超低碳鋼中Al-Ti-O夾雜物的形貌演變和生成機(jī)理

黃日康，姜仁波，周秋月，任 英?，姜東濱，張立峰

1) 柳州鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545002 2) 唐山不銹鋼有限責(zé)任公司煉鋼廠，唐山 063105 3) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083 4) 北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144

通過在IF鋼冶煉過程中加入足量的鈦和鈮等元素，將鋼中的碳、氮等間隙原子固定為相對粗大的碳氮化合物，從而實(shí)現(xiàn)鋼中無間隙固溶原子的存在[1-3].鈦在IF鋼冶煉過程的鋼液中以溶解鈦[Ti]和含鈦氧化物的形式存在，在冷卻凝固過程中才會析出碳氮化鈦[4-9].含鈦氧化物的形成和存在對IF鋼冶煉是不利的.一方面，含鈦氧化物進(jìn)入渣中無法被還原為[Ti]，降低了和碳氮等間隙原子結(jié)合的有效鈦含量，造成了鈦的損失[10-11]；另一方面，含鈦氧化物易導(dǎo)致水口結(jié)瘤嚴(yán)重[8,12]，同時也對IF鋼產(chǎn)品的質(zhì)量有影響[13].因此，有必要通過研究IF鋼中含鈦氧化物及其生成機(jī)理，以盡量減少含鈦氧化物的生成.目前，一些研究[5,8-9,14-17]認(rèn)為，RH精煉過程鈦合金化后鋼水中瞬時的局部鈦含量過高，使得IF鋼中會生成Ti2O3、Ti3O5和Al2O3-TiOx夾雜物，而生成 Al2O3-TiOx，Ti3O5和 Ti2O3所需的鈦含量依次增加[18].對于含鈦夾雜物，主要發(fā)現(xiàn)有Al2O3包裹Al2O3-TiOx核心[6,15,19-20]、Al2O3-TiOx包裹著 Al2O3[21-24]，以及 Al2O3-TiOx和 Al2O3各在一側(cè)但有一個交界面[25]三種類型.此前研究主要集中在對夾雜物形貌的定性分析，而對IF鋼中還存在的數(shù)量較少的Al-Ti-O夾雜物的研究較少.因此，本文以國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的IF鋼為研究對象，通過自動掃描電鏡分析鈦合金化后鋼樣中的Al-Ti-O夾雜物，對鈦合金化后存在的Al-Ti-O夾雜物形貌進(jìn)行分類，并定量統(tǒng)計(jì)各類形貌的夾雜物在全部Al-Ti-O夾雜物中的數(shù)量占比，最后對各類形貌的Al-Ti-O夾雜物的生成機(jī)理進(jìn)行討論.

1 實(shí)驗(yàn)方法

國內(nèi)某鋼廠的IF鋼冶煉工藝路線為Basic oxygen furnace(BOF)→RH refining→Continuous casting (CC).RH脫碳結(jié)束后向鋼液中加入鋁粒脫氧，為提高鈦的收得率，加入鋁粒6 min后才向鋼中加入鈦鐵合金，純循環(huán)8 min后破真空，在破空前取樣檢測鋼液成分，最后將鋼包吊往連鑄平臺進(jìn)行澆鑄.表1為本文所研究的RH破空前IF鋼化學(xué)成分.為了研究IF鋼鈦合金化后夾雜物生成情況以及統(tǒng)計(jì)Al-Ti-O夾雜物形貌分類，在RH精煉加入鈦合金前，鈦合金化后1 min、4 min以及RH精煉終點(diǎn)時采用桶式取樣器在RH下降管附近取鋼樣，在鋼包內(nèi)鋼液澆鑄一半時在中間包液面中心處采用桶式取樣器取鋼樣，取樣插入深度≥300 mm，樣品示意圖如圖1所示.使用 LECO 氧氮?dú)浞治鰞x檢測鋼樣中的總氧含量T.O，結(jié)果如表2所示.在距離鋼樣底部10 mm處切取金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光后，通過掃描電子顯微鏡-能量色散光譜儀對夾雜物進(jìn)行檢測和分析，每個樣品的掃描面積大于80 mm2，加速電壓選用15 kV.對于鈦合金化后1 min的樣品，檢測直徑大于1 μm的夾雜物并分析.結(jié)果表明，直徑為1～3 μm的夾雜物形貌不清晰，成分主要為Ti、N，含有少量或不含Al、O，夾雜物主要為TiN，TiN一般在凝固冷卻過程析出.故后續(xù)樣品設(shè)置掃描最小直徑為3 μm，即直徑小于3 μm的夾雜物不檢測.儀器自動檢測夾雜物的成分并保存，同時保存夾雜物形貌圖片.根據(jù)成分確定Al-Ti-O夾雜物，根據(jù)形貌對其分類并統(tǒng)計(jì)各類型的數(shù)量，形貌的分類主要依據(jù)夾雜物內(nèi)層和外層成分的不同.

