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    超低碳鋼中Al-Ti-O夾雜物的形貌演變和生成機(jī)理

    2023-01-31 03:33:32黃日康姜仁波周秋月姜東濱張立峰
    工程科學(xué)學(xué)報(bào) 2023年5期
    關(guān)鍵詞:化后鋼液外層

    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.

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