内以纯物质i 为标准态的活度系数。
3）是不同标准态的活度及活度系数相互转换的转换系数。
4）是计算元素标准溶解吉布斯能的计算参数。
11、光学碱度：在氧化物中加入显示剂，用光学的方法来测定氧化物施放“电子的能力”以表示出2O -的活度，确定其酸-碱性的光学碱度。
12、过剩碱：用碱的总量减去形成复合化合物的消耗的碱性氧化物，用来表示渣中碱性氧化物。
13、亨利定律：当溶液组分B 的浓度趋近于零（0B x →）的所谓稀溶液中，组分B 的蒸汽压与其浓度B x 成线性关系：()BH x B p K x '=,p '--组分B 在B x 的平衡蒸汽压，()H x K --比例常数。
冶金原理及工艺5.1典型合金的熔炼工艺-钢
造白渣方法
稀薄渣形成后，按比例加入渣料： 石灰(8～12)kg/t钢水，氟石(1～2)kg/t钢水，炭粉(1.8～
2.0)kg/t钢水。关上炉门(10～15)min，即形成白渣。
白渣的成分为： (55 ％ ～ 65 ％ )CaO ， (15 ％ ～ 20 ％ )SiO2 ， ＜ 10 ％
MgO，(5％～10％)CaF2，(2％～3％)AI2O3，余 为FeO、CaS等。白色，冷却后粉化。
➢ 搅拌效应有利于化学成分和温度的均匀，有利于 排渣和提高冶炼质量，加速新加炉料的熔化，提 高熔化率。
➢ 驼峰的高低反应金属搅拌程度
三. 炉衬材料和烧结
➢ 炉衬材料具备的特性： 高耐火度 线膨胀和体膨胀系数小 减少裂纹 好的急冷急热性 能抵抗炉渣的侵蚀 绝缘性好 ➢ 主要有三种坩埚 碱性坩埚 MgO等 酸性坩埚 SiO2 中性坩埚 石墨等
矿石用量根据脱碳量来确定。一般加入矿石l.0kg/t钢液， 可脱碳0.01％左右。为了达到有效地去除钢液中的气体，应 使钢液激烈沸腾。为了使钢液温度不致于因加入铁矿石大幅 度降低，应采取分批加入矿石的方法，以保证维持钢液的激 烈沸腾状态，提高除气排渣的效果。
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吹氧法
用直径 (12 ～ 25)mm的普通钢管从炉门插入钢液 (100~200）mm内吹氧；并通过调节供氧压入控制熔 池的沸腾。吹入的氧与铁首先发生放热反应：
15
白渣形成以后钢液在白渣覆盖下(20～30)min，促进 炭粉脱氧和石灰脱硫。
白渣的脱氧脱硫能力随时间延长而减弱，为恢复其 还原能力，在白渣覆盖期间，每隔(6～8)min，分 批加入，调整渣料，每批渣料包括：石灰4～ 6kg/t钢水，硅铁粉2～3kg/t钢水。
16
造电石渣的方法
氧化物冶金技术及应用
关键词 ： 氧化 物 冶金 ； 内针状铁 素体 ； 晶 夹杂物
摘 要 ： 绍 了氧 化 物 金 技 术 中非 金 属 夹杂 物 的 性 质 与 作 用及 境 内铁 素 体 的 形 核 机 理 ， 对 介 台 并 氧 化 物 冶 金 技 术 的 若 干 关键 技 术 问题 进 行 了探 讨 ， 析 了氧 化 物 冶 金 技 术 的 应 用 现 状 。 分 中图分 类号 ： １Ｉ １ 文献标 志码 ： ＴＦ ｌ ． ４ Ａ
：
（ ） 先 控制 钢 中氧化物 的分布和 属性 （ １首 如成分 、 点 、 寸 、 熔 尺 分布 等 ） （ ） 利用这些 氧化物作 为钢中硫 ；２ 再
