1.3.2 钙处理对硫化物夹杂变性行为
采用钙处理方法对钢中MnS夹杂物变性的原理是通过增加钢中有效钙含量,在钢水凝固过程中提前形成的高熔点CaS质点,可以抑制钢水在此过程中生成MnS的总量和聚集程度,并把MnS部分或全部改性成CaS,即形成细小、单一的CaS相或CaS与Mns的复合相。
考虑钢液中各元素活度(合金元素1%,硫2%),将各元素硫化物生成自由能按负值排列:
1873K时:CeS>CaS>Zr3S4>TiS>MgS>MnS>FeS
1273K时:CaS>CeS>MgS>MnS>FeS>MoS2>Ni3S2>Cu2S
若Ca与Mn同时与钢中硫反应并达到平衡,则:(1.9)
即加入的钙遇到MnS夹杂,则必将使它们还原,改变其性质及形态[11]。
(1)硫化物变性的热力学条件
硫化锰夹杂因其高温塑性良好,对钢的热加工会起到不良的影响,应采取措施促使MnS类夹杂物转变为高熔点、低塑性、硬度大的单相或多相物质,使其尽早析出,呈球状或近似球状分布[10]。
Ca使MnS变为CaS的热力学依据为[11]:
在钢液中发生反应:
由(1.10)(1.11)得到(1.12):
T=1873K时, ;
在渣-钢界面发生反应:
由(1.13)(1.14)得到(1.15):
T=1873K时, 。
上几式说明,在炼钢温度下,MnS转化为CaS是可行的。可以通过钙处理的方法使钢中长条状的MnS夹杂球化,得到质硬且脆,而且熔点更高的球形硫化物。
(2)硫化物夹杂变性的分析
如前文所述,温度对钢液中[Ca]-[S]反应平衡的影响十分显著。当钢液温度降低时,在相同的硫含量下形成CaS夹杂所需钙含量迅速降低,因此,随着钢水的凝固,钢中残余的[S]、[Ca]可以提前结合为高熔点的CaS质点并弥散于钢的基体中,相当于进一步减少了钢中残余的[S],减弱了硫的偏析。在凝固结束时析出的MnS不但数量降低、尺寸减少,而且有少量高熔点的CaS弥散其中,轧制过程中可以起到碾断、分割、剥离MnS夹杂的作用,阻止了大颗粒MnS夹杂在轧制中的大变形,从而降低了对钢材性能的危害[10]。
只有当硫含量比较低时,氧化物的变性才能够进行的比较完全,此后硫化物的变性才能够进行到底[13]。
另外据孙宝芳的分析表明,钙处理可将长条状的MnS夹杂变为细小球形CaS或与钙铝酸盐附和在一起,即圆球状铝酸钙外层包覆(Ca、Mn)S。这种复合夹杂物熔点高于钢液,比重轻,其中CaO含量越高,熔点越低,越易于长大去除[14]。
(3)硫化物夹杂变性的处理效果
Dsamu Haida定义了原子浓度比ACR来作为衡量硫化物变性程度的指标[15]。当钢中w(Ca)在(20~50)×10-6范围内时,
(1.16)
当ACR=0.2~0.4时,硫化物不完全变性;当ACR>0.4时,硫化物基本变性;若使铝镇静钢中硫化物完全变性,则须使ACR>1.8[16]。
大多数研究者认为,当 时,钢中仍存在MnS夹杂;当 时,纯CaO及纯CaS便会出现在钢中,而无论是MnS还是CaS夹杂对钢质量都是不利的[17]。
华中理工大学乔学亮[18]等人研究表明:在长条状的硫化物夹杂中几乎没有钙的存在;当硫化物中钙含量逐渐增加时,其形态向纺锤形靠近,说明Ca可使硫化物形态得到改善。他经实验数据回归得出了Ca含量与硫化物长宽比L/W之间的关系:
(1.17)
1.3.3 钙处理对Al2O3夹杂变性行为
A12O3夹杂物为钢中内生夹杂物。在镇静钢中,采用Al脱氧工艺即用Fe-Al-Si或Al脱氧时,Al2O3是常见氧化物夹杂中对钢质影响最大的一类,它属于脆性不变形夹杂物,与基体的热变形能力差异较大,在轧制过程中很容易被破碎并且延轧制方向连续分布。大块的A12O3脆性夹杂,经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂,并成链状分布在基体中,这些坚硬的形状不规则A12O3夹杂在变形中能将基体划伤,并在夹杂物周围产生应力集中场直至在交界面处形成空隙或裂纹。在重轨钢及轴承钢中,A12O3夹杂在周期应力的作用下,会成为疲劳源,最终因疲劳裂纹的扩展造成大块金属脱落的“掉块”导致钢的断裂。应用断裂力学理论计算表明,当A12O3夹杂大于26μm时,也可使之成为疲劳裂纹源,因此,在重轨的有关标准中,对非金属夹杂物A12O3要求特别严,即“B类夹杂不大于1级”[19]。 纯钙包芯线的防喷溅研究+文献综述(5):http://www.youerw.com/cailiao/lunwen_4809.html