表2 不同工序鋼樣的總氧質(zhì)量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Total oxygen content of steel samples at different stages%

圖1 樣品加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sample machining process

表1 IF鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the IF steel %

2 鋼中夾雜物的特征演變

精煉過程中，鋼中夾雜物的演變規(guī)律如圖2所示.如圖2（a），鈦合金化之前，夾雜物中的主要成分為Al2O3.鈦合金化后，鋼液中局部位置鈦濃度過高，夾雜物中TiOx含量明顯增加，隨著精煉過程鋼液的混勻以及夾雜物的上浮去除，夾雜物中的TiOx含量逐漸降低.從RH出站到中間包連鑄過程中，夾雜物中TiOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到5%左右.一方面，鈦合金化后，夾雜物的數(shù)密度逐漸增加，說明鈦合金化后鋼中生成了更多的夾雜物，如圖2（b）所示；另一方面，夾雜物的平均尺寸變化略有增加，如圖2（c）；夾雜物的面積分?jǐn)?shù)變化趨勢與數(shù)密度變化趨勢基本一致，也表明了鈦合金化后鋼中生成了更多的夾雜物，如圖2（d）.所以，精煉過程中鈦合金化后，夾雜物面積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢.

圖2 精煉過程中鋼中夾雜物的變化.（a）夾雜物平均成分;（b）夾雜物數(shù)密度;（c）夾雜物平均尺寸;（d）夾雜物面積分?jǐn)?shù)Fig.2 Evolution of inclusions in the steel during the refining process: (a) average composition of oxide inclusions; (b) number density of oxide inclusions; (c) average diameter of oxide inclusions; (d) area fraction of oxide inclusions

圖3為精煉過程中鋼中夾雜物的成分和尺寸的關(guān)系.加鋁脫氧后，鋼中夾雜物幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)榧傾l2O3，夾雜物中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到98%以上，絕大多數(shù)夾雜物的尺寸在15 μm以下.加鈦合金化后1 min和4 min時，鋼中夾雜物的成分發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)了Al-Ti-O復(fù)合夾雜物，平均成分中TiOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了14%.鈦合金化后，鋼中生成的大多數(shù)含TiOx夾雜物尺寸較小，同時也存在少數(shù)大尺寸的Al-Ti-O復(fù)合夾雜物，這主要是因?yàn)殁伜辖鸹箐撘旱木植课恢免伜窟^高造成的.中間包澆鑄過程中，鋼液中高TiOx含量的夾雜物減少，夾雜物平均TiOx含量逐漸降低.

圖3 精煉過程中鋼中夾雜物的成分和尺寸的關(guān)系.（a）加鈦前;（b）加鈦 1 min;（c）加鈦 4 min;（d）澆鑄一半Fig.3 Relationship between the composition and size of inclusions in the steel during the refining process: (a) before adding titanium; (b) 1 min after adding titanium; (c) 4 min after adding titanium; (d) half of the casting cycle