化 物 、 化 物 和 碳 化 物 等 的 非 均 质 形 核 核 心 ， 硫 ／ ／ 等 析 出 物 的 析 出 和 分 布 进 行 控 制 ；３ 最 后 利 用 钢 中 氮 对 氮 碳 （） 所 形 成 的 所 有 氧 ／ ／ ／ 化 物 ， 过 钉 扎 高 温 下 晶界 的 移 动 对 晶 粒 的 长 大 进 行 抑 制 ； 过 促 进 晶 内铁 素 体 硫 氮 碳 通 通 （ 分 为 晶 内 针 状 铁 素 体一 ｉ ｌｒＦ ｒｉ ， ） 晶 内 粒 状 铁 素 体 ） 形 核 来 细 化 钢 的 组 织 ； 过 形 成 碳 化 可 Ａｃ ｕａ ｅｒ ｅ ＡＦ 和 ｃ ｌ 的 通 物 来减少 基 体含碳 量从 而改善 钢的加 工性 。
产生 各种或 好或 坏的 影响 ］ 。尺 寸较大 的 （ ２ 如 Ｏ或 ５ ／ 以上 的） 脆 性夹 杂 往 往易 于 导致 轧材 内部或 ０ｍ ￣ 、
表 面 缺 陷 ， 效 去 除 这 些 非 金 属 夹 杂 物 一 直 是 冶 金 工 作 者 的努 力 方 向 。尺 寸 很 小 的 （ ｌ Ｏ ｍ 以 下 的 ） 杂 有 如 Ｏｎ 夹
熔炼过程中常见的冶金反应
热处理氮化反应是一种通过控制温度和氮气环境，以 改变金属内部结构和性能的过程。
详细描述
在热处理氮化反应中，金属被加热至高温，并暴露在 氮气环境中。通过控制温度和氮气浓度，可以改变金 属内部的晶体结构，使其变得更加稳定和强化。这种 处理方法能够显著提高金属的硬度和强度。
氮化处理过程中的反应
要点一
沉淀脱氧反应
总结词
沉淀脱氧反应是一种通过向熔融金属中加入脱氧剂，使 溶解在金属中的氧与脱氧剂反应生成不溶于金属的氧化 物，从而将氧从金属中去除的过程。
详细描述
沉淀脱氧反应通常使用如硅、锰、钛、锆等元素作为脱 氧剂。这些元素在金属中的溶解度较低，因此它们与氧 反应后生成的氧化物会以固态形式沉淀出来，从而达到 脱氧的目的。
复分解硫化反应
复分解硫化反应是指通过复分解反应生成金属硫化物的过程。
在熔炼过程中，一些金属元素可以通过与其他金属或非金属元素发生复分解反应 ，生成相应的金属硫化物。这种反应通常需要在特定的化学环境和温度下进行。 生成的金属硫化物同样具有较高的熔点和稳定性，因此在冶金工业中有广泛的应 用。
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渗碳反应
真空脱氧反应
总结词
真空脱氧反应是一种通过降低熔融金属周围的压力，使溶解 在金属中的氧通过蒸发或化学反应的方式去除的过程。
详细描述
真空脱氧反应通常在高温和高真空条件下进行。降低压力可 以促进溶解在金属中的氧的蒸发，同时也可以使金属中的氧 化物更易于与脱氧剂发生反应。常用的脱氧剂包括碳、硅、 锰等元素。
表面渗碳反应
总结词
表面渗碳反应主要发生在金属表面，通过与渗碳介质（如煤、石油等）接触，使金属表 面含碳量增加。
详细描述
在渗碳过程中，碳原子通过扩散作用从渗碳介质中进入金属表面，使表面层的含碳量增 加。这种反应通常用于提高金属表面的硬度和耐磨性，如汽车发动机中的气缸内壁。
氧化物冶金技术及其应用
氧化物冶金技术及其应用摘要：本文阐述了氧化物冶金技术的基本概念以及钢中常见夹杂物的性质，并且讨论了氧化物冶金型钢的显微组织特征，分析了氧化物冶金型钢中非金属夹杂物的性质和晶内铁素体的形核机理，简述了氧化物冶金技术的应用。
关键词：氧化物冶金非金属夹杂物晶内铁素体中图分类号：tf 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）06-0258-01进入21 世纪后，钢铁材料因高的强度与良好的低温冲击韧性而在机械工程制造业中占据着重要地位。
机械工程结构向巨型化、高参量方向发展，如超大型船舶与海洋平台、大跨度桥梁、长距离石油和天然气输送管线等。
