铝脱氧钢中非金属夹杂物细微弥散化的基础研究

发布时间：2018-01-06 13:32

本文关键词：铝脱氧钢中非金属夹杂物细微弥散化的基础研究　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：钢中非金属夹杂物的类型、数量、尺寸和分布直接影响钢材的使用性能和疲劳寿命,有时甚至是决定性因素。夹杂物由于偏聚造成钢中某处夹杂物数量多、尺寸大,从而破坏了钢基体的连续性,在加工和使用过程中,裂纹会在应力集中较严重的大夹杂物处或者夹杂物偏聚处萌生和扩展,最终导致断裂。由此可见,夹杂物细微弥散化的研究对钢材质量的提高十分重要。本研究根据热力学软件FACTSAGE计算得到的1873 K下钢液中不同脱氧剂添加量下平衡钢液成分、生成夹杂物的种类和总量,设计夹杂物细微弥散化高温实验方案;采用修正的Schwartz-Saltykov体视学方法实现夹杂物的二维尺寸分布-三维尺寸分布的转变,利用夹杂物二维坐标信息直观反应夹杂物的分布,并将夹杂物分布的弥散性定量化表征;以此表征方法为基础研究无搅拌状态下铝脱氧、铝镁、铝钛、铝钙复合脱氧等条件下夹杂物的成分、形貌、尺寸、数量密度、体积分数、分布、弥散性等特征变化及其随时间的演变规律;根据经典热力学形核理论、Ostwald熟化理论、碰撞模型获得了溶质元素含量与夹杂物的形核半径、形核率和熟化生长粗化率的关系图,以及夹杂物碰撞率的变化规律;采用激光高温共聚焦显微镜,结合夹杂物间毛细作用力、范德华力和液桥力的计算,探究钢液中不同种类夹杂物行为变化的影响规律;结合高温实验结果和理论计算分析,揭示了夹杂物细微弥散化机理,掌握了利于细化夹杂物尺寸和提高夹杂物分布均匀性的控制方法。高温实验结果表明:1)脱氧3900s,[%Al=0.05时,[%Mg]i=0.0.03(先加铝后加镁)、[%Ti]i=i=0.78、2.22和[%Ca]i=0.78四组实验钢中夹杂物三维平均尺寸最小,在1.4-1.6μm范围内,且夹杂物三维数量密度在0.35×105mm-3以上,夹杂物分布的均匀度在1.8以上。钙处理钢中夹杂物弥散化效果更好;2)提高钢中铝、钛和钙的添加量,以及将镁铝尖晶石中MgO含量控制在16%-28%范围内,均利于夹杂物尺寸的减小;3)随着脱氧时间的增加,夹杂物的尺寸和夹杂物界面间距呈增长趋势,数量密度和体积分数减小;4)夹杂物分布的均匀度变化趋势与夹杂物间的界面间距变化趋势相同,与夹杂物数量密度变化趋势相反;5)先加铝后加镁、钛或者钙的脱氧顺序更利于夹杂物的细微弥散化。夹杂物形核、生长和夹杂物间作用力的研究结果表明:1)夹杂物的临界形核半径在3nm范围以内,随着溶质元素活度的增大,夹杂物的临界形核半径减小,氧活度对夹杂物的形核率影响较大。2)夹杂物的形核半径越小,夹杂物的形核数量越多。随着夹杂物的形核率的增大,夹杂物的尺寸分布曲线有变窄的趋势。3)随着夹杂物种类和钢液成分的变化,夹杂物熟化生长的限制性因素随之变化。4)随着夹杂物数量密度的增加、夹杂物界面间距的减小、以及夹杂物形核率的减小,夹杂物的碰撞率增加。5)钢液无搅拌状态下,脱氧前期夹杂物的尺寸变化主要与Ostwald熟化生长有关,脱氧后期,夹杂物之间的碰撞对夹杂物粗化的影响更大。6)夹杂物间聚集行为主要与夹杂物的碰撞和受力有关。钢液表面夹杂物间平均作用力由大到小的顺序为:Al2O3Al2O3-TiOxAl2O3-MgOAl2O3-CaO。7)夹杂物间毛细作用力、范德华力和液桥力与钢中氧的活度、夹杂物的润湿性、夹杂物的尺寸和夹杂物间界面间距有关。8)夹杂物间毛细作用力越小、范德华力越大、液桥力越小,夹杂物越不容易相互吸引、夹杂物聚集体的结构越致密,因此,夹杂物分布越弥散。夹杂物细微弥散化的机理研究表明:在钢液无搅拌状态下,降低限制性扩散元素溶解氧或者脱氧元素含量、控制夹杂物的成分、提高夹杂物的形核半径和夹杂物的形核率、针对不同种类夹杂物控制钢液氧活度、夹杂物的润湿性、尺寸、夹杂物间界面间距,利于夹杂物细微弥散化。
[Abstract]:In this paper , the distribution of inclusions in molten steel is studied by means of laser high - temperature co - focusing microscope . 3 ) With the increase of the content density of inclusions , the distribution curve of inclusions of inclusions is smaller . The more compact the structure of inclusion aggregates , the more the inclusions are distributed . The mechanism of fine dispersion of inclusions shows that the content of dissolved oxygen or deoxygenated elements of the inclusions is reduced , the composition of inclusions is controlled , the nucleation radius of the inclusions and the nucleation rate of inclusions are controlled , the liquid oxygen activity of the inclusions is controlled for different kinds of inclusions , the wettability , the size of the inclusions , and the interface spacing of the inclusions are controlled to facilitate the fine dispersion of the inclusions .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF703

【参考文献】