鈦合金化后各個取樣點(diǎn)的Al-Ti-O復(fù)合夾雜物從形貌上均可分為七種類型，如圖4所示.統(tǒng)計(jì)鈦合金化后1 min、4 min、RH精煉終點(diǎn)以及澆鑄一半時樣品中的夾雜物.4個樣品中的Al-Ti-O夾雜物總數(shù)為627個，類型一至類型七的夾雜物數(shù)量依次分別為39個、33個、45個、252個、169個、75個以及14個，七種類型夾雜物的數(shù)量對比如圖5所示.類型一：夾雜物整體為Al2O3-TiOx、沒有Al2O3外層，該類典型夾雜物如圖4（a）所示，此類夾雜物數(shù)量占全部夾雜物數(shù)量的比例為6.2%；類型二： Al2O3-TiOx包裹著作為核心的Al2O3，沒有Al2O3外層，如圖4（b）所示，其數(shù)量占比為5.3%；類型三：Al2O3和Al2O3-TiOx各在一側(cè)的雙相夾雜物，沒有Al2O3外層，如圖4（c）所示，其數(shù)量占比為7.2%.類型四：夾雜物由Al2O3-TiOx核心和Al2O3外層組成，如圖4（d）所示，其數(shù)量占比為40.2%；類型五：外層為Al2O3，內(nèi)部為Al2O3-TiOx/TiOx包裹著Al2O3核心，部分夾雜物存在多個核心，如圖4（e）所示，其數(shù)量占比為26.9%；類型六：夾雜物有Al2O3外層，內(nèi)部為Al2O3和Al2O3-TiOx各在一側(cè)的雙相夾雜物，該類典型夾雜物如圖4（f）所示，其數(shù)量占比為12.0%；類型七： Al2O3外層包裹著TiOx核心，該類典型夾雜物如圖4（g）所示，其數(shù)量占比為2.2%.不考慮Al2O3外層的情況下，類型一和類型四一樣，整體為Al2O3-TiOx；類型三和類型六一樣，由各在一側(cè)但有交界線的兩部分組成，一側(cè)為Al2O3、另一側(cè)為Al2O3-TiOx；類型二和類型五基本一樣，Al2O3-TiOx/TiOx包裹著作為核心的Al2O3，區(qū)別之處主要為夾雜物表層是否有Al2O3外層；類型七較為特殊，內(nèi)部為TiOx，這類Al-Ti-O夾雜物在樣品中數(shù)量最少，且未發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的TiOx夾雜，Al2O3外層可能是TiOx核心被鋼中[Al]還原生成的.

圖4 鋼中典型 Al-Ti-O 夾雜物類型.（a）類型一;（b）類型二;（c）類型三;（d）類型四;（e）類型五;（f）類型六;（g）類型七Fig.4 Typical Al-Ti-O inclusions in the steel: (a) type 1; (b) type 2;(c) type 3; (d) type 4; (e) type 5; (f) type 6; (g) type 7

圖5 各類Al-Ti-O夾雜物的數(shù)量對比Fig.5 Comparison of the fraction of various Al-Ti-O inclusions

將Al-Ti-O夾雜物分為兩類：一類無Al2O3外層，即前文中的類型一、類型二和類型三；另一類有Al2O3外層，即前文中的類型四至類型七.統(tǒng)計(jì)不同時期樣品中這兩類夾雜物的數(shù)密度變化，如圖6所示.無Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物其數(shù)密度隨著時間增加而減少，有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度則是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢.加鈦4 min的樣品和加鈦1 min的樣品對比，兩者數(shù)密度依次分別為0.64 mm-2和0.63 mm-2，差別不大，但是無Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物其數(shù)密度由0.34 mm-2降至0.14 mm-2，而有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度由0.30 mm-2增加到0.49 mm-2，變化明顯.在加鈦1 min時的樣品中，具有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物在全部Al-Ti-O夾雜物的數(shù)量占比為53.3%.而在加鈦4 min時的樣品中，具有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜在全部Al-Ti-O夾雜物的數(shù)量占比為78.0%.七種類型的Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度隨時間變化如圖7所示.

