超细TiO_x夹杂物在钢液凝固过程中析出规律的基础研究

发布时间：2020-07-21 12:23

【摘要】： 非金属夹杂物往往造成钢材表面和内部缺陷,但是目前生产工艺无法将钢中夹杂物完全去除。研究表明:当夹杂物小于3μm、种类适当且分布均匀时能够改善钢的强韧性能。以钛氧化物为主复合了硫化锰和氮化钛的细小夹杂物容易诱发晶内铁素体(IGF),细化晶粒,提高钢材强韧性。因此控制钢液中钛氧化物的析出以使其尺寸小于3μm,并且在钢中弥散分布成为重点研究课题。由于在钢液凝固过程中析出的夹杂物尺寸相对比较细小,本论文系统研究了钢液凝固过程中超细钛氧化物的析出规律,并通过理论计算和定向凝固实验验证了凝固过程中可以析出超细、弥散分布的钛氧化物夹杂。 本文首先从通过热力学计算分析了控制钛的氧化物在凝固过程中析出所需要的热力学条件以及生成的钛氧化物的类型。钛的氧化物易于成为IGF核心,为了使钢中析出钛的氧化物,必须控制钢液中的铝钛比。在凝固温度范围内,Ti的氧化物中Ti_3O_5是最稳定的。当钢液温度为1873K,钢液中Ti含量为0.02%时,铝浓度要小于34ppm。凝固前氧含量不同时,钢液中的[Mn]会影响钛的氧化物夹杂的类型。平衡氧含量为30ppm时,夹杂物的类型为锰钛复合氧化物;平衡氧含量在20ppm时,凝固前期生成钛的氧化物,后期生成锰钛复合氧化物;氧含量在10ppm时只生成钛的氧化物。 鉴于钛的氧化物中Ti_3O_5热力学最稳定,本文利用数学模型理论计算了凝固过程中不同氧含量及不同冷速下析出Ti_3O_5的含量及直径。在钢液凝固过程中,由于液相和固相中存在溶解度差异会发生溶质元素的微观偏析,凝固过程中温度的降低,在凝固前沿富集大量溶质,提高了[Ti]和[O]的浓度积,[Ti]、[O]反应生成Ti_3O_5夹杂。计算采用了有限差分法来完成,计算区域为二次枝晶臂间距的一半,溶质的质量传输仅由扩散控制。模型在计算溶质元素的微观偏析的同时考虑了Ti_3O_5的析出对溶质浓度的消耗,使溶质的微观偏析程度和Ti_3O_5析出量的计算更加合理。通过数值模拟表明:凝固前钢液中氧含量越高,生成的Ti_3O_5直径越大:冷速越大,Ti_3O_5直径越小。当冷速为10K/min时,对应于实际生产情况,相当于模铸的冷速,凝固过程中析出的Ti_3O_5尺寸约为2.5μm。在冷速为1000K/min时(薄板坯连铸的冷速),Ti_3O_5的尺寸为0.7μm,非常细小。从理论上证明凝固过程可以形成超细的钛氧化物。 理论分析的基础上,本文采用定向凝固实验研究了氧位、冷却速率对凝固过程中析出的夹杂物的数量、种类和尺寸的影响。定向凝固实验中溶质元素沿凝固方向一维扩散,在凝固前沿的富集造成夹杂物在凝固前沿液相的析出。实验时分别加入锰铁、硅铁、钛铁或者锰铁/硅铁、锰铁/钛铁的混合物研究不同氧化物在凝固过程中的析出规律。实验结果表明,分别添加锰、硅及硅-锰元素时,凝固过程中生成的夹杂物尺寸为1.3μm、1.2μm、1.1μm。添加锰时,夹杂物数量最多,添加硅时数量最少,分别为1.1×10~5/mm~3和5.8×10~4/mm~3。添加锰、钛元素后生成的夹杂物类型受凝固前氧含量的影响,在10ppm平衡氧含量时,凝固过程中析出的均为钛的氧化物;20ppm氧含量时生成的夹杂物为钛的氧化物和锰钛复合氧化物;30ppm氧含量时生成的夹杂物为锰钛复合氧化物。钛氧化物尺寸受冷速的影响较大。冷速越大,其平均尺寸越小。当冷速为9K/min,89K/min以及143K/min时,其平均直径分别为2.0μm,1.2μm以及1.0μm。从实验证明凝固过程能够形成超细夹杂物。 针对目前存在的夹杂物检测方法,本文提出了检测超细夹杂物的方法,提取了定向凝固实验得到的试样中的超细钛氧化物。即,酸溶分离;超细孔径的聚碳酸脂膜过滤提取夹杂物;扫描电镜和高分辨透射电镜检测。获得了超细夹杂物的三维形貌、尺寸、化学成分及结构等大量有价值信息。这为进一步分析其晶体长大习性,从而为控制这些夹杂物在钢中的形态打下了基础。通过对钢中夹杂物的结构分析发现,钢中不含锰的钛氧化物的类型为Ti_3O_5:而当钢中含锰时,凝固过程中首先析出Ti_3O_5,然后Ti_3O_5与钢中的[Mn]发生作用生成Ti_2O_3与MnO的超细复合氧化物,为MnS复合和贫锰区形成创造有利条件,而Ti_2O_3周围形成贫锰区有利于IGF的形核。完善了IOF的形成机制。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG142.15
【图文】：

山本等[23l指出Ti一。钢的高温稳定性比图一3)，在熔融钢凝固过程中析出。.T，N吕一.闪.入的呀.

本文编号：2764409