这些大型机械工程结构对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求，要求在不增加或尽量减少合金元素含量的前提下，使钢铁材料的强度与韧性成倍提高[1]。
许多研究成果表明，细化晶粒是实现钢铁材料强度与韧性成倍提高的最有效方法。
氧化物冶金是近年来用于细化钢铁材料晶粒，提高强度与韧性的新方法、新技术，已成功地用于非调质钢、微合金低碳钢、天然气输送管线钢的开发，日本的“新世纪结构材料开发计划”就包含氧化物冶金的内容川。
本文介绍了氧化物冶金技术及其应用的新进展。
1 氧化物冶金的基本思路人们研究焊缝金属的显微组织与强度、韧性之间的关系时，发现当焊缝金属奥氏体晶内的非金属夹杂物周围有似针状的铁素体显微组织时，焊缝金属不仅具有高的强度，而且具有良好的低温冲击韧性。
这些似针状的铁素体显微组织被称为针状铁素体（acicular ferrite ，简称a f ）。
针状铁素体是在奥氏体晶内形成的，又称为晶内铁素体（intragranular ferrite ，简称ig f ）。
简称ig f ）。
晶内铁素体总是在非金属夹杂物上形核，而这些非金属夹杂物主要为ti、ai 的氧化物与mn 的硫化物形成的氧、硫复合物仁5 一1。
根据非金属夹杂物诱导内铁素体形核，细化晶粒，提高强度和韧性的客观事实。
日本新日铁公司的高村等：提出了控制钢中氧化物的组成，使之细小、弥散化，诱导晶内铁素体形核，提高钢的强度与韧性，并将这一新技术称为氧化物冶金（oxides metallurgy）。
冶金原理(9.3)--金属氧化物还原动力学
金属氧化物还原动力学一、实验目的和要求用气体还原剂还原金属氧化物，属于气—固多相反应体系。
是一个复杂的物理化学变化过程。
还原热力学公研究反应过程达到平衡时的热力学条件。
而动力学则研究还原反应过程进行的快慢。
即研究影响反应速度大小有关的条件。
其目的在于：查明在冶炼条件下反应速度最慢的步骤（即限制性环节）是什么？以便针对该环李的影响因素，改变冶炼条件，加快反应速度，从而提高生产率。
具体要求如下：1．通过实验说明还原反应的有关机理。
加深课堂讲授内容的理解、巩固和提高。
2．研究还原温度，气体性质及流量，矿石的物理化学性质对还原速度的影响。
3．验证用气体还原剂还原金属氧化物的纯化学反应控制模型和纯扩散控制模型。
4．学习实验数据处理方法及实验操作技术。
分析金属氧化物还原动力学的一般规律。
二、实验原理用气体还原原氧化物是多相反应机理最完整的，如及H2气还原金属氧化物（MeO）的反应式如下：MeO+H2=Me+H2O其反应模型如图9—1所示，在反应物（MeO）外层，生成一层产物层（Me），Me外表存在一边界层，（又称为气膜），最外面为包括反应气体（H2）和生成物气体（H2O）的气流。
反应机理包括以下环节：（1）H2的外扩散；（2）H2的内扩散；（3）结晶化学反应；（4）H2O穿过Me层的内扩散；（5）气体H2O穿过界层的外扩散。
还原反应是由上述各环节完成的。
然而各环节的速度是不相等的，总的速度取决于最慢的一个环节。
即限制环节。
而影响限制性环节的主要因素是：还原温度、矿石孔隙度、矿石粒度、还原气体的性质及流量等。
如果氧化矿结构很致密，还原反应将是自外向内逐渐深入的，存在开头规整的连续反应相界面，对于球形或立方体颗粒而言，这样的反应界面通常是平行于外表面，同时随时间的延续，反应界面将不断向固体内部推进，金属（MeO）内核逐渐缩小。
还原反应遵循结晶化学反应和阻力相似的收缩核模型。
因为H2气需通过生成物层扩散。
以及在MeO、Me 界面上的结晶化学反应。
氧化物冶金
氧化物冶金氧化物冶金是一种重要的冶金方法，它利用氧化物作为原料进行金属提取和精炼。