圖6 有Al2O3外層和無Al2O3外層的Al-Ti-O復(fù)合夾雜物的數(shù)量變化Fig.6 Number density of Al-Ti-O inclusions with and without Al2O3 outer layer

圖7 不同類型Al-Ti-O復(fù)合夾雜物隨時間的變化Fig.7 Evolution of various types of Al-Ti-O composite inclusions with time

3 Al-Ti-O夾雜物的生成機(jī)理

對比不同取樣節(jié)點(diǎn)渣中TiO2含量和鋼中夾雜物數(shù)密度，如表3所示.加鈦4 min時渣中TiO2含量和Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度相對加鈦1 min時基本不變，加鈦4 min以后渣中TiO2含量增加，而Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度降低.這說明，加鈦1 min至加鈦4 min之間，由鋼中進(jìn)入渣中的含鈦氧化物很少，加鈦4 min以后含鈦氧化物逐漸進(jìn)入渣中.加鈦1 min至加鈦4 min之間含鈦氧化物變化的原因是發(fā)生了鋼液和夾雜物之間的反應(yīng)，具有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜的數(shù)量占比由53.3%增加至加78.0%.類型四至類型七Al-Ti-O夾雜物由內(nèi)往外具有2或3層結(jié)構(gòu)，表明夾雜物經(jīng)歷了1次或2次變化.在形貌上，類型一和類型四對應(yīng)，區(qū)別在于前者無Al2O3外層、而后者有Al2O3外層.類似地，類型二和類型五對應(yīng)，類型三和類型六對應(yīng).對比加鈦4 min和加鈦1 min時各類型Al-Ti-O夾雜物的數(shù)密度，如表3所示，對應(yīng)類型的Al-Ti-O夾雜物數(shù)密度呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，無Al2O3外層的類型其數(shù)密度降低，而有Al2O3外層的類型其數(shù)密度增加.由此可以推斷，Al-Ti-O夾雜物演變路徑可能為Al2O3-TiOx/TiOx→Al-Ti-O復(fù)合夾雜物，或 Al2O3→Al2O3-TiOx→Al-Ti-O復(fù)合夾雜物.

表3 渣中TiO2含量及鋼中夾雜物數(shù)密度變化Table 3 Changes of TiO2 content in slag and number density of inclusions in the steel

根據(jù)表1成分，使用FactSage 7.1熱力學(xué)軟件計(jì)算1600 ℃時鋼液中的[O]含量，選用FactPS、FToxid和FTmisc數(shù)據(jù)庫，[O]含量為0.00055%；使用FactSage7.1熱力學(xué)軟件的FToxid和FTmisc數(shù)據(jù)庫，計(jì)算1600 ℃時鋼液中不同[Al]、[Ti]、[O]條件下的氧化夾雜物的穩(wěn)定相圖，如圖8所示，圖中元素前的數(shù)字為該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如0.0016%C意為C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0016%，Al、Ti、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量，除所列元素外，余下的成分為Fe.1600 ℃時，在[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008%～10%、[Al]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0001%～10%的情況下，鋼液中存在4種夾雜物：固態(tài)Al2O3、Ti2O3、Ti3O5和液態(tài)Al2O3-TiOx夾雜物；在鋼液中[Al]含量一定時，生成Al2O3-TiOx、Ti3O5、Ti2O3所需的鈦含量依次增加.表4為1600 ℃時鋼液中Al-Ti-O三元之間可能發(fā)生的反應(yīng)，表5為1600 ℃時的活度相互作用系數(shù)，表示元素j對元素i的相互作用系數(shù).根據(jù)表1的鋼液成分，計(jì)算1600 ℃時表4中各反應(yīng)的吉布斯自由能變化，[Al]還原含鈦氧化物的反應(yīng)的吉布斯自由能變化小于0，而生成含鈦氧化物的反應(yīng)的吉布斯自由能變化大于0.熱力學(xué)表明，本研究中的IF鋼鋼液中的穩(wěn)定相只有Al2O3.

