Fe-Mn-Al-O熔體中Mn、Al間活度相互作用系數(shù)的測(cè)定
張杰
(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院， 北京 100083)
摘要：鑒于有關(guān)高M(jìn)n、Al含量鋼液中Mn、Al間活度相互作用系數(shù)的研究匱乏，以及缺乏合理熱態(tài)試驗(yàn)方法的現(xiàn)狀，首先采用不同方法開展相關(guān)熱力學(xué)試驗(yàn)，得到了適用于高M(jìn)n、Al含量鋼液的熱力學(xué)研究方法。采用電阻爐開展試驗(yàn)，將CaO-Al2O3渣覆蓋在Fe-Mn-Al熔體表面，防止Al的氧化和Mn的揮發(fā)，保證熱力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中，金屬與渣的質(zhì)量比為2.4。之后，將樣品置于Al2O3坩堝中、外套石墨坩堝開展試驗(yàn)，試驗(yàn)采用Ar-H2混合氣，流量比為9∶1，樣品在1 600 ℃條件下平衡2 h。結(jié)果表明，隨著Mn含量的增加，Al含量降低；采用Wagner模型進(jìn)行分析，最終得到Mn、Al間的一階活度相互作用系數(shù)eMnAl為0.028 8、二階活度相互作用系數(shù)rMnAl為-0.000 25。
關(guān)鍵詞：Fe-Mn-Al-O體系； 高錳高鋁鋼； 熱力學(xué)； 試驗(yàn)方法； 活度相互作用系數(shù)
1 引言
近年來(lái)，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)因其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。其中，作為最具發(fā)展?jié)摿Φ腁HSS鋼——高錳高鋁鋼由于其高成型性以及優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性得到了大力發(fā)展。然而，鋼液中添加大量Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%~20%)和Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%)為煉鋼和鑄造工藝帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，除了對(duì)AHSS鋼材性能方面的研究外，冶煉過(guò)程的基礎(chǔ)研究，包括AlN夾雜物的形成、鋼液中的［Al］在連鑄過(guò)程與保護(hù)渣(SiO2)中的反應(yīng)等，對(duì)高錳高鋁鋼生產(chǎn)也非常重要。
解決實(shí)際冶煉過(guò)程中的問(wèn)題需要相關(guān)的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)。然而，在關(guān)于高錳高鋁鋼液熱力學(xué)性質(zhì)的研究中，對(duì)高M(jìn)n、Al含量鋼液中Mn與Al之間活度相互作用參數(shù)的研究很少，無(wú)法滿足實(shí)際需要。在現(xiàn)有研究中，Mikhailov G G等確定了1 600 ℃下、低Mn、Al含量(w(［Mn］)≤0.7%，w(［Al］)≤0.05%)鋼液中Mn和Al之間的一階活度相互作用參數(shù)eMnAl為-0.04，但該研究中并沒(méi)有擬合Mn和Al之間的二階活度相互作用參數(shù)，且該數(shù)據(jù)不能完全滿足高M(jìn)n、Al含量鋼液的熱力學(xué)性質(zhì)的描述。Paek M K等通過(guò)研究Fe-Mn-Al-N體系的熱力學(xué)性質(zhì)，最終得到Mn和Al之間的一階和二階相互作用參數(shù)均為0(w(［Mn］)≤22%，w(［Al］)≤1.8%)。顯然，這兩項(xiàng)研究得到的結(jié)果存在明顯差異。此外，雖然Paek M K等是在較大的Mn含量范圍內(nèi)獲得了相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，但Al含量相對(duì)較低，對(duì)于Al含量較高的鋼液適用性仍然未知。因此，需要深入研究高M(jìn)n、Al含量的Fe-Mn-Al-O體系中Mn與Al之間的活度相互作用參數(shù)。
在研究熔體的熱力學(xué)性質(zhì)時(shí)，試驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有很大影響。目前普遍采用化學(xué)平衡法進(jìn)行研究，然而，在研究高M(jìn)n、Al含量的Fe-Mn-Al-O體系及其細(xì)分體系的熱力學(xué)性質(zhì)中采用該方法存在很大挑戰(zhàn)。在高溫平衡試驗(yàn)過(guò)程中，由于Mn很容易揮發(fā)，其含量很難控制，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此，需要探究合適的試驗(yàn)方法對(duì)該體系進(jìn)行研究。
本研究基于化學(xué)平衡法，首先探索得到適用于高M(jìn)n、Al含量Fe-Mn-Al-O體系的熱力學(xué)試驗(yàn)方法，并以此為基礎(chǔ)開展試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Wagner模型進(jìn)行擬合，獲得適用于高M(jìn)n、Al含量鋼液中Mn、Al間的活度相互作用系數(shù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)在研究高M(jìn)n、Al含量Fe-Mn-Al-O熔體的熱力學(xué)性質(zhì)時(shí)，可以采用CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、CaF2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的熔渣與Fe-Mn-Al-O熔體進(jìn)行熔煉，以有效防止Al的氧化和Mn的揮發(fā)，同時(shí)不會(huì)影響金屬熔體內(nèi)部Al、O和Al2O3夾雜物間的平衡。
(2)采用Wagner模型進(jìn)行擬合分析，得到Mn、Al間的一階活度相互作用系數(shù)eMnAl為0.028 8、二階活度相互作用系數(shù)rMnAl為-0.000 25。