本文将从氧化物冶金的定义、原理、应用和发展前景四个方面进行探讨。
一、氧化物冶金的定义氧化物冶金是指利用含氧化物的矿石或废料作为原料，通过熔炼、还原、氧化等工艺方法，将金属元素从氧化物中分离出来，达到提取和精炼金属的目的。
氧化物冶金广泛应用于铁、铜、铝、锌等金属的生产过程中。
氧化物冶金的基本原理是利用化学反应中的氧化还原反应，通过还原剂将金属元素从氧化物中还原出来。
在冶金过程中，通常采用高温条件下进行反应，以促进还原反应的进行。
还原剂可以是固体、液体或气体，常用的还原剂有焦炭、煤炭、天然气等。
三、氧化物冶金的应用氧化物冶金在各个领域都有广泛的应用。
其中，铁的冶金是氧化物冶金的典型应用之一。
铁矿石中的主要成分是氧化物，通过高温还原反应，可以将铁从氧化物中提取出来，制备成各种铁合金和铁产品。
此外，铜、铝、锌等金属的冶金过程中也广泛应用了氧化物冶金的方法。
四、氧化物冶金的发展前景随着科技的进步和工艺的创新，氧化物冶金技术得到了不断的发展和完善。
一方面，新型的还原剂和反应条件的优化使得氧化物冶金的效率和产量得到了提高。
另一方面，废弃物资源化利用的重要性日益凸显，氧化物冶金技术也为废弃物的处理和资源回收提供了新的途径。
因此，可以预见，氧化物冶金技术在未来将得到更广泛的应用和发展。
氧化物冶金是一种重要的冶金方法，通过利用氧化物作为原料进行金属提取和精炼。
其原理是利用化学反应中的氧化还原反应，通过还原剂将金属元素从氧化物中还原出来。
氧化物冶金在各个领域都有广泛的应用，尤其是在铁、铜、铝、锌等金属的生产过程中。
随着科技的进步和工艺的创新，氧化物冶金技术将得到更广泛的应用和发展。
基于氧化物冶金技术的管线钢凝固脱氧热力学
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冶金辅助材料
冶金辅助材料冶金辅助材料是指在冶金生产过程中，用于改善金属熔炼、精炼和铸造工艺的各种辅助材料。
它们在冶金生产中起着至关重要的作用，能够提高金属的质量和产量，同时也能够改善生产环境和保护设备。
本文将对冶金辅助材料的种类、作用和应用进行介绍。
首先，冶金辅助材料的种类非常丰富，主要包括熔剂、脱氧剂、脱硫剂、合金化剂、渣剂等。
熔剂是指在金属熔炼过程中，用于降低金属熔点和改善金属流动性的物质，常见的熔剂有焦炭、石墨等。
脱氧剂是指用于去除金属熔炼过程中的氧化物的物质，常见的脱氧剂有硅、铝等。
脱硫剂是指用于去除金属中硫化物的物质，常见的脱硫剂有氧化钙、氧化铁等。
合金化剂是指用于合金化金属的物质，常见的合金化剂有铝、镁等。
渣剂是指用于改善金属熔炼渣性能的物质，常见的渣剂有氧化钙、氧化铝等。
其次，冶金辅助材料在冶金生产中起着不可替代的作用。
首先，熔剂能够降低金属的熔点，提高金属的流动性，有利于金属熔炼和铸造。
其次，脱氧剂能够有效去除金属中的氧化物，减少气体夹杂，提高金属的纯度。
再次，脱硫剂能够去除金属中的硫化物，减少金属的脆性，提高金属的塑性和韧性。
此外，合金化剂能够有效地合金化金属，改善金属的性能。
最后，渣剂能够改善金属熔炼渣的性能，减少金属的损失，提高金属的回收率。
最后，冶金辅助材料的应用非常广泛。
在钢铁冶炼中，熔剂、脱氧剂、脱硫剂和合金化剂是必不可少的辅助材料，它们能够有效地改善钢铁的质量和性能。
在铝、镁、铜等有色金属冶炼中，熔剂、脱氧剂和渣剂是常用的辅助材料，它们能够提高有色金属的纯度和回收率。
在铸造工艺中，熔剂和渣剂是必备的辅助材料，它们能够改善铸件的表面质量和尺寸精度。
综上所述，冶金辅助材料在冶金生产中具有不可替代的作用，它们能够有效地提高金属的质量和产量，改善生产环境和保护设备。