圖8 1600 ℃下鋼液中Al-Ti-O系夾雜物的穩(wěn)定區(qū)域圖Fig.8 Equilibrium diagram for Al-Ti-O system in the liquid steel at 1600 ℃

表4 1600 ℃時鋼液中Al-Ti-O系的反應(yīng)[9, 19, 26]Table 4 Reactions of Al-Ti-O system in the liquid steel at 1600 ℃[9, 19, 26]

表5 1600 °C下的活度相互作用系數(shù)[26-27]Table 5 Activity interaction parameters of elements in the steel at 1600 ℃[26-27]

根據(jù)表1的鋼液成分，計(jì)算各反應(yīng)的吉布斯自由能隨溫度的變化，以及在其他成分不變的情況下，鈦含量對各反應(yīng)的吉布斯自由能變化的影響，結(jié)果如圖9所示.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，反應(yīng)[Ti]+ 2[Al]+ 5[O]= (Al2TiO5)，[Ti]+ (Al2O3) + 2[O]= (Al2TiO5)，4[Al]+ (Ti2O3) + 7[O]=2(Al2TiO5)，以及6[Al]+ (Ti3O5) +10[O]=3(Al2TiO5)在熱力學(xué)上無法正向進(jìn)行.根據(jù)圖9(a)，在 1500～1650 ℃的溫度范圍內(nèi)，[Ti]和Al2O3的反應(yīng)在熱力學(xué)無法發(fā)生.[Ti]和[O]反應(yīng)的吉布斯自由能隨著溫度升高而升高，在1578 ℃左右，其吉布斯自由能為零.即在1500～1578 ℃的溫度范圍內(nèi)，[Ti]和[O]的反應(yīng)能發(fā)生，生成Ti3O5和Ti2O3.熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果與李寧等[27]的研究相符，隨著溫度降低，鋼液中會析出TiOx.但[Al]對這兩種鈦氧化物的還原趨勢更加強(qiáng)烈，Ti3O5和Ti2O3在生成后迅速被還原.在1500～1650 ℃的溫度范圍內(nèi)、如表1所示均勻成分下，Al2O3是唯一的穩(wěn)定相，且在1600 ℃時生成含鈦氧化物的反應(yīng)無法進(jìn)行.但鈦合金化后，鋼液中形成了瞬時的局部高鈦環(huán)境，使得在1600 ℃時生成含鈦氧化物的反應(yīng)可以發(fā)生，如圖9(b)所示.鋼液中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.32%時， [Ti]還原Al2O3生成Al2TiO5、Ti2O3和Ti3O5夾雜物，同時還發(fā)生[Al]還原Al2TiO5生成[Ti]和Al2O3的反應(yīng)；當(dāng)[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.32%時，[Ti]和[O]生成TiOx的反應(yīng)開始發(fā)生；[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.94%之后，鋼液中不再生成Al2TiO5；[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.28%時，鋼液中開始發(fā)生[Al]對TiOx的還原；[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.24%時不再發(fā)生[Ti]對Al2O3的還原；[Ti]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.11%時不再生成TiOx；最終鋼液中唯一的熱力學(xué)穩(wěn)定相為Al2O3，與利用FactSage7.1計(jì)算所得的結(jié)果相同.隨著[Ti]含量降低，[Al]還原 Al2O3-TiOx、Ti3O5、Ti2O3，生成 Al2O3和 [Ti]，這是絕大多數(shù)Al-Ti-O夾雜物外緣都有Al2O3的原因.在加鈦1 min時有Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物的數(shù)密度僅是略小于無Al2O3外層的Al-Ti-O夾雜物的數(shù)密度，說明[Al]對含鈦氧化物的還原發(fā)生得很早.鈦合金化后在鋼液中形成瞬時的局部高鈦環(huán)境，鋼液中可以生成Al2O3-TiOx、Ti3O5、Ti2O3夾雜物.隨著鋼液成分均勻化，局部高鈦環(huán)境消失，鋼液中的[Al]會還原含鈦氧化物，生成Al2O3和[Ti].

圖9 Al-Ti-O三元系的反應(yīng)的吉布斯自由能的變化.（a）隨溫度的變化;（b）1600 ℃時隨鈦含量的變化Fig.9 Changes in Gibbs free energy of Al-Ti-O ternary reaction: (a) with temperature; (b) with Ti content at 1600 ℃

為了進(jìn)一步研究不同鋼液成分條件下鋼中Al-Ti-O夾雜物的生成機(jī)理，根據(jù)表1成分，使用FactSage 7.1熱力學(xué)軟件計(jì)算1600 ℃時鋼液中的鈦含量和氧含量對夾雜物成分的影響，選用Fact-PS、FToxid和FTmisc數(shù)據(jù)庫，結(jié)果如圖10所示.圖10（a）中，隨著鋼中鈦含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變順序?yàn)楣虘B(tài)Al2O3→液態(tài)Al-Ti-O→固態(tài)Ti2O3.當(dāng)鋼中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.42%時，鋼中夾雜物主要為固態(tài)Al2O3；當(dāng)鋼中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.42%～0.8%時，夾雜物主要成分為液態(tài)Al-Ti-O；當(dāng)鋼中鈦含量超過0.8%時，鋼中夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)Ti2O3.由此可知，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，如果鋼液成分均勻，夾雜物主要為固態(tài)Al2O3.然而，在鈦合金化后，鋼液中局部位置的鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能超過0.42%，此時夾雜物中會含有部分的TiOx.圖10（b）為鋼中氧含量對夾雜物成分的影響.由圖可知，當(dāng)鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.03%時，夾雜物主要為固態(tài)Al2O3.只有當(dāng)鋼液二次氧化或合金化過程中局部位置氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.03%時，才會有含TiOx的夾雜物生成.

圖10 1600 oC 下鋼中鈦含量和氧含量對夾雜物成分的影響.（a）鈦含量;（b）氧含量Fig.10 Effect of Ti and O contents on the composition of inclusions in the liquid steel at 1600 oC: (a) titanium content; (b) oxygen content

熱力學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，Al-Ti-O夾雜物的生成過程可以分為兩步，如圖11所示.第一步，由于鋼液合金化后局部位置的鈦含量較高，生成了含鈦氧化物，夾雜物的生成可以分為不以Al2O3為核心的均質(zhì)形核，以及以Al2O3為核心的非均質(zhì)形核.第二步，含鈦氧化物生成后，鋼中[Al]立即還原含鈦氧化物，在含鈦氧化物表層生成Al2O3.由于在當(dāng)前鋼液成分條件下TiOx的穩(wěn)定性較差，在第一步生成的含鈦氧化物很快就被[Al]還原，形成Al2O3包裹含鈦氧化物的Al-Ti-O夾雜物，這也是后續(xù)冶煉過程中TiOx夾雜物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3夾雜物的原因.

圖11 Al-Ti-O復(fù)合夾雜物形成機(jī)理示意圖Fig.11 Schematic of the formation mechanism of Al-Ti-O inclusions

4 結(jié)論

(1) 鈦合金化后各個取樣點(diǎn)的Al-Ti-O復(fù)合夾雜物從形貌上均可分為七種類型：整體為Al2O3-TiOx，且無Al2O3外層； Al2O3-TiOx外層包裹Al2O3核心； Al2O3和Al2O3-TiOx各在一側(cè)的雙相夾雜物；Al2O3外層包裹Al2O3-TiOx；夾雜物表面有Al2O3外層，內(nèi)部為Al2O3-TiOx/TiOx包裹著Al2O3核心；Al2O3外層包裹著內(nèi)部的Al2O3和Al2O3-TiOx雙相夾雜物； 以及Al2O3外層包裹TiOx核心.未發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的TiOx夾雜物.

(2) 熱力學(xué)計(jì)算表明，1600oC的IF鋼液中熱力學(xué)穩(wěn)定的夾雜物為Al2O3.隨著鋼中鈦含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變順序?yàn)楣虘B(tài)Al2O3→液態(tài)Al-Ti-O→固態(tài)Ti2O3.然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)前條件下部分夾雜物中含有TiOx相，其主要原因?yàn)閷?shí)際冶煉過程鈦合金化后鋼液局部位置鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.42%，未達(dá)到熱力學(xué)平衡.

(3) IF鋼合金化后Al-Ti-O復(fù)合夾雜物的演變機(jī)理為：鋼液進(jìn)行鈦合金化后，鋼液中局部的鈦含量過高，鋼液中會瞬態(tài)生成Al2O3-TiOx、Ti3O5、Ti2O3夾雜物.隨著冶煉過程中鋼液逐漸混勻，鋼液中含TiOx相會被鋼液中的[Al]逐漸還原為Al2O3夾雜物，最終鋼中生成熱力學(xué)穩(wěn)定的Al2O3夾雜物.