随着冶金技术的不断发展，冶金辅助材料的种类和应用也在不断扩大和深化，将为冶金生产带来更多的发展机遇和挑战。
希望本文能够对冶金辅助材料的认识和应用有所帮助，也希望冶金生产者能够根据实际情况，合理选择和使用冶金辅助材料，提高生产效率和经济效益。
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上世纪六十年代人们就发现焊缝金属中存在从几十到几微米之间的球形夹杂物[1,2], 到了上世纪七十年代才注意到焊缝金属中的夹杂物可以改变焊缝的组织结构, Harrsion 和Farrar通过研究HSLA 钢焊接组织时发现氧化物夹杂能诱发晶内铁素体, 从而提高焊缝的韧性和强度。
1990年日本冶金界学者借鉴焊缝中氧化物夹杂的作用提出了“氧化物冶金”技术思想。
即通过在钢中形成超细的(颗粒直径< 3μm) 均匀分布的成分可控的高熔点氧化物夹杂,以改变钢的组织和晶粒度,使钢材具有良好的韧性、较高的强度及优良的可焊性,使钢中的夹杂物变害为利的技术,这一技术开创了一条提高钢材质量的新途径。
晶内铁素体的作用和形成机理典型晶内针状铁素体相呈扁豆状, 交锁紧密排列, 具有高角晶界和高位错密度, 能有效提高强度和冲击韧性, 抑制解理裂纹的快速蔓延。
针状铁素体的最大化能促进钢材强度和韧性的匹配达到最优。
关于夹杂物诱导晶内形核的问题, 已经提出了多种不同机制, 主要涉及以下几个方面:(1) 夹杂物析出在其周围造成溶质贫乏区(贫锰区),使相变点提高,有利于铁素体相变;(2) 夹杂物与基体的化学反应造成的碳成分变化,促进铁素体形成;(3) 夹杂物与基体热膨胀系数不同导致的冷却过程中附加的应变能,促进铁素体形成;(4) 夹杂物与母相之间的高界面能、与新相间低的界面能,促进铁素体形成;(5) 氧化物夹杂作为异质核心,导致铁素体非均质形核。
1. 2 氧化物冶金技术的具体思路氧化物冶金技术的概念最早是1990 年前后由日本新日铁公司的研究人员明确提出的,当时的具体思路如图2 所示,可慨括如下:(1) 首先控制钢中氧化物的分布和属性(如成分、熔点、尺寸、分布等等) ;(2) 再利用这些氧化物作为钢中硫化物、氮化物和碳化物等的非均质形核核心,对硫/ 氮/ 碳等析出物的析出和分布进行控制;(3) 最后利用钢中所形成的所有氧/ 硫/ 氮/ 碳化物,通过钉扎高温下晶界的移动对晶粒的长大进行抑制;通过促进晶内铁素体(可分为晶内针状铁素体(Acicular Ferrite , AF) 和晶内粒状铁素体) 的形核来细化钢的组织;通过形成碳化物来减少基体含碳量从而改善钢的加工性图1 氧化物冶金技术的思路氧化物的种类及脱氧剂的选择并不是所有的氧化物夹杂都能促进晶内针状铁素体的形成,只有某些特定的超细氧化物夹杂才能促进针状铁素体的形成。
总结前人的研究,高熔点的超细氧化物TiOx、ZrO2 、Al2O3 、REOx 、(Ti2Mn2Si) 2Ox、(Zr2Mn2Si) 2Ox 是有效的针状铁素体形核核心。
另外,晶内铁素体的形成与硫化物或氮化物在氧化物上的附着析出有着极大的关系,因此在氧化物冶金中,要求生成的氧化物既能作为针状铁素体的非均质形核核心,又能有利于氮化物或硫化物在其上析出。
经研究, Ti2O3 是理想的晶内铁素体形核核心,采取Mn2Si2Ti复合脱氧更能使氧化物颗粒周围形成贫锰区,更有利于钢中晶内铁素体形成。
213 氧化物夹杂数量、尺寸和分布控制21311 氧浓度对氧化物夹杂尺寸和数量的影响氧化物的数量和尺寸主要与钢中氧浓度和钢凝固过程中冷却速度有关, Goto等人以低碳钢为试验材料研究了氧浓度对氧化物颗粒分布的影响,结果表明在Ti 脱氧钢中,随着氧浓度增大,氧化物的数目增加,氧化物的平均颗粒直径只有少许增大(如图1 和图2) 。
21312 冷却速度对氧化物夹杂尺寸和数量的影响Goto等人也研究了冷却速率对凝固过程中氧化物析出的影响,指出冷却速率对析出物的分布和大小有着重要影响,凝固过程中随冷却速率的提高,析出物的尺寸减小,数量增加(如图3和图4)从国内外的研究结果来看,几乎没有关于控制钢中夹杂物分布的技术报道,但要获得晶内针状铁素体, 就必须使夹杂物均匀弥散分布在钢中,才能成为铁素体的非自发核心,起到细化晶粒的作用。
3 氧化物冶金的几个关键技术问题3.1 有利于针状铁素体形成的夹杂物的尺寸氧化物冶金技术的一个重要方面就是控制氧化物夹杂数量、尺寸及分布, 从而使钢中晶内针状铁素体的体积达到最大。
Tye2Long[13 ] 为研究晶内针状铁素体相对形核能力(p) , 建立一数学模型, 该模型基本思想如下:P =vIAF(1 - vIAF) ·(4145Pg +π2nBv d)πnIvd(1)由式(1) 可知, 晶内针状铁素体的体积分数主要与奥氏体晶粒大小、夹杂物数量、夹杂物尺寸有关。
Tye2Long[13 ] 的计算表明, 有利于晶内形核的夹杂物大小为0125μm～018μm。
Barbaro等[14 ]研究钢中针状铁素体在氧化物颗粒上形成时, 指出有利于针状铁素体形成的夹杂物颗粒直径为014～016μm。
St2laurent 等[15 ] 的研究表明,有利于晶内形核的夹杂物大小为0145μm。
可见,他们的研究结果基本一致。
3.2 有利于晶内针状铁素体形成的奥氏体晶粒尺寸近年来, Thewlis[16 ] 为了得出晶内针状铁素体( IAF) 与奥氏体晶粒大小及夹杂物数量、大小和组成之间的关系, 进行了大量的试验, 结果表明, 当奥氏体晶粒大小达到某一最佳的尺寸时,可实现IAF 的体积最大化。
Jye2Long[17 ] 在研究钛脱氧钢( 典型化学组成为0111 %C20105 %Si2115 %Mn201015 %Ti20126 %Ni20127 % Cu201015 %Nb) 中晶内针状铁素体形核时也表明了这一结果(图5) , 针状铁素体相对形核能力与奥氏体晶粒大小之间基本上符合C 曲线关系, 随着奥氏体晶粒尺寸增加, 相对形核能力增大, 当达到一个最大值后开始减小, 在加钙处理和未加钙处理两种情况下, 最佳的奥氏体晶粒尺寸均在180～190μm 左右。
3.3 有利于针状铁素体形成的夹杂物数量为使钢中形成晶内针状铁素体, 必须保证钢中有足够数量的均布的合理颗粒尺寸的夹杂物。
虽然在夹杂物促使针状铁素体形成的机理方面存在一些争论, 但夹杂物的下列作用是非常清楚的: 如果没有夹杂物的出现, 钢中是不可能形成针状铁素体的; 有利于针状铁素体形成的夹杂物尺寸应该在0.25μm～0.80μm 之间; 在晶界的夹杂物存在双重作用, 即小夹杂物能抑制奥氏体晶粒长大, 大夹杂物能促使非针状铁素体的转变;增加夹杂物的数量, 就增大了晶内夹杂物的表面积, 有利于针状铁素体形成, 但过多的夹杂物会增加晶界长度与面积, 从而降低针状铁素体的形成。
因此, 理想的夹杂物体积分数存在一个上限值。
但至今没有人提出有利于晶内针状铁素体形成的合理的夹杂物的数量。
根据Zener[18 ] 的模型, 奥氏体平均晶粒尺寸(g) 是夹杂物体积分数(f ) 和夹杂物直径(d)的函数:g = kdf(2)式中, g 和d 的单位均为mm。
其中f 可由下式确定:f =π6Nvd3 (3)在Zener[18 ] 的原始模型中, k 为常数, 然而,Jye - Long[13 ] 通过大量的实验结果表明, k 值比上述预言的模型分散, 其原因就在于奥氏体晶粒在不断变化, 所以上述k 值不是在平衡状态获得。
为得到更合理的k 值, Jye - Long 拟合了大量的实验数据, 并根据式(2) 和(3) 得出:g = 011541 ( 6π·Nvd2 ) 0118127 (4)由式(4) , 可得出奥氏体晶粒尺寸与夹杂物数量及尺寸的关系(图6) 。
从图6 可以看出,当有利于针状铁素体形成的奥氏体晶粒尺寸在180 ～ 190μm 之间, 夹杂物尺寸在025μm ～0.80μm之间时, 可得出合理的夹杂物数量在1.3×107～1.0 ×106个/mm3之间。
3.4 合理的氧位氧化物冶金技术在焊接用钢、管线钢、海洋平台用钢、建筑结构用钢、船板钢、压力容器用钢、非调质钢, 近终形连铸产品中得到应用, 这些钢通常以钛氧化物夹杂作为非均质形核核心,而氧浓度对微细氧化物夹杂的形成起着很重要的作用, 因此钢中必须有一个恰如其分的含氧量。
由于钢中的氧几乎全以氧化物形式存在, 可通过氧化物夹杂的颗粒数量与大小来估算钢中氧浓度, 借助于DeHoff[11 ]方程可推算出氧化物的体积分数:Nv =2Naπ·d(5)V =π6d3·Nv (6)式中, Nv 是单位体积的氧化物数目(个Pmm3 ) , Na 是单位面积的氧化物数目(个Pmm2 ) ,d 是氧化物颗粒直径的平均值(mm) , V 是氧化物的体积分数。
对于钛脱氧钢, 氧化物夹杂主要由Ti2O3 组成, 同时含有少量的Al2O3 和MnO , 可忽略后两者的影响, 由氧化物的体积分数可估算出钢中氧浓度:[O]ox = (ρox /ρFe ) V·(O) ox (7)式中, [O]ox为钢中以氧化物形式存在的氧的浓度,ρox 和ρFe 分别为氧化物密度( PTi2O3=416gPcm3 ) 和钢的密度(710gPcm3 ) , (O) ox为氧化物中氧浓度(此处指Ti2O3 中氧的浓度) 。
由式(4) ～ (7) 可知, 当有利于针状铁素体形成的奥氏体晶粒最佳尺寸在180μm～190μm ,夹杂物平均直径为0125μm～0180μm , 夹杂物数量在113 ×107 ～110 ×106 个Pmm3 之间时, 可估算出钢中氧浓度在15～80μgPg 之间。
315 元素的竞争氧化和氮化。
3.5.1 铝浓度对Ti2O3 形成的影响铝和钛都是强脱氧元素, 钢液中同时存在[Al ] 、[ Ti ] 、[O] 的情况下, 可能形成Al2O3 和Ti2O3 。
因Al2O3 不是理想的晶内铁素体形核核心, 有必要研究铝对Ti2O3 析出的影响。
铝影响钛脱氧的反应如下:(Ti2O3 ) + [Al ] = (Al2O3 ) + [ Ti ]log (aTi2O3 ·a2AlaAl2O3 ·a2Ti) = -7940T+ 2149 (8)由式(8) 可得出[Al ] 与aAl2O3/ aTi2O3 的关系, 见图7。
图7 表明, 当[ %Ti ] = 0102 % , T = 1873K及1793K时, aAl2O3PaTi2O3 随钢液中Al 含量的降低而减小, 当Al 含量小于01001 %以后, Al2O3 的活度与Ti2O3 的活度比值aAl2O3PaTi2O3 接近于零, 表明此时钢中的氧化物主要以Ti2O3 的形式存在。
因此, 在钛脱氧钢的实际生产中最好采取无铝脱氧工艺。
3.5.2 氮浓度对Ti2O3形成的影响计算表明[19 ] , Ti2O3是非常容易生成的, 在液态就可以析出, 而TiN 在液态则不可能析出。